Кальцій

Кальцій (Ca)
Атомний номер	20
Зовнішній вигляд простої речовини	помірно-твердий, сріблясто-білий метал
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса)	40,078 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома	197 пм
Енергія іонізації (перший електрон)	589,4(6,11) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація	[Ar] 4s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус	174 пм
Радіус іона	(+2e)99 пм
Електронегативність (за Полінгом)	1,00
Електродний потенціал	-2,76 в
Ступені окиснення	2
Термодинамічні властивості
Густина	1,55 г/см³
Молярна теплоємність	0,653 Дж/(К·моль)
Теплопровідність	(201) Вт/(м·К)
Температура плавлення	1112 К
Теплота плавлення	9,20 кДж/моль
Температура кипіння	1757 К
Теплота випаровування	153,6 кДж/моль
Молярний об'єм	29,9 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки	кубічна об'ємноцентрована
Період ґратки	5,580 Å
Відношення с/а	n/a
Температура Дебая	230 К
Інші властивості
Критична точка	н/д
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Кальцій у Вікісховищі

Про мінерали на основі кальцію див. Кальцій (мінерал).

Ка́льцій, також вапнець, ва́пень, ва́пник або вап (Ca) — хімічний елемент з атомним номером 20 та його проста речовина, що належить до лужноземельних металів, сріблясто-білий м'який метал, хімічно активний, легко окиснюється. Густина 1,55, температура плавлення 842 °C, температура кипіння 1491 °C. Твердість кальцію за Брінеллем 200–300 МПа.

Електронна конфігурація [Ar]4s²; група 2, період 4, s-блок.

Природний кальцій складається зі стабільних ізотопів з масовими числами 40 (найбільший вміст), 42, 43, 44, 46, 48. Науковцям вдалось отримати нестабільні ізотопи кальцію з масовими числами 57, 58, 59 та 60 (останні два у 2018 році).

Має єдиний ступінь окиснення +2. Комплекси утворює з оксигенними, частково хелатуючими лігандами та поліфосфатами. Кальційорганічні сполуки маловідомі.

Походження назви

Назва елементу «кальцій» походить від лат. calx, calcis — вапно («м'який камінь»). Її запропонував англійський хімік Гемфрі Деві, який 1808 року виділив металевий кальцій електролізом. Деві змішував вологе гашене вапно з оксидом ртуті HgO на платиновій пластині, яка була анодом. Катодом служив платиновий дріт, занурений в рідку ртуть. В результаті електролізу виходила амальгама кальцію.

Звідси ж походить і стара українська назва елементу, «вапень».

Поширення в природі

За поширеністю в природі кальцій посідає п'яте місце серед хімічних елементів (3,6 % маси земної кори). У зв'язку з високою хімічною активністю у вільному стані він не зустрічається. Найпоширенішими його сполуками є вапняк, крейда та мармур, які мають однаковий хімічний склад CaCO₃, але різну кристалічну будову.

Кларк кальцію в кам'яних метеоритах 1,4 %, ультраосновних — 0,7 %, основних — 6,72 %, середніх — 4,65 %, кислих породах — 1,58 %.

Кальцій входить до складу багатьох мінералів (силікати, алюмосилікати, боросилікати, карбонати, сульфати, фосфати, ванадати, вольфрамати, молібдати, титанати, ніобати, флуориди, хлориди та інших). Складова частина вапняків, мармуру тощо. Ці мінерали часто утворюють цілі гірські масиви. У великих кількостях зустрічаються також апатити та фосфорити, основою яких є фосфат кальцію Са₃(РО₄)₂. Досить поширеним є мінерал гіпс CaSO₄ · 2Н₂О.

Крім того, значні кількості сполук кальцію містяться в ґрунті та природних водах, а також входять до складу тваринних і рослинних організмів. Так, наприклад, мінеральна маса кісток і зубів тварин містить близько 80 % фосфату кальцію Са₃(РО₄)₂, а шкаралупа яєць майже повністю складається з карбонату кальцію СаСО₃.

Колообіг в природі

Багато материнських порід містять кальцій, який у розчиненому вигляді надходить до рослин за допомогою кореневої системи. Тварини його одержують під час пиття води чи з єжею, згодом кальцій повертається до ґрунту при розкладі мертвих організмів. Після смерті тварин черепашки (панцирі) нагромаджуються на дні ставків, озер і морів і згодом перетворюються на материнську породу. Далі поверхневі та ґрунтові води розчиняють сполуки кальцію в материнській породі, і цикл повторюється.

Силікати кальцію

Силікати кальцію — безбарвні кристалічні речовини. Багато із них мають по кілька модифікацій. Метасилікат кальцію CaSiO3 відомий в декількох поліморфних модифікаціях (зокрема, мінерал воластоніт), піросилікат кальціб Ca3Si2O7 відомий в природі мінерал ранкініт, ортосилікат кальцію Ca2SiO4, трикальцій силікат Ca3SiO5.Також існує 30 кислих і основних гідратів силікатів кальцію, об'єднуваних під загальною назвою гідросилікати кальцію — мінерал гиролит, тоберморит, ксонотлит, фошагит, гиллебрандит та ін.

Фізичні властивості

У вільному стані кальцій — сріблясто-білий легкий метал. Густина його 1,55 г/см³. Температура плавлення 851 °C. Твердість кальцію невелика, він лише трохи твердіший за свинець та натрій. Пластичність досить висока: кальцій легко можна пресувати й розкатувати в тоненькі листочки.

Хімічні властивості

Кальцій належить до другої групи (за застарілою класифікацією — головної підгрупи другої групи) періодичної системи Менделєєва. Його атоми на зовнішньому енергетичному рівні мають по два електрони. Ці електрони він легко втрачає і перетворюється на позитивно заряджені іони Са²⁺. У всіх своїх сполуках кальцій буває лише двовалентний. Кальцій належить до найактивніших металів і за своєю хімічною активністю поступається лише лужним металам.

При звичайній температурі кальцій легко взаємодіє з киснем і вологою повітря, тому його зберігають під шаром гасу, вазеліну або в герметично закритій посудині. При нагріванні він легко запалюється, утворюючи оксид кальцію:

$\mathrm {2Ca+O_{2}{\xrightarrow {300-450^{o}C}}2CaO}$

Кальцій легко взаємодіє також з водою, особливо при нагріванні, а з кислотами реагує дуже бурхливо:

$\mathrm {Ca+2H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+H_{2}}$

$\mathrm {Ca+2HCl\rightarrow CaCl_{2}} +H_{2}$

З вологим бромом і хлором кальцій взаємодіє вже при звичайній температурі, а при нагріванні безпосередньо реагує з сіркою, азотом, графітом і іншими речовинами, а також відновлює майже всі метали з їхніх оксидів:

$\mathrm {Ca+Cl_{2}{\xrightarrow {200-250^{o}C}}CaCl_{2}}$

$\mathrm {Ca+S{\xrightarrow {150^{o}C}}CaS}$

$\mathrm {Ca+2C{\xrightarrow {550^{o}C}}CaC_{2}}$

$\mathrm {3Ca+N_{2}{\xrightarrow {200-450^{o}C}}Ca_{3}N_{2}}$

Одержання

Металічний вапень добувають електролізом розплавленого хлориду кальцію при температурі 800–850 °C. Процес електролізу можна зобразити такими рівняннями:

                 CaCl2
                  ↑↓
— Катод <-   Са2+ + 2Cl-   -> Анод +
 Са2+ + 2е = Са°          2Cl — 2е = 2Cl° = Cl2 ↑

Застосування

Металічний кальцій застосовують головним чином у металургії для одержання деяких металів з їх оксидів, які важко відновлюються, наприклад ванадію, хрому та ін. шляхом кальцієтермії

$\mathrm {V_{2}O_{5}+5Ca\rightarrow 2V+5CaO}$

$\mathrm {Cr_{2}O_{3}+3Ca\rightarrow 2Cr+3CaO}$

Кальцій використовують також для розкиснення сталі та бронзи при їх виплавці, а також для виготовлення деяких сплавів. Так, сплав свинцю з невеликою добавкою кальцію служить для заливки підшипників залізничних вагонів. Крім того, кальцій застосовують для зневоднення деяких органічних рідин і інших цілей. Використовують у металургії для виготовлення сплавів і як відновник. Широко застосовують природні солі кальцію.

Лікарські засоби

Сполуки кальцію широко застосовуються як антигістамінні засоби.

• Хлорид кальцію
• Глюконат кальцію
• Гліцерофосфат кальцію

Сполуки кальцію входять до складу препаратів для профілактики остеопорозу, у вітамінні комплекси, харчові добавки.

Препарати кальцію можуть призначати при дефіцитних станах (нестачі в організмі кальцію і вітаміну D3), під час вагітності та для профілактики остеопорозу.

Біологічна роль

Кальцій найрозповсюдженіший макроелемент в організмі людини, більша його частина міститься в скелеті й зубах у вигляді фосфатів. Іони кальцію беруть участь в процесах згортання крові, м'язових і нейронних реакціях, забезпечують осмотичний тиск крові. Потреба в кальцію залежить від віку. Для дорослих необхідна добова норма становить від 800 до 1000 міліграм, для дітей — від 600 до 900 міліграмів, що дуже важливо внаслідок інтенсивного росту скелета дитини.

Згідно з міжнародною номенклатурою Іони Ca²⁺ є IV фактором зсідання крові.

Зловживання кавою та алкоголем може призводити до дефіциту кальцію.^{[джерело?]}

Кальцій належить до лужноземельних металів і має високу біохімічну активність. В організмі людини міститься близько 1,5 кг кальцію. Він є основним структурним елементом кісток і зубів, входить до складу нігтів, волосся, м'яких тканин, позаклітинної рідини та плазми крові. Кальцій є також важливим компонентом системи згортання крові, він підтримує правильне співвідношення солей в організмі людини.

До числа найважливіших функцій в живому організмі належить його участь в роботі різних ферментних систем, в тому числі забезпечують скорочення м'язів і передавання нервових імпульсів, що змінюють активність гормонів тощо. Кальцій також впливає на проникність тканин для калію і натрію, сприяє стабілізації мембран нервових клітин.

Джерелом кальцію є харчові продукти. З їжею доросла людина може отримати близько 10 г кальцію, вагітні жінки — до 15 г, матері-годувальниці — до 20 г. Кальцій надходить з їжею переважно у вигляді нерозчинних солей, які розчиняються в шлунку людини за допомогою шлункового соку, потім зазнають впливу жовчних кислот, переводять його в засвоювану форму.

Підвищене споживання додаткового кальцію може збільшити ризик утворення каменів у нирках.

Гіперкальціємія та гіперкальціурія можуть спричиняти зниження м’язового тонусу, ниркову недостатність, гіпофосфатемію, запор, нудоту, втрату ваги, втому, поліурію, серцеві аритмії та підвищений ризик смертності від серцево-судинних захворювань .

Література

• Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк: Вебер, 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0
• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — ISBN 966-7804-14-3.
• Деркач Ф. А. Хімія. — Львів : Львівський університет, 1968. — 312 с.
• В. В. Сухан, Т. В. Табенська, А. Й. Капустянка, В. Ф. Горлач «Хімія» 1995

Посилання

• КАЛЬЦІЙ [Архівовано 14 березня 2016 у Wayback Machine.] //Фармацевтична енциклопедія

Див. також

• Сполуки кальцію
• Карбонат кальцію
• Оксид кальцію
• Гідроксид кальцію
• Кальцій (мінерал)