КАЛЬЦИЙ: СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2024

Кальция представляет собой щелочно - земельный металл , принадлежащий к 2 (г Becambara) группы периодической таблицы. Этот металл занимает пятое место по содержанию среди элементов земной коры; за железом и алюминием. Он представлен химическим символом Ca, а его атомный номер - 20.

Кальций составляет 3,64% земной коры и является самым распространенным металлом в организме человека, составляющим 2% от его веса. Он несвободен по своей природе; но он входит в состав многочисленных минералов и химических соединений.

Металлический кальций высокой чистоты хранится в минеральном масле для защиты от кислорода и влаги. Источник: 2 × 910

Например, он содержится в минерале кальците, который, в свою очередь, является частью известняка. Карбонат кальция присутствует в земле в виде мрамора, доломита, яичной скорлупы, кораллов, жемчуга, сталактитов, сталагмитов, а также в раковинах многих морских животных или улиток.

Кроме того, кальций входит в состав других минералов, таких как гипс, ангидрит, флюорит и апатит. Поэтому неудивительно, что на культурном уровне это синоним костей.

При контакте с воздухом кальций покрывается желтоватым налетом - продуктом смеси оксида, нитрида и гидроксида кальция. Однако только что срезанная поверхность блестящая, серебристо-белая. Он мягкий, с твердостью 1,75 по шкале Мооса.

Кальций выполняет множество функций в живых существах, среди них он входит в состав соединений, определяющих структуру и функционирование костной системы; он вмешивается в каскад свертывания, активируя несколько факторов свертывания, идентифицированных как фактор IV.

Кроме того, кальций участвует в сокращении мышц, обеспечивая объединение сократительных белков (актина и миозина); и способствует высвобождению некоторых нейротрансмиттеров, включая ацетилхолин.

Химически он почти всегда участвует в своих органических или неорганических соединениях, таких как двухвалентный катион Ca ²⁺ . Это один из катионов с наивысшим координационным числом, то есть он может взаимодействовать с несколькими молекулами или ионами одновременно.

история

В древние времена

Соединения кальция, такие как известь (CaO) или гипс (CaSO ₄ ), использовались человеком на протяжении тысячелетий, игнорируя их химическую структуру. Известь как строительный материал и гипс для изготовления скульптур использовались 7000 лет до нашей эры.

В Месопотамии была обнаружена печь для обжига извести, которая использовалась в 2500 году до нашей эры. В недалеком прошлом гипс использовался при строительстве Великой пирамиды в Гизе.

Идентификация и изоляция

Джозеф Блэк (1755) объяснил, что известь легче известняка (карбоната кальция), из которого она произошла. Это потому, что при нагревании он теряет углекислый газ.

Антуан Лавуазер (1787) пришел к выводу, что известь должна быть оксидом неизвестного химического элемента.

Сэр Хамфри Дэви (1808) как раз в тот год, когда он открыл бор, сделал то же самое с кальцием, используя технику электролиза, которую использовали Джакар Берцелиус и Магнус Мартин.

Дэви изолировал кальций и магний, используя тот же экспериментальный план. Он смешал оксид кальция с оксидом ртути (II) на платиновой пластине, используемой в качестве анода (+), в то время как катод (-) представлял собой платиновую проволоку, частично погруженную в ртуть.

Электролиз произвел амальгаму кальция и ртути. Для очистки от кальция амальгаму подвергали дистилляции. Однако чистого кальция получить не удалось.

свойства

Физическое описание

Металл серебристо-беловатый, на воздухе меняется на серовато-белый. Во влажном воздухе приобретает мутный сине-серый цвет. Твердый или сухой порошок. Кристаллическая структура с центром на лице.

Атомный вес

40,078 г / моль.

Температура плавления

842 ° С.

Точка кипения

1484 ° С.

плотность

-1,55 г / см ³ при комнатной температуре.

-1,378 г / см ³ в жидком состоянии при температуре плавления.

Теплота плавления

8,54 кДж / моль.

Теплота испарения

154,7 кДж / моль.

Молярная калорийность

25,929 Дж / (моль · К).

Удельная калорийность

0,63 Дж / г · К

Электроотрицательность

1,0 по шкале Полинга

Энергия ионизации

-Первая ионизация 589,8 кДж / моль

-Второй ионизации 1145 кДж / моль

-Третья ионизация 4,912 кДж / моль

-Четвертая ионизация 6 490,57 кДж / моль и еще 4 энергии ионизации.

Атомное радио

197 вечера

Ковалентный радиус

176 ± 10 часов вечера

Термическое расширение

22,3 мкм / м · К при 20 ° С.

Теплопроводность

201 Вт / м · К

Удельное электрическое сопротивление

336 нОм · м при 20 ° C.

твердость

1,75 по шкале Мооса.

Изотопы

Кальций имеет 6 природных изотопов: ⁴⁰ Са, ⁴² Са, ⁴³ Са, ⁴⁴ Са, ⁴⁶ Са и ⁴⁸ Са и 19 радиоактивных синтетических изотопов. Наиболее распространенными изотопами являются ⁴⁰ Ca (96,94%), ⁴⁴ Ca (2,086%) и ⁴² Ca (0,647%).

Реактивность

Кальций самопроизвольно реагирует с водой с образованием гидроксида кальция и газообразного водорода. Реагирует с кислородом и азотом в воздухе с образованием соответственно оксида кальция и нитрида кальция. При раскалывании самопроизвольно горит на воздухе.

Когда кальций нагревается, он реагирует с водородом с образованием галогенида. Он также реагирует со всеми галогенами с образованием галогенидов. Он также реагирует с бором, серой, углеродом и фосфором.

Строение и электронная конфигурация кальция

Атомы кальция соединены металлическими связями, внося свой вклад в два валентных электрона в поток электронов. Таким образом, взаимодействие между атомами Са и образующимися электронными полосами приводит к образованию кристалла с гранецентрированной кубической структурой (ccc на испанском языке или fcc на английском языке для гранецентрированной кубической).

Если этот кристалл кальция ccc нагреть до температуры около 450 ° C, он претерпевает переход в фазу hcp (компактный гексагональный или плотноупакованный гексагональный). Другими словами, структура становится плотнее, как если бы движение электронов и колебания атомов сокращали расстояние, которое их разделяет.

Атом кальция имеет следующую электронную конфигурацию:

4с ²

Это объясняет, что два валентных электрона этого металла приходят с его внешней 4s-орбитали. Когда он их теряет, ^{образуется} двухвалентный катион Ca ²⁺ , изоэлектронный благородному газу аргону; то есть и Ar, и Ca ²⁺ имеют одинаковое количество электронов.

Это 4s-орбитали кальция, которые объединяются, чтобы установить валентную зону этих кристаллов. То же самое происходит с пустыми 4p-орбиталями, которые создают зону проводимости.

получение

Кальций производят в промышленных масштабах путем электролиза расплавленного хлорида кальция. На электродах происходят следующие реакции:

На аноде: 2Cl ^- (l) => Cl ₂ (г) + 2e ^-

Кальций осаждается в виде металла на катоде за счет захвата электронов ионного кальция.

На катоде: Ca ²⁺ (l) + 2 e ^- => Ca (s)

В небольших масштабах кальций можно получить путем восстановления оксида кальция алюминием или хлорида кальция металлическим натрием.

6 CaO + 2 Al => 3 Ca + Ca ₃ Al ₂ O ₆

CaCl ₂ + 2 Na => Ca + NaCl

Приложения

Элементарный кальций

Кальций используется в качестве добавки при производстве стеклянных колб, добавляется в колбу на начальной стадии производства. Его также добавляют в конце, чтобы он соединялся с газами, оставшимися внутри колбы.

Он используется в качестве дезинтегратора при производстве металлов, таких как медь и сталь. Сплав кальция и цезия используется в кремнях зажигалок для образования искр. Кальций является восстановителем, но он также применяется для раскисления и раскисления.

Кальций используется при получении металлов, таких как хром, торий, уран, цирконий и других, из их оксидов. Он используется в качестве легирующего агента для алюминия, меди, свинца, магния и других недрагоценных металлов; и как раскислитель некоторых жаропрочных сплавов.

Сплав кальция со свинцом (0,04%) служит оболочкой для телефонных кабелей. Он используется в сплаве с магнием в ортопедических имплантатах, чтобы продлить срок их службы.

Карбонат кальция

Это наполнитель керамики, стекла, пластмасс и красок, а также сырье для производства извести. Синтетический карбонат высокой чистоты используется в медицине в качестве антацида и пищевой добавки с кальцием. Он также используется в качестве добавки в пищу.

Оксид кальция

Оксид кальция используется в строительной индустрии, применяется для облицовки стен. Он также входит в состав бетона. В XIX веке блоки оксида кальция сжигали, чтобы освещать сцены интенсивным белым светом.

Известь (опять же, оксид кальция) используется для удаления из стали нежелательных компонентов, таких как диоксид кремния (SiO ₂ ), присутствующих в железном материале. Продуктом реакции является силикат кальция (CaSiO ₃ ), называемый «шлаком».

Известь соединяется с водой с образованием гидроксида кальция; Этот состав флоккулирует и тонет, унося загрязнения на дно резервуаров.

Внутренняя часть дымоходов облицована известью, чтобы избавиться от заводского дыма. Например, он улавливает диоксид серы (SO ₂ ), который способствует кислотным дождям, и превращает его в сульфит кальция (CaSO ₃ ).

Хлорид кальция

Хлорид кальция используется для борьбы с обледенением дорог; кондиционер для томатов, присутствующих в пресервах; производство кузовов легковых и грузовых автомобилей.

Сульфат кальция

Обычно он представлен как CaSO ₄ · 2H ₂ O (гипс) и используется в качестве кондиционера почвы. Кальцинированный гипс используется при производстве плитки, досок и реек. Он также используется для иммобилизации переломов костей.

Фосфаты кальция

Фосфаты кальция встречаются в природе в различных формах и используются в качестве удобрений. Кислая кальциевая соль (CaH ₂ PO ₄ ) используется в качестве удобрения и стабилизатора для пластмасс. Фосфат кальция входит в состав костной ткани, особенно в виде гидроксиапатита.

Другие соединения кальция

Существует множество соединений кальция с различными применениями. Например, карбид кальция используется для получения ацетилена, используемого в сварочных горелках. Альгинат кальция используется в качестве загустителя в пищевых продуктах, таких как мороженое.

Гипохлорит кальция используется как отбеливающее средство, дезодорант, фунгицид и альгицид.

Перманганат кальция - жидкое ракетное топливо. Он также используется как средство для очистки воды и в текстильном производстве.

Биологическая функция

В живых существах кальций выполняет множество функций:

-Он участвует в каскаде коагуляции как фактор IV.

-Это необходимо для активации нескольких факторов свертывания, в том числе тромбина.

-В скелетных мышцах кальций высвобождает ингибирующее действие белковой системы на сокращение мышц, позволяя формировать актин-миозиновые мосты, которые вызывают сокращение.

-Стабилизирует ионные каналы возбудимых клеток. При гипокальциемии активируются натриевые каналы, в результате чего натрий попадает в клетки, и может возникнуть длительное сокращение (тетания), которое может быть фатальным.

-Кроме того, кальций способствует высвобождению нейромедиатора ацетилхолина на пресинаптических окончаниях.

Риски и меры предосторожности

Реагирует экзотермически с водой. Следовательно, при проглатывании он может вызвать серьезные травмы рта, пищевода или желудка.

Рабочие подвергаются этому риску в местах, где производится кальций, или там, где применяется металл. Меры предосторожности заключаются в защите себя масками, предотвращающими вдыхание пыли, соответствующей одеждой и вентиляцией.

Гиперкальциемия чрезвычайно опасна и может быть вызвана в основном чрезмерной секрецией паратироидного гормона или чрезмерным потреблением витамина D. Избыточное потребление кальция, например, более 2,5 г / день, редко является причиной гиперкальциемии. ,

Избыток кальция накапливается в почках, вызывая почечные камни и нефроз почек. Кроме того, накопление кальция в стенках кровеносных сосудов изменяет их эластичность, что может быть причиной гипертонии, замедления кровотока и тромбоза.

Основной мерой предосторожности является включение кальциемии в число лабораторных тестов, когда врач наблюдает характеристики симптомов пациента, которые заставляют его подозревать гиперкальциемию, и начинать соответствующее лечение.

Ссылки

1. W. Hull. (1921). Кристаллическая структура кальция. doi.org/10.1103/PhysRev.17.42
2. Wikipedia. (2019). Кальций. Получено с: en.wikipedia.org
3. Advameg, Inc. (2019). Кальций. Объяснение химии. Получено с: chemistryexplained.com
4. Тимоти П. Хануса. (11 января 2019 г.). Кальций. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
5. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Кальций. База данных PubChem. CID = 5460341. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. WebElements. (2019). Кальций: самое необходимое. Получено с: webelements.com