Кальций как химический элемент и простое вещество

Кальций (лат. Calcium, символ Ca) — это химический элемент с атомным номером 20, расположенный во второй группе (по старой классификации — главной подгруппе II группы) периодической системы Д.И. Менделеева. Он относится к семейству щёлочноземельных металлов. Когда говорят «кальций» как о веществе, чаще всего подразумевают простое вещество — серебристо-белый, относительно твёрдый металл.

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

Основные физические свойства металлического кальция

В свободном виде кальций — это лёгкий металл с характерным металлическим блеском, который на воздухе быстро тускнеет из-за образования оксидной плёнки.

  • Агрегатное состояние при нормальных условиях: твёрдое.
  • Плотность: 1,55 г/см³ (легче алюминия).
  • Температура плавления: 842 °C.
  • Температура кипения: 1484 °C.
  • Твёрдость: по шкале Мооса около 1,5–2,0 (довольно мягкий, режется ножом).
  • Электропроводность: хорошая, как у большинства металлов.

Химические свойства и активность

Кальций — химически активный металл. Он является сильным восстановителем и вступает в реакции со многими неметаллами и сложными веществами.

  1. Реакция с кислородом: На воздухе быстро покрывается слоем оксида (CaO), а при нагревании сгорает с образованием того же оксида кальция. При особых условиях можно получить пероксид кальция (CaO₂).
  2. Реакция с водой: В отличие от щелочных металлов (натрий, калий), кальций реагирует с водой не так бурно. Он вытесняет водород из холодной воды, образуя малорастворимый гидроксид кальция (гашёную известь): Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑.
  3. Реакция с неметаллами: При нагревании активно взаимодействует с галогенами (образуя галогениды, например, CaCl₂), серой (сульфид кальция CaS), азотом (нитрид кальция Ca₃N₂), водородом (гидрид кальция CaH₂), углеродом (карбид кальция CaC₂).
  4. Реакция с кислотами: Бурно реагирует с разбавленными кислотами, вытесняя водород и образуя соответствующие соли: с соляной кислотой — хлорид кальция, с серной — сульфат кальция.

Распространение в природе и получение

В силу высокой химической активности кальций в свободном (самородном) виде в природе не встречается. Зато он является одним из самых распространённых элементов в земной коре (около 3,38% по массе, 5-е место после кислорода, кремния, алюминия и железа). Он входит в состав множества минералов и горных пород.

Важнейшие природные соединения кальция:

  • Карбонаты: Известняк, мрамор, мел (основной состав — CaCO₃).
  • Сульфаты: Гипс (CaSO₄ · 2H₂O), ангидрит (CaSO₄).
  • Фосфаты: Апатит, фосфорит (основа — Ca₃(PO₄)₂).
  • Фториды: Плавиковый шпат (флюорит, CaF₂).
  • Силикаты: Входят в состав многих силикатных пород.

Металлический кальций в промышленности получают двумя основными способами:

  1. Электролиз расплавленных солей: Чаще всего хлорида кальция (CaCl₂) при температуре 700–800°C.
  2. Металлотермия (алюмотермия): Восстановление оксида кальция (CaO) алюминием при высокой температуре и в вакууме.

Применение кальция

Использование кальция можно разделить на применение чистого металла и его многочисленных соединений.

Применение металлического кальция:

  • Металлургия: Как восстановитель и раскислитель при производстве некоторых металлов (никель, медь, нержавеющая сталь), для очистки сталей и сплавов от кислорода, серы.
  • Производство других металлов: Как восстановитель при получении некоторых редких металлов (уран, торий, цирконий, хром) из их оксидов.
  • Аккумуляторные сплавы: Входит в состав сплавов для свинцово-кальциевых аккумуляторных батарей.
  • Геттер в вакуумной технике: Для поглощения (геттерирования) остаточных газов в высоковакуумных приборах.

Применение соединений кальция (гораздо шире):

Оксид кальция (негашёная известь) и гидроксид (гашёная известь) используются в строительстве (растворы, штукатурки, производство силикатного кирпича), химической промышленности, для очистки воды и дымовых газов. Карбонат кальция — основа производства цемента, извести, как наполнитель в бумажной, лакокрасочной, пищевой (добавка E170) и косметической промышленности. Гипс применяется в строительстве, медицине, искусстве. Хлорид кальция — противогололёдный реагент, осушитель, пищевая добавка E509. Таким образом, кальций — это не только важнейший биогенный элемент, но и фундаментальная основа для многих отраслей промышленности.