Кальцій
20 | |
Ca | 2 8 8 2 |
КАЛЬЦІЙ | |
40,08 | |
4s 2 | |
Кальцій - один з найпоширеніших елементів на Землі. У природі його дуже багато: з солей кальцію утворені гірські масиви і глинисті породи, він є в морській і річковій воді, входить до складу рослинних і тваринних організмів.
Кальцій постійно оточує городян: майже всі основні будматеріали - бетон, скло, цегла, цемент, вапно - містять цей елемент у значних кількостях.
Навіть пролітаючи в літаку на висоті багатокілометрової, ми не позбавляємося від постійного сусідства з елементом № 20. Якщо, припустимо, в літаку 100 осіб, то, значить, цей літак несе на борту приблизно 150 кг кальцію - в організмі кожної дорослої людини не менше кілограма елемента № 20. Не виключено, що під час польоту кількість кальцію у районі нас набагато більше: відомо, що сплави кальцію з магнієм застосовуються в літакобудуванні, і тому не виключено, що в літаку є не тільки "органічний", а й "власний" кальцій. Словом, від кальцію - нікуди, і без кальцію теж.
Кальцій - елементарний
Незважаючи на повсюдну поширеність елемента № 20, навіть хіміки і то не всі бачили елементарний кальцій. Адже цей метал і зовні і по поведінці зовсім несхожий на лужні метали, спілкування з якими загрожує небезпекою пожеж та опіків. Його можна спокійно зберігати на повітрі, він не запалюється від води. Механічні властивості елементарного кальцію не роблять його "білою вороною" в сім'ї металів: по міцності і твердості кальцій перевершує багато з них, його можна обточувати на токарному верстаті, витягати в дріт, кувати, пресувати.
І все-таки як конструкційний матеріал елементарний кальцій майже не застосовується. Для цього він дуже активний. Кальцій легко реагує з киснем, сіркою, галогенами. Навіть з азотом і воднем при певних умовах він вступає в реакції. Середа окислів вуглецю, інертна для більшості металів, для кальцію - агресивна. Він згорає в атмосфері CO і CO 2.
Природно, що, володіючи такими хімічними властивостями, кальцій не може перебувати в природі у вільному стані. Зате з'єднання кальцію - і природні та штучні - придбали першорядне значення. Про них (хоча б найважливіших) варто розповісти детальніше.
Кальцій - вуглекислий
Карбонат кальцію СаCO 3 - одне з найпоширеніших на Землі сполук. Мінерали на основі СаCO 3 покривають близько 40 млн км 2 земної поверхні. Мел, мармур, вапняки, ракушечники - все це СаCO 3 з незначними домішками, а кальцит - чистий СаCO 3.
Найважливіший з цих мінералів - вапняк. (Правильніше говорити не про вапняку, а про вапняках: вапняки різних родовищ відрізняються по щільності, складу і кількості домішок) Вапняки є практично скрізь. У європейській частині СРСР вапняки зустрічаються у відкладеннях майже всіх геологічних віків. Черепашники - вапняки органічного походження - особливо поширені на північному узбережжі Чорного моря. Знамениті Одеські катакомби - це колишні каменоломні, в яких добували черепашник. З вапняків головним чином складені і західні схили Уралу.
У чистому вигляді вапняки - білого або світло-жовтого кольору, але домішки надають їм більш темне забарвлення.
Найбільш чистий СаCOз утворює прозорі кристали вапняного або ісландського шпату, широко застосовується в оптиці. А звичайні вапняки використовуються дуже широко - майже в усіх галузях народного господарства.
Найбільше вапняку йде на потреби хімічної промисловості. Він незамінний у виробництві цементу, карбіду кальцію, соди, всіх видів вапна (гашеного, негашеного, хлорного), белільних розчинів, ціанаміду кальцію, вапняної води і багатьох інших корисних речовин.
Значна кількість вапняку витрачає і металургія - як флюсів.
Без вапняку не обходиться жодне будівництво. По-перше, з нього самого будують, по-друге, з вапняку роблять багато будівельних матеріалів.
Вапняками (щебінкою) зміцнюють дороги, вапняками (у вигляді порошку) зменшують кислотність грунтів. У цукровій промисловості вапняк використовують для очищення бурякового соку.
Інший різновид вуглекислого кальцію - крейда. Мел - це не тільки зубний порошок і шкільні дрібні. Його використовують у паперовій і гумовій промисловості - в якості наповнювача, в будівництві та при ремонті будівель - для побілки.
Третій різновид карбонату кальцію - мармур - зустрічається рідше. Вважається, що мармур утворився з вапняку в давні геологічні епохи. При зсувах земної кори окремі поклади вапняку виявлялися похованими під шарами інших порід. Під дією високого тиску і температури там відбувався процес перекристалізації, і вапняк перетворювався на більш щільну кристалічну породу - мармур.
Природний колір мармуру - білий, але частіше за все різні домішки забарвлюють його в різноманітні кольори. Чистий білий мармур зустрічається не часто і йде в основному в майстерні скульпторів. З менш цінних сортів білого мармуру роблять розподільні щити і панелі в електротехніці. У будівництві мармур (усіх кольорів і відтінків) використовують не стільки як конструкційний, скільки як облицювальний матеріал.
І, щоб покінчити з вуглекислим кальцієм, кілька слів про доломіті - важливому вогнетривкому матеріалі та сировина для виробництва цементу.
Це подвійна магній-кальцієва сіль вугільної кислоти, її склад - СаCO 3 · MgCO 3.
Кальцій - сірчанокислий
Сульфат кальцію СаSO 4 теж широко розповсюджений у природі. Відомий мінерал гіпс - це кристалогідрат СаSO 4 · 2Н 2 О. Як в'яжуче гіпс використовують уже багато століть, мало не з часів єгипетських пірамід. Але природному гіпсу (гіпсового каменю) невластива здатність тверднути на повітрі і при цьому скріплювати камені.
Це властивість гіпс набуває при випаленні.
Якщо природний гіпс прожарити при температурі не вище 180 ° C, він втрачає три чверті пов'язаної з ним води. Виходить кристалогідрат складу CaSО 4 · 0,5 H 2 O. Це алебастр, або палений гіпс, який і використовується в будівництві. Крім в'яжучих властивостей у паленого гіпсу є ще одна корисна властивість. Затвердевая, він трохи збільшується в об'ємі. Це дозволяє отримувати хороші зліпки з гіпсу. У процесі твердіння паленого гіпсу, змішаного з водою (гіпсового тесту), півтори молекули води, втрачені при випаленні, приєднуються, і знову виходить гіпсовий камінь CaSO 4 · 2H 2 O.
Якщо випал гіпсового каменю вести при температурі вище 500 ° C, виходить безводний сірчанокислий кальцій - "мертвий гіпс". Він не може бути використовував в якості в'яжучого.
"Оживити" мертвий гіпс можна. Для цього потрібно прожарити його при ще більш високих температурах - 900 ... 1200 ° C. Утворюється так званий гідравлічний гіпс, який, будучи замішаним з водою, знову дає затвердевающую, масу, дуже міцну і стійку до зовнішніх впливів.
Кальцій - фосфорнокислий
Кальцієва сіль ортофосфорної кислоти - основний компонент фосфоритів і апатитів. Ці мінерали (теж досить поширені) - сировина для виробництва фосфорних добрив і деяких інших хімічних продуктів. Оскільки корисна частина фосфоритів і апатитів - не кальцій, а фосфор, ми не будемо докладно розповідати про них, відіславши читача до статті про елемент № 15. Згадаємо тільки, що кальцієві солі фосфорних кислот, перш за все трикальцийфосфат Са 3 (РO 4) 2, завжди є в організмах людей і тварин. Са 3 (РO 4) 2 - головний "конструкційний матеріал" наших кісток.
Кальцій - хлористий
Ця сіль кальцію зустрічається в природі набагато рідше, ніж карбонат, сульфат або фосфати кальцію. Її отримують як побічний продукт у виробництві соди аміачним способом. Природний хлористий кальцій це зазвичай кристалогідрат СаСl 2 · 6Н 2 O, який при нагріванні втрачає спочатку чотири молекули води, а потім і інші.
Безводний хлористий кальцій сильно гігроскопічний, його застосовують для сушіння рідин і газів.
Хлористий кальцій добре розчиняється у воді. Якщо полити таким розчином грунтову або щебеневу дорогу, вона залишиться вологою набагато довше, ніж після поливання водою. Це відбувається тому, що пружність пари над розчином хлористого кальцію дуже мала; такий розчин поглинає вологу з повітря і тому довго не висихає.
Інше застосування цієї солі пов'язане з низькими температурами замерзання розчинів хлористого кальцію. Ці розчини використовують в холодильних системах. А суміші цієї солі зі снігом або дрібно стовченої льодом плавляться при температурах набагато нижче нуля. Точка плавлення холодильної суміші складу 58,8% CaCl 2 · 6Н 2 О і 41,2% снігу мінус 55 ° C.
Хлористий кальцій широко застосовують і в медицині. Зокрема, внутрішньовенні ін'єкції розчинів CaCl 2 знімають спазми серцево-судинної системи, покращують згортання крові, допомагають боротися з набряками, запаленнями, алергією. Розчини хлористого кальцію лікарі прописують не тільки внутрішньовенно, а й просто як внутрішнє ліки. Хлорид кальцію став також одним з компонентів вітаміну B 15.
Кальцій - фтористий
На відміну від CaCl 2 та інших галогенідів кальцію ця сіль практично нерозчинна у воді. Фтористий кальцій входить до складу апатиту, там це даремна домішка. Зате чистий кристалічний діфторід кальцію - речовина дуже корисне. Це один з головних металургійних флюсів - речовин, що допомагають відокремлювати метали від порожньої породи. У цій якості фтористий кальцій використовують дуже давно, і не випадково одна з назв цього мінералу - плавиковий шпат. Плавиковий - від "плавити".
Іноді в природі зустрічаються великі, вагою до 20 кг, абсолютно прозорі кристали цієї солі. У них інше мінералогічний назва - флюорит. Такі кристали являють надзвичайну цінність для оптики, тому що вони пропускають ультрафіолетові та інфрачервоні промені набагато краще, ніж скло, кварц або вода. Попит на кристали флюориту набагато перевищує запаси розвіданих родовищ, і не випадково флюорит стали отримувати в промислових масштабах штучним шляхом.
Штучним шляхом ...
Природні сполуки кальцію не завжди і не в усьому задовольняють людини. Тому багато хто з них перетворюють на інші речовини. Деякі сполуки кальцію, одержувані штучним шляхом, стали навіть більш відомими та звичними, ніж вапняки або гіпс. Так, гашене Са (OH) 2 і негашене вапно СаО застосовували ще будівельники давнину.
Цемент - це теж з'єднання кальцію, отримане штучним шляхом. Спочатку обпалюють суміш глини або піску з вапняком і отримують клінкер, який потім розмелюють в тонкий сірий порошок. Про цементі (вірніше, про цементах) можна розповідати дуже багато, це тема самостійної статті.
Те ж саме відноситься і до скла, до складу якого теж зазвичай входить елемент № 20.
А карбід кальцію - речовина, відкрите випадково при випробуванні нової конструкції печі! Ще недавно карбід кальцію CaCl 2 використовувалися головним чином для автогенного зварювання та різання металів. При взаємодії карбіду з водою утворюється ацетилен, а горіння ацетилену в струмені кисню дозволяє отримувати температуру майже 3000 ° C. Останнім часом ацетилен, а разом з ним і карбід все менше витрачаються для зварювання і все більше - в хімічній промисловості.
Штучним шляхом отримують і гідрид кальцію - найсильніший відновник, і активні окислювачі - хлорне вапно Са (СlO) Сl і гіпохлорит кальцію Са (СlO) 2.
Число прикладів, підтверджуючих першорядну важливість елемента № 20 і його сполук - природних і штучних, - можна ще збільшити. Але навряд чи в цьому є необхідність.
Ізотопи кальцію
Природний кальцій складається з шести ізотопів з масовими числами 40, 42, 43, 44, 46 і 48. Основний ізотоп - 40 Са; його вміст у металі близько 97%. Отримані штучним шляхом ізотопи з масовими числами 39, 41, 45, 47 і 49 - радіоактивні. Один з них - 45 Са може бути отриманий опроміненням металевого кальцію або його сполук нейтронами в урановому реакторі. Наша промисловість випускає такі препарати з ізотопом 45 Са: кальцій металічний, СаCO 3, СаО, CaCl, Ca (NO 3) 2, CaSO 4, CaC 2 O 4.
Радіоактивний кальцій широко використовують у біології та медицині як ізотопного індикатора при вивченні процесів мінерального обміну в живому організмі. З його допомогою встановлено, що в організмі відбувається безперервний обмін іонами кальцію між плазмою, м'якими тканинами і навіть кістковою тканиною. Велику роль зіграв 45 Са також при вивченні обмінних процесів, що відбуваються в грунтах, і при дослідженні процесів засвоєння кальцію рослинами. За допомогою цього ж ізотопу вдалося виявити джерела забруднення стали і надчистого заліза сполуками кальцію в процесі виплавки.
Зуби і метали чистить різний крейда
Природний крейда у вигляді порошку входить в склади для полірування металів. Але чистити зуби порошком із природного крейди не можна, так як він містить залишки раковин і панцирів дрібних тварин, які володіють підвищеною твердістю і руйнують зубну емаль. Тому зубний порошок готують тільки з хімічно осадженої крейди.
Жорстка вода
Комплекс властивостей, визначених одним словом "жорсткість", воді надають розчинені в ній солі кальцію і магнію. Жорстка вода непридатна в багатьох випадках життя. Вона утворює шар накипу в парових котлах і котельних установках, ускладнює забарвлення і прання тканин, але годиться для варіння мила та приготування емульсій в парфумерному виробництві. Тому раніше, коли способи пом'якшення води були недосконалі, текстильні та парфумерні підприємства зазвичай розміщувалися поблизу від джерел "м'якої" води.
Розрізняють жорсткість тимчасову і постійну. Тимчасову (або карбонатну) жорсткість надають воді розчинні гідрокарбонати Са (НCO 3) 2 і Mg (HCO 3) 2. Усунути її можна простим кип'ятінням, при якому гідрокарбонати перетворюються на нерозчинні у воді карбонати кальцію і магнію.
Постійна жорсткість створюється сульфатами і хлоридами тих же металів. І її можна усунути, але зробити це набагато складніше.
Сума обох жорсткостей становить загальну жорсткість води. Оцінюють її в різних країнах по-різному. В СРСР прийнято виражати жорсткість води числом міліграм-еквівалентів кальцію і магнію в одному літрі води. Якщо в літрі води менше 4 мг-екв, то вода вважається м'якою; у міру збільшення їх концентрації - все жорсткішою і, якщо вміст перевищує 12 одиниць, - дуже жорсткою.
Жорсткість води зазвичай визначають за допомогою розчину мила. Такий розчин (певної концентрації) додають по краплях до відміряному кількістю води. Поки у воді є іони Са 2 + або Mg 2 +, вони будуть заважати утворенню піни. За витратами мильного розчину до появи піни обчислюють вміст іонів Са 2 + і Mg 2 +.
Цікаво, що аналогічним шляхом визначали жорсткість води ще в Стародавньому Римі. Тільки реактивом служило червоне вино - його фарбувальні речовини теж утворюють осад з іонами кальцію і магнію.
"Кипілка" і "пушонка"
Ще в I ст. н.е. Діоскорид - лікар при римської армії - у творі "Про лікарські засоби" запровадив для окису кальцію назву "негашене вапно", яке збереглося і в наш час. Будівельники її називають "кіпелкі" - за те, що при гасінні виділяється багато тепла, і вода закипає. Утворений при цьому пар розпушує вапно, вона розпадається з утворенням пухнастого порошку. Звідси будівельне назва гашеного вапна - "пушонка". Залежно від кількості води, що додається до вапна, гасіння йде до отримання пушонки, вапняного тесту, вапняного молока або вапняної води. Всі вони потрібні для приготування в'яжучих розчинів.
Бетону - дві тисячі років
Бетон - найважливіший будівельний матеріал наших днів. Але це речовина (точніше, одну з його різновидів - суміш подрібненого каменю, піску та вапна) застосовують з давніх пір. Пліній Старший (I ст. Н. Е.) так описує будівлю цистерн з бетону: "Для побудови цистерн беруть п'ять частин чистого гравійного піску, дві частини найкращою гашеного вапна та уламки сілекса (тверда лава. - Ред) вагою не більше фунта кожен, після змішування ущільнюють як слід нижню і бічні поверхні ударами залізною трамбування ".
Чому кальцій - кальцій
У латинській мові слово "calx" позначає вапно і порівняно м'які, легко оброблювані камені, в першу чергу крейда і мармур. Від цього слова і походить назва елемента № 20.
Що таке "арболіт"?
Так названий матеріал, до складу якого входять відходи деревини, цемент, хлористий кальцій і вода. Після змішування компонентів і ущільнення вібраційним способом виходить будівельний матеріал з виключно цінними властивостями: він не горить, не гниє, легко пиляється пилкою, обробляється на верстаті. Вартість такого матеріалу невелика. Плити з арболіту використовують у будівництві малоповерхових будівель.
Як зберігають кальцій
Металевий кальцій довгостроково зберігати можна в шматках вагою від 0,5 до 60 кг. Такі шматки зберігають у паперових мішках, вкладених в залізні оцинковані барабани з пропаяти і пофарбованими швами. Щільно закриті барабани укладають в дерев'яні ящики. Шматки вагою менше 0,5 кг подовгу зберігати не можна - вони швидко перетворюються в окис, гідроокис і карбонат кальцію.
Як отримують кальцій
Кальцій вперше отриманий Деві в 1808 р. за допомогою електролізу. Але, як і інші лужні і лужноземельні метали, елемент № 20 не можна отримати електролізом з водних розчинів. Кальцій отримують при електролізі його розплавлених солей.
Це складний і енергоємний процес. У електролізері розплавляють хлорид кальцію з добавками інших солей (вони потрібні для того, щоб знизити температуру плавлення СаСl 2).
Сталевий катод тільки торкається поверхні електроліту; виділяється кальцій прилипає і застигає на ньому. У міру виділення кальцію катод поступово піднімають і в кінцевому рахунку отримують кальцієву "штангу" довжиною 50 ... 60 см. Тоді її виймають, відбивають від сталевого катода і починають процес спочатку. "Методом торкання" отримують кальцій сильно забруднений хлористим кальцієм, залізом, алюмінієм, натрієм. Очищають його переплавленням в атмосфері аргону.
Якщо сталевий катод замінити катодом з металу, здатного сплавлятися з кальцієм, то при електролізі буде виходити відповідний сплав. Залежно від призначення його можна використовувати як сплав, або відгоном в вакуумі отримати чистий кальцій. Так отримують сплави кальцію з цинком, свинцем і міддю.
Не тільки електролізом.
Інший метод отримання кальцію - металотермічним - був теоретично обгрунтований ще в 1865 р. відомим російським хіміком М.М. Бекетовим. Кальцій відновлюють алюмінієм при тиску всього в 0,01 мм ртутного стовпа. Температура процесу 1100 ... 1200 ° C. Кальцій виходить при цьому у вигляді пари, який потім конденсують.
В останні роки розроблений ще один спосіб отримання елемента № 20. Він заснований на термічної дисоціації карбіду кальцію: розпечений у вакуумі до 1750 ° C карбід розкладається з утворенням парів кальцію і твердого графіту.
Застосування кальцію
До останнього часу металевий кальцій майже не знаходив застосування. США, наприклад, до другої світової війни споживали в рік всього 10 ... 25 т кальцію, Німеччина - 5 ... 10 т. Але для розвитку нових галузей техніки потрібні багато рідкісних і тугоплавкі метали. З'ясувалося, що кальції - дуже зручний і активний відновник багатьох з них, і елемент № 20 стали застосовувати при отриманні торію, ванадію, цирконію, берилію, ніобію, урану, танталу і інших тугоплавких металів.
Здатність кальцію пов'язувати кисень і азот дозволила застосувати його для очищення інертних газів і як геттер (Геттер - речовина, що служить для поглинання газів і створення глибокого вакууму в електронних приладах) у вакуумній радіоапаратурі.
Кальцій використовують і в металургії міді, нікелю, спеціальних сталей і бронз; їм пов'язують шкідливі домішки сірки, фосфору, надлишкового вуглецю. У тих же цілях застосовують сплави кальцію з кремнієм, літієм, натрієм, бором, алюмінієм.