Кальций

Ка́льций(химический символ—Ca, отлат.Calcium) —химический элемент2-й группы(поустаревшей классификации— главной подгруппы второй группы, IIA)четвёртого периодапериодической системы химических элементовД. И. Менделеевасатомным номером20.
Простое веществокальций— это умеренно твёрдый, очень лёгкий химически активныйщёлочноземельный металлсеребристо-белогоцвета.
Впервые получен в чистом видеГ. Дэвив1808 году.
Кальций относится к числу жизненно важных элементов для организмов.
Название элемента происходит отлат.calx(в родительном падежеcalcis) — «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химикомГемфри Дэви, в1808 г.выделившим металлический кальцийэлектролитическим методом. Дэви подверг электролизу смесь влажной гашёной извести соксидом ртути HgOнаплатиновойпластине, которая являласьанодом.Катодомслужила платиновая проволока, погружённая в жидкуюртуть. В результате электролиза получаласьамальгамакальция. Отогнав из неё ртуть, Дэви получилметалл, названный кальцием.
Соединения кальция —известняк,мрамор,гипс(а такжеизвесть— продукт обжига известняка) применялись в строительном деле уже несколько тысячелетий назад. Вплоть до конца XVIII века химики считали известь простым телом. В 1789 годуА. Лавуазьепредположил, что известь,магнезия,барит,глинозёмикремнезём— вещества сложные.
Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается.
На долю кальция приходится 3,38 % массыземной коры(5-е место по распространенностипослекислорода,кремния,алюминияижелеза). Содержание элемента вморской воде—400 мг/л.
Кальций встречается в природе в виде смеси шестиизотопов:Ca,Ca,Ca,Ca,Ca иCa, среди которых наиболее распространённый —Ca — составляет 96,97 %. Ядра кальция содержатмагическое числопротонов:Z= 20. Изотопы4020Ca20и4820Ca28являются двумя из пяти существующих в природедважды магических ядер.
Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотопCa, самый тяжёлый из шести и весьма редкий (егоизотопная распространённостьравна всего 0,187 %), испытываетдвойной бета-распадспериодом полураспада(4,39 ± 0,58)⋅10лет.
Кальций, энергично мигрирующий в земной коре и накапливающийся в различных геохимических системах, образует 385 минералов (четвёртое место по числу минералов).
Большая часть кальция содержится в составесиликатовиалюмосиликатовразличных горных пород (граниты,гнейсыи т. п.), особенно вполевом шпате — анортитеCa[Al2Si2O8].
Довольно широко распространены такиеминералыкальция, каккальцитCaCO3,ангидритCaSO4,алебастрCaSO4·0.5H2O игипсCaSO4·2H2O,флюоритCaF2,апатитыCa5(PO4)3(F,Cl,OH),доломитMgCO3·CaCO3. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется еёжёсткость.
Осадочная порода, состоящая в основном из скрытокристаллического кальцита —известняк(одна из его разновидностей —мел). Под действием региональногометаморфизмаизвестняк преобразуется вмрамор.
В естественной миграции кальция существенную роль играет «карбонатное равновесие», связанное с обратимой реакцией взаимодействия карбоната кальция с водой и углекислым газом с образованием растворимогогидрокарбоната:
(равновесие смещается влево или вправо в зависимости от концентрации углекислого газа).
Огромную роль играет биогенная миграция.
Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях (см. ниже). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так,гидроксиапатитCa5(PO4)3OH, или, в другой записи, 3Ca3(PO4)2·Са(OH)2— основакостной тканипозвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO3состоят раковины и панцири многихбеспозвоночных, яичная скорлупа и др. В живых тканях человека и животных 1,4—2 % Са (по массовой доле); в теле человека массой70 кгсодержание кальция — около1,7 кг(в основном в составемежклеточного веществакостной ткани).
Металл кальций существует в двухаллотропных модификациях. До443 °Cустойчивα-Caс кубической гранецентрированной решёткой (параметра= 0,558 нм), выше устойчивβ-Caс кубической объёмно-центрированной решёткой типаα-Fe(параметрa= 0,448 нм). Стандартная энтальпияΔH0{\displaystyle \Delta H^{0}}переходаα → βсоставляет0,93 кДж/моль.
При постепенном повышении давления начинает проявлять свойстваполупроводника, но не становится полупроводником в полном смысле этого слова (металлом уже тоже не является). При дальнейшем повышении давления возвращается в металлическое состояние и начинает проявлять сверхпроводящие свойства (температура сверхпроводимости в шесть раз выше, чем у ртути, и намного превосходит по проводимости все остальные элементы). Уникальное поведение кальция похоже во многом настронций(то есть параллели в периодической системе сохраняются).
Кальций — типичныйщёлочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем у более тяжёлых щёлочноземельных металлов. Он легко взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влагой воздуха, из-за чего поверхность металлического кальция обычно тускло-серая, поэтому в лаборатории кальций обычно хранят, как и другие щёлочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоемкеросинаили жидкогопарафина.
В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева отводорода. Стандартный электродный потенциал парыCa/Ca−2,84 В, так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:
С активныминеметаллами(кислородом,хлором,бромом,иодом) кальций реагирует при обычных условиях:
Как и для всех остальных металлов, так и для кальция характерно вытеснение менее активных металлов из их солей:
При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется и горит красным пламенем с оранжевым оттенком («кирпично-красным»). С менее активными неметаллами (водородом,бором,углеродом,кремнием,азотом,фосфороми другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:
Кроме получающихся в этих реакцияхфосфида кальцияCa3P2исилицида кальцияCa2Si, известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР5и силициды кальция составов CaSi, Ca3Si4и CaSi2.
Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты. Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:
Ион Caбесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.
Такие соли кальция, какхлоридCaCl2,бромидCaBr2,иодидCaI2инитратCa(NO3)2, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в водефторидCaF2,карбонатCaCO3,сульфатCaSO4,ортофосфатCa3(PO4)2,оксалатСаС2О4и некоторые другие.
Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие откарбоната кальция СаСО3, кислый карбонат кальция (гидрокарбонат)Са(НСО3)2в воде растворим. В природе это приводит к следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщеннаяуглекислым газом, проникает под землю и попадает наизвестняки, то наблюдается их растворение, а в тех местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция
Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землёй могут образоваться огромныекарстовыеполости и провалы, а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» —сталактитыисталагмиты.
Наличие в воде растворённого гидрокарбоната кальция во многом определяет вре́менную жёсткость воды. Вре́менной её называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО3. Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуетсянакипь.
Свободный металлический кальций получаютэлектролизомрасплава, состоящего из CaCl2(75—80 %) и KCl или из CaCl2и CaF2, а такжеалюминотермическим восстановлениемCaO при 1170—1200 °C4CaO+2Al→CaAl2O4+3Ca{\displaystyle {\mathsf {4CaO+2Al\rightarrow CaAl_{2}O_{4}+3Ca}}}
Кальций и его гидрид используются для получения трудно восстанавливаемых металлов, таких, какхром,торий,уран,титан,цирконий. Чистый металлический кальций применяется при полученииредкоземельных элементов.
Кальций широко применяется в металлургии дляраскисления сталинаряду с алюминием или в сочетании с ним. Внепечная обработка кальцийсодержащими проволоками занимает ведущее положение в связи с многофакторностью влияния кальция на физико-химическое состояние расплава, макро- и микроструктуры металла, качество и свойства металлопродукции и является неотъемлемой частью технологии производства стали. В современной металлургии для ввода в расплав кальция используется инжекционная проволока, представляющая собой кальций (иногда силикокальций или алюмокальций) в виде порошка или прессованного металла в стальной оболочке. Наряду с раскислением (удалением растворённого в стали кислорода) использование кальция позволяет получить благоприятные по природе, составу и форме неметаллические включения, не разрушающиеся в ходе дальнейших технологических операций.
ИзотопCa — один из эффективных и употребительных материалов для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементовтаблицы Менделеева. Это связано с тем, чтокальций-48является дваждымагическим ядром, поэтому его устойчивость позволяет ему быть достаточно нейтроноизбыточным для лёгкого ядра; при синтезе сверхтяжёлых ядер необходим избыток нейтронов.
Кальций — распространённыймакроэлементв организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть находится вскелетеизубах. Вкостяхкальций содержится в виде гидроксиапатита. Из различных форм карбоната кальция (извести) состоят «скелеты» большинства групп беспозвоночных (губки, коралловые полипы, моллюски и др.). Ионы кальция участвуют в процессахсвертывания крови, а также служат одним из универсальныхвторичных посредниковвнутри клеток и регулируют самые разные внутриклеточные процессы —мышечное сокращение,экзоцитоз, в том числе секрециюгормоновинейромедиаторов. Концентрация кальция в цитоплазме клеток человека составляет около10ммоль/л, в межклеточных жидкостях около2,5 ммоль/л.
Потребность в кальции зависит от возраста. Для взрослых в возрасте19—50 лети детей4—8 летвключительно дневная потребность (RDA) составляет1000 мг, а для детей в возрасте от 9 до 18 лет включительно — 1300 мг в сутки. В подростковом возрасте потребление достаточного количества кальция очень важно из-за интенсивного роста скелета. Однако по данным исследований в США всего 11 % девочек и 31 % мальчиков в возрасте 12—19 лет достигают своих потребностей. В сбалансированной диете большая часть кальция (около 80 %) поступает в организм ребёнка смолочными продуктами. Оставшийся кальций приходится на зерновые (в том числе цельнозерновой хлеб и гречку), бобовые, апельсины, зелень, орехи.
Всасывание кальция в кишечнике происходит двумя способами: через клетки кишечника (трансцеллюлярно) и межклеточно (парацелюллярно). Первый механизм опосредован действием активной формывитамина D(кальцитриола) и её кишечными рецепторами. Он играет большую роль при малом и умеренном потреблении кальция. При большем содержании кальция в диете основную роль начинает играть межклеточная абсорбция, которая связана с большим градиентом концентрации кальция. За счёт чрезклеточного механизма кальций всасывается в большей степени в двенадцатиперстной кишке (из-за наибольшей концентрации там рецепторов в кальцитриолу). За счёт межклеточного пассивного переноса абсорбция кальция наиболее активна во всех трёх отделах тонкого кишечника. Всасыванию кальция парацеллюлярно способствуетлактоза(молочный сахар).
Усвоению кальция препятствуют некоторые животные жиры(включая жиркоровьего молокаи говяжий жир, но несало) ипальмовое масло. Содержащиеся в таких жирахпальмитиноваяистеариноваяжирные кислоты отщепляются при переваривании в кишечнике и в свободном виде прочно связывают кальций, образуяпальмитат кальцияистеарат кальция(нерастворимыемыла). В виде этого мыла со стулом теряется как кальций, так и жир. Этот механизм ответственен за снижение всасывания кальция, снижение минерализации костейи снижение косвенных показателей их прочностиу младенцев при использовании детских смесей на основепальмового масла(пальмового олеина). У таких детей образование кальциевых мыл в кишечнике ассоциируется с уплотнением стула, уменьшением его частоты, а также более частым срыгиваниеми коликами.
Концентрация кальция в крови из-за её важности для большого числа жизненно важных процессов точно регулируется, и при правильном питании и достаточном потреблении обезжиренных молочных продуктов и витамина D дефицита не возникает. Длительный дефицит кальция и/или витамина D в диете приводит к увеличению рискаостеопороза, а в младенчестве вызываетрахит.
Избыточные дозы кальция ивитамина Dмогут вызватьгиперкальцемию. Максимальная безопасная доза для взрослых в возрасте от 19 до50 летвключительно составляет2500 мгв сутки(около340 гсыраЭдам).
Содержание кальция в продуктах определяется исходя из усреднённой порции для каждого вида пищевого продукта. Помимо собственно содержания кальция важна также егобиодоступность. В целом в продуктах животного происхождения содержится больше кальция, чем в растительных. Наибольшее количество кальция содержится вмолочных продуктах(но из них усваивается только27–30 %кальция),консервированнойрыбе (за счет съедобных косточек),орехахи семенах (биодоступность кальция в среднем20 %),бобовых(фасоль,нут,чечевица,маш,горох,соя,эдамамэ, в которых содержатся также вещества, затрудняющие усвоение кальция, и, чтобы повысить его биодоступность, их лучше подвергнуть тепловой обработке), некоторые овощи (кресс-салат,капуста бок-чой,листовой салат,брокколи), некоторые фрукты и ягоды:
Содержание кальция в молоке сильно зависит от его жирности — в жирном молоке меньше концентрация кальция.