Кальций как химический элемент

В химии кальций (лат. Calcium, символ Ca) — это химический элемент с атомным номером 20, расположенный во второй группе (по старой классификации — главной подгруппе II группы) четвёртого периода периодической таблицы Д. И. Менделеева. Он относится к семейству щёлочноземельных металлов, куда также входят бериллий, магний, стронций, барий и радий.

Атом кальция имеет электронную конфигурацию [Ar] 4s2, что означает два валентных электрона на внешнем s-подуровне. Именно эти два электрона кальций относительно легко отдаёт в химических реакциях, проявляя характерную для металлов степень окисления +2. Атомная масса кальция составляет 40,078 а.е.м.

Кальций был открыт в 1808 году английским химиком Гемфри Дэви путём электролиза смеси влажной гашёной извести (Ca(OH)2) с оксидом ртути HgO. Название элемента происходит от латинского «calx» (в родительном падеже «calcis») — «известь», «мягкий камень».

Физические свойства простого вещества

Простое вещество кальций — это серебристо-белый, довольно твёрдый металл. При комнатной температуре он кристаллизуется в гранецентрированной кубической решётке. По сравнению с щелочными металлами (натрий, калий) кальций более твёрдый и имеет более высокие температуры плавления и кипения:

  • Температура плавления: 842 °C
  • Температура кипения: 1484 °C
  • Плотность: 1,55 г/см³ (легче железа, но тяжелее магния)

Кальций является хорошим проводником тепла и электричества. Чистый металл пластичен, его можно резать ножом, однако он несколько твёрже свинца.

Химические свойства и активность

Кальций — химически активный металл. По активности он уступает щелочным металлам (литию, натрию, калию), но превосходит магний и алюминий. На воздухе свежий срез кальция быстро тускнеет, покрываясь тонкой плёнкой оксида и нитрида (Ca3N2), которая защищает его от дальнейшего окисления.

Основные типы химических реакций кальция

  1. Реакции с неметаллами:
    • С кислородом при нагревании образуется оксид кальция (негашёная известь): 2Ca + O2 → 2CaO.
    • С галогенами (F, Cl, Br, I) образуются соответствующие галогениды: Ca + Cl2 → CaCl2.
    • С водородом при нагревании образуется гидрид кальция: Ca + H2 → CaH2.
    • С азотом при высоких температурах образуется нитрид: 3Ca + N2 → Ca3N2.
    • С серой, фосфором, углеродом также идёт взаимодействие с образованием сульфида (CaS), фосфидов (Ca3P2) и карбида (CaC2).
  2. Реакции с водой и кислотами:
    • С водой кальций реагирует менее бурно, чем щелочные металлы, с выделением водорода и образованием гидроксида: Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑.
    • С разбавленными кислотами (соляной, серной) реагирует очень активно с выделением водорода и образованием солей: Ca + 2HCl → CaCl2 + H2↑. С концентрированной серной и азотной кислотами реакции сложнее.
  3. Реакции с другими веществами: Кальций способен вытеснять менее активные металлы (например, медь, свинец) из их оксидов или солей при нагревании.

Важнейшие соединения кальция

В природе кальций встречается только в виде соединений. Его важнейшие соединения играют колоссальную роль в промышленности, строительстве и биологии.

Оксид и гидроксид кальция

Оксид кальция (CaO), или негашёная известь, — белое тугоплавкое вещество, энергично реагирующее с водой с выделением большого количества тепла («гашение извести») и образованием гидроксида кальция (Ca(OH)2) — гашёной извести. Оба соединения широко используются в строительстве (производство строительных растворов, штукатурки, силикатного кирпича), химической промышленности и для умягчения воды.

Карбонат кальция

Карбонат кальция (CaCO3) — основа множества природных минералов и пород: известняк, мрамор, мел, раковины моллюсков, яичная скорлупа. Это соль слабой угольной кислоты, которая при нагревании разлагается на оксид кальция и углекислый газ, а при взаимодействии с кислотами бурно выделяет CO2.

Сульфат кальция

Сульфат кальция в виде дигидрата (CaSO4·2H2O) — это природный минерал гипс. При осторожном нагревании он теряет часть воды, превращаясь в алебастр (полугидрат 2CaSO4·H2O), который при смешивании с водой снова затвердевает, что используется в строительстве и медицине.

Другие важные соединения

  • Хлорид кальция (CaCl2) — гигроскопичная соль, применяется для осушения газов, противогололёдный реагент, лекарственное средство.
  • Фторид кальция (CaF2) — минерал флюорит, сырьё для получения фтора и плавиковой кислоты.
  • Гипохлорит кальция (Ca(ClO)2) — основа «хлорной извести», сильный окислитель и дезинфицирующее средство.
  • Фосфаты кальция — главный минеральный компонент костей и зубов (гидроксиапатит), а также важные удобрения.

Распространённость, получение и применение металлического кальция

Кальций — пятый по распространённости металл и третий по содержанию в земной коре среди металлов (после алюминия и железа), его массовая доля составляет около 3,38%. Он входит в состав более 400 минералов.

Металлический кальций высокой чистоты получают промышленным способом путём электролиза расплавленного хлорида кальция (CaCl2) или алюминотермическим восстановлением оксида кальция в вакууме при высокой температуре.

Применение металлического кальция относительно узко из-за его высокой химической активности:

  • Как восстановитель в металлургии для получения некоторых редких металлов (уран, торий, цирконий, хром) из их оксидов.
  • Как раскислитель и дегазатор при производстве высококачественных сталей и сплавов.
  • В производстве некоторых свинцовых сплавов (кальциевые баббиты).
  • Как газопоглотитель (геттер) в вакуумной технике.
  • В небольших количествах как легирующая добавка в сплавы на основе алюминия.

Таким образом, в химии кальций предстаёт как типичный и очень важный представитель щёлочноземельных металлов, чьи свойства и многочисленные соединения лежат в основе многих природных и технологических процессов.