20
|
Ca
|
2 8 8 2
|
КАЛЬЦИЙ
|
40,08
|
4s2
|
Кальций - один из самых распространенных элементов на Земле.
В природе его очень много: из солей кальция образованы горные массивы и
глинистые породы, он есть в морской и речной воде, входит в состав растительных
и животных организмов.
Кальций постоянно окружает горожан: почти все основные
стройматериалы - бетон, стекло, кирпич, цемент, известь - содержат этот элемент
в значительных количествах.
Даже пролетая в самолете на многокилометровой высоте, мы не
избавляемся от постоянного соседства с элементом №20. Если, допустим, в
самолете 100 человек, то, значит, этот самолет несет на борту примерно 150 кг
кальция - в организме каждого взрослого человека не меньше килограмма элемента
№20. Не исключено, что во время полета количество кальция вблизи нас намного
больше: известно, что сплавы кальция с магнием применяются в самолетостроении, и
потому не исключено, что в самолете есть не только "органический", но
и "собственный" кальций. Словом, от кальция - никуда, и без кальция
тоже.
Кальций - элементарный
Несмотря на повсеместную распространенность элемента №20,
даже химики и то не все видели элементарный кальций. А ведь этот металл и
внешне и по поведению совсем непохож на щелочные металлы, общение с которыми
чревато опасностью пожаров и ожогов. Его можно спокойно хранить на воздухе, он
не воспламеняется от воды. Механические свойства элементарного кальция не
делают его "белой вороной" в семье металлов: по прочности и твердости
кальций превосходит многие из них; его можно обтачивать на токарном станке,
вытягивать в проволоку, ковать, прессовать.
И все-таки в качестве конструкционного материала
элементарный кальций почти не применяется. Для этого он слишком активен. Кальций
легко реагирует с кислородом, серой, галогенами. Даже с азотом и водородом при
определенных условиях он вступает в реакции. Среда окислов углерода, инертная
для большинства металлов, для кальция - агрессивная. Он сгорает в атмосфере CO
и CO2.
Естественно, что, обладая такими химическими свойствами,
кальций не может находиться в природе в свободном состоянии. Зато соединения
кальция - и природные и искусственные - приобрели первостепенное значение. О
них (хотя бы самых важных) стоит рассказать подробнее.
Кальций - углекислый
Карбонат кальция СаCO3 - одно из самых
распространенных на Земле соединений. Минералы на основе СаCO3
покрывают около 40 млн км2 земной поверхности. Мел, мрамор,
известняки, ракушечники - все это СаCO3 с незначительными примесями,
а кальцит - чистый СаCO3.
Самый важный из этих минералов - известняк. (Правильнее
говорить не об известняке, а об известняках: известняки разных месторождений
отличаются по плотности, составу и количеству примесей) Известняки есть
практически везде. В европейской части СССР известняки встречаются в отложениях
почти всех геологических возрастов. Ракушечники - известняки органического
происхождения - особенно распространены на северном побережье Черного моря. Знаменитые
Одесские катакомбы - это бывшие каменоломни, в которых добывали ракушечник. Из
известняков главным образом сложены и западные склоны Урала.
В чистом виде известняки - белого или светло-желтого цвета,
но примеси придают им более темную окраску.
Наиболее чистый СаCOз образует прозрачные кристаллы
известкового или исландского шпата, широко применяемого в оптике. А обычные
известняки используются очень широко - почти во всех отраслях народного
хозяйства.
Больше всего известняка идет на нужды химической
промышленности. Он незаменим в производстве цемента, карбида кальция, соды,
всех видов извести (гашеной, негашеной, хлорной), белильных растворов,
цианамида кальция, известковой воды и многих других полезных веществ.
Значительное количество известняка расходует и металлургия -
в качестве флюсов.
Без известняка не обходится ни одно строительство. Во-первых,
из него самого строят, во-вторых, из известняка делают многие строительные
материалы.
Известняками (щебенкой) укрепляют дороги, известняками (в
виде порошка) уменьшают кислотность почв. В сахарной промышленности известняк
используют для очистки свекловичного сока.
Третья разновидность карбоната кальция - мрамор -
встречается реже. Считается, что мрамор образовался из известняка в давние
геологические эпохи. При смещениях земной коры отдельные залежи известняка
оказывались погребенными под слоями других пород. Под действием высокого
давления и температуры там происходил процесс перекристаллизации, и известняк
превращался в более плотную кристаллическую породу - мрамор.
Естественный цвет мрамора - белый, но чаще всего различные
примеси окрашивают его в разнообразные цвета. Чистый белый мрамор встречается
не часто и идет в основном в мастерские скульпторов. Из менее ценных сортов
белого мрамора делают распределительные щиты и панели в электротехнике. В
строительстве мрамор (всех цветов и оттенков) используют не столько как
конструкционный, сколько как облицовочный материал.
И, чтобы покончить с углекислым кальцием, несколько слов о
доломите - важном огнеупорном материале и сырье для производства цемента.
Это двойная магние-кальциевая соль угольной кислоты, ее
состав - СаCO3 · MgCO3.
Кальций - сернокислый
Сульфат кальция СаSO4 тоже широко распространен в
природе. Известный минерал гипс - это кристаллогидрат СаSO4 · 2Н2О.
Как вяжущее гипс используют уже много веков, чуть ли не со времен египетских
пирамид. Но природному гипсу (гипсовому камню) несвойственна способность
твердеть на воздухе и при этом скреплять камни.
Это свойство гипс приобретает при обжиге.
Если природный гипс прокалить при температуре не выше 180°C,
он теряет три четверти связанной с ним воды. Получается кристаллогидрат состава
CaSО4 · 0,5H2O. Это алебастр, или жженый гипс, который и
используется в строительстве. Помимо вяжущих свойств у жженого гипса есть еще
одно полезное свойство. Затвердевая, он немного увеличивается в объеме. Это
позволяет получать хорошие слепки из гипса. В процессе твердения жженого гипса,
смешанного с водой (гипсового теста), полторы молекулы воды, потерянные при обжиге,
присоединяются, и снова получается гипсовый камень CaSO4 · 2H2O.
Если обжиг гипсового камня вести при температуре выше 500°C,
получается безводный сернокислый кальций - "мертвый гипс". Он не
может быть использовал в качестве вяжущего.
"Оживить" мертвый гипс можно. Для этого нужно
прокалить его при еще более высоких температурах - 900...1200°C. Образуется так
называемый гидравлический гипс, который, будучи замешанным с водой, вновь дает
затвердевающую, массу, очень прочную и стойкую к внешним воздействиям.
Кальций - фосфорнокислый
Кальциевая соль ортофосфорной кислоты - основной компонент
фосфоритов и апатитов. Эти минералы (тоже достаточно распространенные) - сырье
для производства фосфорных удобрений и некоторых других химических продуктов. Поскольку
полезнейшая часть фосфоритов и апатитов - не кальций, а фосфор, мы не будем
подробно рассказывать о них, отослав читателя к статье об элементе №15. Упомянем
только, что кальциевые соли фосфорных кислот, прежде всего трикальцийфосфат Са3
(РO4) 2, всегда есть в организмах людей и животных. Са3
(РO4) 2 - главный "конструкционный материал" наших
костей.
Кальций - хлористый
Эта соль кальция встречается в природе намного реже, чем
карбонат, сульфат или фосфаты кальция. Ее получают как побочный продукт в производстве
соды аммиачным способом. Природный хлористый кальций это обычно кристаллогидрат
СаСl2 · 6Н2O, который при нагревании теряет сначала
четыре молекулы воды, а затем и остальные.
Безводный хлористый кальций сильно гигроскопичен, его
применяют для сушки жидкостей и газов.
Хлористый кальций хорошо растворяется в воде. Если полить
таким раствором грунтовую или щебеночную дорогу, она останется влажной намного
дольше, чем после поливки водой. Это происходит потому, что упругость пара над
раствором хлористого кальция очень мала; такой раствор поглощает влагу из
воздуха и поэтому долго не высыхает.
Другое применение этой соли связано с низкими температурами
замерзания растворов хлористого кальция. Эти растворы используют в холодильных
системах. А смеси этой соли со снегом или мелко истолченным льдом плавятся при
температурах намного ниже нуля. Точка плавления холодильной смеси состава 58,8%
CaCl2 · 6Н2О и 41,2% снега минус 55°C.
Хлористый кальций широко применяют и в медицине. В
частности, внутривенные инъекции растворов CaCl2 снимают спазмы
сердечно-сосудистой системы, улучшают свертываемость крови, помогают бороться с
отеками, воспалениями, аллергией. Растворы хлористого кальция врачи прописывают
не только внутривенно, но и просто как внутреннее лекарство. Хлорид кальция
стал также одним из компонентов витамина B15.
Кальций - фтористый
В отличие от CaCl2 и других галогенидов кальция
эта соль практически нерастворима в воде. Фтористый кальций входит в состав
апатита, там это бесполезная примесь. Зато чистый кристаллический дифторид
кальция - вещество очень полезное. Это один из главных металлургических флюсов -
веществ, помогающих отделять металлы от пустой породы. В этом качестве
фтористый кальций используют очень давно, и не случайно одно из названий этого
минерала - плавиковый шпат. Плавиковый - от "плавить".
Иногда в природе встречаются крупные, весом до 20 кг,
абсолютно прозрачные кристаллы этой соли. У них другое минералогическое
название - флюорит. Такие кристаллы представляют чрезвычайную ценность для оптики,
потому что они пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи намного лучше,
чем стекло, кварц или вода. Спрос на кристаллы флюорита намного превышает
запасы разведанных месторождений, и не случайно флюорит стали получать в
промышленных масштабах искусственным путем.
Искусственным путем...
Природные соединения кальция не всегда и не во всем
удовлетворяют человека. Поэтому многие из них превращают в другие вещества. Некоторые
соединения кальция, получаемые искусственным путем, стали даже более известными
и привычными, чем известняки или гипс. Так, гашеную Са (OH) 2 и
негашеную СаО известь применяли еще строители древности.
Цемент - это тоже соединение кальция, полученное
искусственным путем. Сначала обжигают смесь глины или песка с известняком и
получают клинкер, который затем размалывают в тонкий серый порошок. О цементе (вернее,
о цементах) можно рассказывать очень много, это тема самостоятельной статьи.
То же самое относится и к стеклу, в состав которого тоже
обычно входит элемент № 20.
Искусственным путем получают и гидрид кальция - сильнейший
восстановитель, и активные окислители - хлорную известь Са (СlO) Сl и
гипохлорит кальция Са (СlO) 2.
Число примеров, подтверждающих первостепенную важность
элемента №20 и его соединений - природных и искусственных, - можно еще
увеличить. Но вряд ли в этом есть необходимость.
Изотопы кальция
Природный кальций состоит из шести изотопов с массовыми
числами 40, 42, 43, 44, 46 и 48. Основной изотоп - 40Са; его
содержание в металле около 97%. Полученные искусственным путем изотопы с
массовыми числами 39, 41, 45, 47 и 49 - радиоактивны. Один из них - 45Са
может быть получен облучением металлического кальция или его соединений
нейтронами в урановом реакторе. Наша промышленность выпускает следующие
препараты с изотопом 45Са: кальций металлический, СаCO3,
СаО, CaCl, Ca (NO3) 2, CaSO4, CaC2O4.
Радиоактивный кальций широко используют в биологии и
медицине в качестве изотопного индикатора при изучении процессов минерального
обмена в живом организме. С его помощью установлено, что в организме происходит
непрерывный обмен ионами кальция между плазмой, мягкими тканями и даже костной
тканью. Большую роль сыграл 45Са также при изучении обменных
процессов, происходящих в почвах, и при исследовании процессов усвоения кальция
растениями. С помощью этого же изотопа удалось обнаружить источники загрязнения
стали и сверхчистого железа соединениями кальция в процессе выплавки.
Зубы и металлы чистит разный мел
Природный мел в виде порошка входит в составы для полировки
металлов. Но чистить зубы порошком из природного мела нельзя, так как он
содержит остатки раковин и панцирей мельчайших животных, которые обладают
повышенной твердостью и разрушают зубную эмаль. Поэтому зубной порошок готовят
только из химически осажденного мела.
Жесткая вода
Комплекс свойств, определяемых одним словом "жесткость",
воде придают растворенные в ней соли кальция и магния. Жесткая вода непригодна
во многих случаях жизни. Она образует слой накипи в паровых котлах и котельных
установках, затрудняет окраску и стирку тканей, но годится для варки мыла и
приготовления эмульсий в парфюмерном производстве. Поэтому раньше, когда
способы умягчения воды были несовершенны, текстильные и парфюмерные предприятия
обычно размещались поблизости от источников "мягкой" воды.
Различают жесткость временную и постоянную. Временную (или
карбонатную) жесткость придают воде растворимые гидрокарбонаты Са (НCO3)
2 и Mg (HCO3) 2. Устранить ее можно простым
кипячением, при котором гидрокарбонаты превращаются в нерастворимые в воде
карбонаты кальция и магния.
Постоянная жесткость создается сульфатами и хлоридами тех же
металлов. И ее можно устранить, но сделать это намного сложнее.
Сумма обоих жесткостей составляет общую жесткость воды. Оценивают
ее в разных странах по-разному. В СССР принято выражать жесткость воды числом
миллиграмм-эквивалентов кальция и магния в одном литре воды. Если в литре воды
меньше 4 мг-экв, то вода считается мягкой; по мере увеличения их концентрации -
все более жесткой и, если содержание превышает 12 единиц, - очень жесткой.
Жесткость воды обычно определяют с помощью раствора мыла. Такой
раствор (определенной концентрации) прибавляют по каплям к отмеренному
количеству воды. Пока в воде есть ионы Са2+ или Mg2+, они
будут мешать образованию пены. По затратам мыльного раствора до появления пены
вычисляют содержание ионов Са2+ и Mg2+.
Интересно, что аналогичным путем определяли жесткость воды
еще в Древнем Риме. Только реактивом служило красное вино - его красящие
вещества тоже образуют осадок с ионами кальция и магния.
"Кипелка" и "пушонка"
Еще в I в. н.э. Диоскорид - врач при римской армии - в
сочинении "О лекарственных средствах" ввел для окиси кальция название
"негашеная известь", которое сохранилось и в наше время. Строители ее
называют "кипелкой" - за то, что при гашении выделяется много тепла,
и вода закипает. Образующийся при этом пар разрыхляет известь, она распадается
с образованием пушистого порошка. Отсюда строительное название гашеной извести -
"пушонка". В зависимости от количества воды, добавляемой к извести,
гашение идет до получения пушонки, известкового теста, известкового молока или
известковой воды. Все они нужны для приготовления вяжущих растворов.
Бетону - две тысячи лет
Бетон - важнейший
строительный материал наших дней. Но это вещество (точнее, одну из его
разновидностей - смесь дробленого камня, песка и извести) применяют с давних
пор. Плиний Старший (I в. н. э) так описывает постройку цистерн из бетона:
"Для постройки цистерн берут пять частей чистого гравийного песка, две
части самой лучшей гашеной извести и обломки силекса (твердая лава. - Ред) весом
не больше фунта каждый, после смешивания уплотняют как следует нижнюю и боковые
поверхности ударами железной трамбовки".
Почему кальций - кальций
В латинском языке слово "calx" обозначает известь и
сравнительно мягкие, легко обрабатываемые камни, в первую очередь мел и мрамор.
От этого слова и произошло название элемента №20.
Что такое "арболит"?
Так назван материал, в состав которого входят отходы
древесины, цемент, хлористый кальций и вода. После смешения компонентов и
уплотнения вибрационным способом получается строительный материал с
исключительно ценными свойствами: он не горит, не гниет, легко пилится пилой,
обрабатывается на станке. Стоимость такого материала невелика. Плиты из
арболита используют в строительстве малоэтажных зданий.
Как хранят кальций
Металлический кальций длительно хранить можно в кусках весом
от 0,5 до 60 кг. Такие куски хранят в бумажных мешках, вложенных в железные
оцинкованные барабаны с пропаянными и покрашенными швами. Плотно закрытые
барабаны укладывают в деревянные ящики. Куски весом меньше 0,5 кг подолгу
хранить нельзя - они быстро превращаются в окись, гидроокись и карбонат кальция.
Как получают кальций
Кальций впервые получен Дэви в 1808 г. с помощью электролиза.
Но, как и другие щелочные и щелочноземельные металлы, элемент №20 нельзя
получить электролизом из водных растворов. Кальций получают при электролизе его
расплавленных солей.
Это сложный и энергоемкий процесс. В электролизере
расплавляют хлорид кальция с добавками других солей (они нужны для того, чтобы
снизить температуру плавления СаСl2).
Если стальной катод заменить катодом из металла, способного
сплавляться с кальцием, то при электролизе будет получаться соответствующий
сплав. В зависимости от назначения его можно использовать как сплав, либо
отгонкой в вакууме получить чистый кальций. Так получают сплавы кальция с
цинком, свинцом и медью.
Не только электролизом.
Другой метод получения кальция - металлотермический - был
теоретически обоснован еще в 1865 г. известным русским химиком Н.Н. Бекетовым. Кальций
восстанавливают алюминием при давлении всего в 0,01 мм ртутного столба. Температура
процесса 1100...1200°C. Кальций получается при этом в виде пара, который затем
конденсируют.
В последние годы разработан еще один способ получения
элемента №20. Он основан на термической диссоциации карбида кальция: раскаленный
в вакууме до 1750°C карбид разлагается с образованием паров кальция и твердого
графита.
Применение кальция
До последнего времени металлический кальций почти не находил
применения. США, например, до второй мировой войны потребляли в год всего 10...25
т кальция, Германия - 5...10 т. Но для развития новых областей техники нужны
многие редкие и тугоплавкие металлы. Выяснилось, что кальции - очень удобный и
активный восстановитель многих из них, и элемент №20 стали применять при
получении тория, ванадия, циркония, бериллия, ниобия, урана, тантала и других
тугоплавких металлов.
Способность кальция связывать кислород и азот позволила
применить его для очистки инертных газов и как геттер (Геттер - вещество,
служащее для поглощения газов и создания глубокого вакуума в электронных
приборах) в вакуумной радиоаппаратуре.
Кальций используют и в металлургии меди, никеля, специальных
сталей и бронз; им связывают вредные примеси серы, фосфора, избыточного
углерода. В тех же целях применяют сплавы кальция с кремнием, литием, натрием,
бором, алюминием.