Кальций как химический элемент¶

Кальций (химический символ — Ca, от лат. calx — «известь») — химический элемент второй группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы), четвёртого периода периодической системы, с атомным номером 20 и атомной массой 40,078 а. е. м. Относится к щёлочноземельным металлам. Простое вещество кальций — мягкий, пластичный серебристо-белый металл, обладающий высокой химической активностью: на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, а при нагревании реагирует с большинством неметаллов. Название элемента происходит от латинского слова, обозначавшего известь, поскольку основные природные соединения кальция — известняк, мрамор, гипс — известны человечеству с древности.

¶История открытия

Соединения кальция использовались человеком задолго до выделения элемента в чистом виде. Известняк и гипс служили строительными материалами ещё в античности, а негашёная известь применялась для приготовления растворов и побелки.

В 1808 году английский химик Хамфри Дэви получил металлический кальций электролизом смеси оксида кальция и оксида ртути. В чистом виде элемент был выделен в том же году после усовершенствования метода электролиза расплавленных солей. Дэви предложил и само название — «calcium».

¶Распространённость в природе

Кальций занимает пятое место среди химических элементов по распространённости в земной коре (около 3,4 % по массе) и шестое — в целом в природе. Вследствие высокой химической активности в свободном состоянии не встречается.

Основные природные соединения:

• карбонаты — известняк, мел, мрамор (CaCO₃);
• сульфаты — гипс (CaSO₄·2H₂O), ангидрит (CaSO₄);
• фосфаты — апатит, фосфорит;
• фториды — плавиковый шпат, или флюорит (CaF₂);
• силикаты и алюмосиликаты.

Кальций входит в состав морской воды, природных вод и живых организмов. В организме человека он является одним из важнейших макроэлементов: основная масса сосредоточена в костях и зубах в виде гидроксиапатита.

¶Физические свойства

Кальций — мягкий металл, легко режется ножом, имеет характерный серебристо-белый блеск, который на воздухе быстро тускнеет из-за образования оксидной и гидроксидной плёнки. Обладает хорошей тепло- и электропроводностью, уступающей меди и алюминию.

¶Химические свойства

Кальций — типичный щёлочноземельный металл, во всех устойчивых соединениях проявляет степень окисления +2. Обладает высокой восстановительной способностью.

Характерные реакции:

• с кислородом образует оксид кальция CaO (негашёная известь);
• с водой — гидроксид кальция Ca(OH)₂ (гашёная известь) с выделением водорода;
• с галогенами — соответствующие галогениды;
• с водородом при нагревании — гидрид CaH₂;
• с кислотами — соли и водород.

Оксид кальция при взаимодействии с водой образует гидроксид, реакция сопровождается значительным выделением тепла. Гидроксид кальция — сильное основание, его насыщенный раствор называется известковой водой.

¶Получение

В промышленности кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция CaCl₂ с добавками фторида кальция, а также алюминотермическим восстановлением оксида кальция. Металлический кальций выпускается в виде слитков и гранул, хранится в герметичной таре или под слоем минерального масла, так как на воздухе окисляется.

¶Применение

Металлический кальций и его соединения находят широкое применение:

• Металлургия. Кальций используется как раскислитель и десульфуратор стали и сплавов, входит в состав некоторых подшипниковых сплавов.
• Строительство. Известняк, известь, гипс, цемент — ключевые материалы, основу которых составляют соединения кальция.
• Химическая промышленность. Карбид кальция CaC₂ служит сырьём для получения ацетилена; хлорид кальция применяется как осушитель и антигололёдный реагент.
• Сельское хозяйство. Известкование почв снижает кислотность и улучшает плодородие.
• Медицина и биология. Препараты кальция используются при лечении остеопороза, гипокальциемии, аллергических реакций.
• Оптика и электроника. Флюорит применяется для изготовления линз, призм и оптических окон.

¶Биологическая роль

Кальций — незаменимый элемент для живых организмов. У человека и животных он участвует в формировании костной ткани, свёртывании крови, мышечном сокращении, передаче нервных импульсов, работе ферментных систем. Суточная потребность взрослого человека составляет около 800–1200 мг и повышается в период роста, беременности и лактации. Основные пищевые источники — молочные продукты, рыба, орехи, зелёные овощи.

Регуляция обмена кальция осуществляется паратгормоном, кальцитонином и витамином D. Недостаток элемента приводит к рахиту у детей, остеомаляции и остеопорозу у взрослых; избыток — к гиперкальциемии, отложению солей в тканях.

¶Интересные факты

• Кальций — пятый по распространённости элемент земной коры.
• В организме взрослого человека содержится около 1–1,2 кг кальция, из которых около 99 % — в костях и зубах.
• Название элемента дало начало слову «кальций» во многих языках и термину «кальцификация».
• Кальций был одним из первых металлов, полученных методом электролиза.