Кальций

Взять на заметку

  1. Кальций поступает в организм только с пищей. Основной источник — молочные продукты.
  2. Как высокий, так и низкий уровни кальция могут негативно отразиться на здоровье.
  3. Кальций особенно важен во время роста и беременности.
  4. Сбалансированный рацион и витамин Д — ключ к получению необходимого организму кальция.
  5. В среднем человеку требуется около 500 мг кальция в день.
  6. Образ жизни оказывает большое влияние на здоровье костей.
  7. Биодоступность кальция из молочных продуктов выше, чем в растительных.Но все же достаточное количество кальция можно получить при растительном рационе, если он сбалансирован.
  • Piste Pravina, Didwagh Sayaji, Mokashi Avinash, Calcium and its Role in Human Body, 2013
  • Ivana Y. Kuo, Barbara E. Ehrlich, Signaling in Muscle Contraction, 2015
  • G Simonetti, M Mohaupt, Calcium and blood pressure, 2007
  • Sneha Singh et al., Structure functional insights into calcium binding during the activation of coagulation factor XIII A, 2019
  • WHO, Calcium supplementation during pregnancy to reduce the risk of pre-eclampsia
  • Harvard Women’s Health Watch, 2015
  • NHS, Hypoparathyroidism
  • Sarah M Bristow et al., Dietary Calcium Intake and Bone Loss Over 6 Years in Osteopenic Postmenopausal Women, 2019
  • UCLA Health, Causes of High Calcium Levels in the Blood
  • Osteoporosis Canada, Calcium
  • Cleveland Clinic, Hypercalcemia
  • Dori Seccareccia, MD, Cancer-related hypercalcemia, 2010
  • Salvatore Minisola et al., The diagnosis and management of hypercalcaemia, 2015
  • Bart L. Clarke et al., Epidemiology and Diagnosis of Hypoparathyroidism, 2016
  • Annabelle M Smith, Veganism and osteoporosis: a review of the current literature, 2006
  • Kenice Morehouse-Grand, Stephen Grand, Can Vegans Have Healthy Bones? A Literature Review, 2014
  • NHS, The vegan diet
  • C Brot et al., The influence of smoking on vitamin D status and calcium metabolism, 1999
  • Olivier Bonny, Murielle Bochud, Genetics of calcium homeostasis in humans: continuum between monogenic diseases and continuous phenotypes, 2014
  • Mayo Clinic, Bone health: Tips to keep your bones healthy
  • Linda L. Lin, Sandy S. Hsieh, Effects of strength and endurance exercise on calcium-regulating hormones between different levels of physical activity, 2005
  • Harvard T.H. Chan, Calcium
  • Daily Nutrition, Calcium and Bioavailability
  • Harvard T.H. Chan, Are anti-nutrients harmful?
  • Weston Petroski and Deanna M. Minich, Is There Such a Thing as “Anti-Nutrients”? A Narrative Review of Perceived Problematic Plant Compounds, 2020
  • Mayo Clinic, Preeclampsia

Дефицит кальция. Почему он возникает и как проявляется

Минерал сильно вымывается из организма вследствие употребления кофе. Большое потребление жиров и щавелевой кислоты, злаковых культур, в которых присутствует фитиновая кислота, также отрицательно сказываются на количестве кальция в организме.

Помимо этого, некоторые заболевания и состояния ухудшают усвояемость кальция и способствуют его дополнительному выведению. В группе риска находятся:

  • Женщины в период менопаузы и во время ПМС. В таком состоянии снижается функция половых гормонов, возрастает количество прогестерона в организме, который способствует выведению минерала из организма.
  • Пожилой возраст. Примерно до 25 лет, минерал накапливается в организме, затем находится в стабильно одинаковом объеме и уже в пожилом возрасте начинает постепенно выводиться быстрыми темпами.
  • Склонны к сильной утрате кальция бодибилдеры. Стремительный рост мышечной массы требует дополнительного расхода кальция.

Еще один фактор – наличие гормонозависимых заболеваний. Гормональные препараты, независимо от того, натуральные они или синтетические, снижают уровень кальция в организме.

Калий и кальций имеют некоторые общие черты. Калий и кальций — это металлы, цвет которых — серебристо-белый

Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) металлам. Металлы извлекают из земли в процессе добычи полезных ископаемых.

Для выяснения нахождения руд в земной коре используются специальные поисковые методы, включающие разведку и исследование рудных месторождений. Из добытой и обогащённой руды металлы извлекаются, как правило, с помощью химического или электролитического восстановления. Когда металлическая руда является ионным соединением металла и неметалла, для извлечения чистого металла она обычно подвергается выплавлению — нагреву с восстановителем.

Реакция воды с кальцием

Кальций хранят в банках под слоем защитной жидкости. Чтобы провести опыт, демонстрирующий, как происходит реакция воды и кальция, нельзя просто достать металл и отрезать от него нужный кусочек. Металлический кальций в лабораторных условиях проще использовать в виде стружки.

Если металлической стружки нет, а в банке есть только большие куски кальция, потребуются пассатижи или молоток. Готовый кусочек кальция нужного размера помещают в колбу или стакан с водой. Кальциевую стружку кладут в посуду в марлевом мешочке.

Кальций опускается на дно, и начинается выделение водорода (сначала в месте, где находится свежий излом металла). Постепенно с поверхности кальция выделяется газ. Процесс напоминает бурное кипение, одновременно образовывается осадок гидроксида кальция (гашёная известь).

Применение

Главное применение металлического кальция — это использование его как восстановителя при получении металлов, особенно никеля, меди и нержавеющей стали. Кальций и его гидрид используются также для получения трудновосстанавливаемых металлов, таких, как хром,торийиуран. Сплавы кальция со свинцом находят применение в аккумуляторных батареях и подшипниковых сплавах. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов. Чистый металлический кальций широко применяется в металлотермии при полученииредкоземельных элементов.

Изотоп48Ca — один из эффективных и употребительных материалов для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементовтаблицы Менделеева. Это связано с тем, что кальций-48 является дваждымагическим ядром, поэтому его устойчивость позволяет ему быть достаточно нейтроноизбыточным для лёгкого ядра; при синтезе сверхтяжёлых ядер необходим избыток нейтронов.

Дефицит кальция в организме человека

Низкий уровень кальция в сыворотке крови — гипокальциемия. Это состояние встречается часто, но в основном протекает бессимптомно. Частая причина гипокальциемии — дефицит витамина Д, необходимого для попадания кальция в кровеносную систему.

Без достаточного количества витамина Д организм не может эффективно усваивать кальций, даже если рацион богат им. Среди других причин дефицита кальция — недостаток кальция в рационе, а также гипопаратиреоз или низкий уровень паратиреоидного гормона.

Хронический низкий уровень кальция может привести к развитию остеопороза, при котором снижается плотность и масса костей. Это увеличивает риск переломов и чаще встречается у людей в возрасте от 60 лет.

Узнайте о ваших рисках развития остеопороза с помощью Генетического теста Атлас.

Симптомы нехватки кальция

Симптомы низкого содержания кальция могут различаться по степени тяжести. Внешний показатель дефицита — состояние ногтей, волос и кожи. Говорить о нехватке также могут неврологические признаки, которые требуют медицинской помощи: онемение, потеря памяти или судороги.

Если у вас наблюдается один или несколько симптомов, перечисленных ниже, это может говорить о том, что организму не хватает кальция:

Ломкость зубов, ногтей и волос Головокружение и потеря сознания
Нарушение глотания Боли в области позвоночника и таза
Головокружение и потеря сознания Компрессионный перелом
Беспокойство, раздражительность Уменьшение роста
Пониженное артериальное давление Спазмы легких

В краткосрочной перспективе последствия не очевидны, но если долго игнорировать симптомы, это может привести к остеопорозу.

Гипокальциемию не следует лечить самостоятельно, так как легко превысить рекомендуемую норму кальция, что может иметь серьезные последствия для организма.

Причины нехватки кальция и развития остеопороза

На уровень кальция в организме влияет не только питание, но и многие другие факторы. Вот некоторые причины, которые повышают риск дефицита кальция и последующего развития остеопороза:

Фактор Влияние на уровень кальция
Низкий уровень физической активности Образ жизни с низким уровнем физической активности может вызвать дефицит кальция.
Табак и алкоголь Курение и регулярное употребление алкоголя негативно влияют на плотность костных тканей.
Женский пол Максимальная костная масса у женщин ниже, чем у мужчин, поэтому риски развития остеопороза у женщин выше.
Возраст Люди старше 60 лет больше подвержены риску снижения плотности костных тканей и развитию остеопороза.
Происхождение и наследственность Люди азиатского происхождения, а также люди с семейной историей остеопороза более подвержены риску его развития.
Нарушения пищевого поведения Резкое ограничение пищи при расстройствах пищевого поведения как анорексия и булимия, а также низкий вес, ослабляют кости как у женщин, так и у мужчин.
Низкий ИМТ При показателе индекса массы тела 19 и ниже, риск снижения костной ткани увеличивается.
Некоторые лекарственные препараты Длительный прием некоторых средств как кортикостероиды, препараты для лечения рака груди, противосудорожные средства, снижают прочность костей.
Целиакия При непереносимости глютена всасываемость некоторых нутриентов в кишечнике, включая кальций, замедляется. Если целиакию не лечить, это может привести к остеопорозу.

История и происхождение названия

В 1818 г. Г. Дэви провел электролиз увлажненной гашеной извести Са(ОН)2 и на ртутном катоде получил амальгаму ранее не известного металла. Латинское название извести «кальке» и открытый им металл Г. Дэи.1 назвал кальцием. В России поэтому до середины XIX в. кальций называли «известковием». Кальций, полученный Г. Дэви, не был чистым, а выделить его из амальгамы из-за большой химической активности оказалось трудно. Лишь в 1855 г. Р. Бунзен впервые электролизом расплава хлорида кальция получил чистый металл. Этот метод получения кальция позднее (с 1896 г.)стал использоваться и для его промышленного получения.

Нахождение в природе[править | править код]

Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается.

На долю кальция приходится 3,38 % массы земной коры (5-е место по распространенности (3-е среди металлов) после кислорода, кремния, алюминия и железа). Содержание элемента в морской воде — 400 мг/л.

Изотопыправить | править код

Кальций встречается в природе в виде смеси шести изотопов: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca и 48Ca, среди которых наиболее распространённый — 40Ca — составляет 96,97 %. Ядра кальция содержат магическое число протонов: Z = 20. Изотопы 4020Ca20 и 4820Ca28 являются двумя из пяти существующих в природе дважды магических ядер.

Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48Ca, самый тяжёлый из шести и весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0,187 %), испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада (4,39 ± 0,58)⋅1019 лет.

В горных породах и минералахправить | править код

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 составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате — анортите Ca[Al2Si2O8].

Кальцит

Довольно широко распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO3, ангидрит CaSO4, алебастр CaSO4·0.5H2O и гипс CaSO4·2H2O, флюорит CaF2, апатиты Ca5(PO4)3(F,Cl,OH), доломит MgCO3·CaCO3. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется её жёсткость.

Осадочная порода, состоящая в основном из скрытокристаллического кальцита — известняк (одна из его разновидностей — мел). Под действием регионального метаморфизма известняк преобразуется в мрамор.

Миграция в земной кореправить | править код

В естественной миграции кальция существенную роль играет «карбонатное равновесие», связанное с обратимой реакцией взаимодействия карбоната кальция с водой и углекислым газом с образованием растворимого гидрокарбоната:

CaCO3+H2O+CO2⇄Ca(HCO3)2⇄Ca2++2HCO3−{\displaystyle {\mathsf {CaCO_{3}+H_{2}O+CO_{2}\rightleftarrows Ca(HCO_{3})_{2}\rightleftarrows Ca^{2+}+2HCO_{3}^{-}}}}

(равновесие смещается влево или вправо в зависимости от концентрации углекислого газа).

Огромную роль играет биогенная миграция.

В биосфереправить | править код

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях (). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca5(PO4)3OH, или, в другой записи, 3Ca3(PO4)2·Са(OH)2 — основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др. В живых тканях человека и животных 1,4—2 % Са (по массовой доле); в теле человека массой 70 кг содержание кальция — около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).

Биологическая роль кальция

Кальций необходим почти для всех живых существ. Он образует строительные блоки человеческого скелета (в виде фосфата кальция), раковины моллюсков и ракообразных (в виде карбоната кальция). Кости не статичны, как считают многие. Они обновляются при переломах, когда для восстановления костной ткани необходимо очень много кальция. Суточная норма кальция для детей, пожилых людей и беременных составляет 1–1.5 мг, а для здоровых и взрослых — минимум 1 мг. Источники кальция — молочные продукты, молочный шоколад, брокколи и капуста, красная фасоль. Усвоению кальция мешают животные жиры, в том числе и молочные! Поэтому лучше употреблять обезжиренные молочные продукты. Кроме того, кальций хуже усваивается в сочетании с пальмовым маслом: образующиеся стеараты и пальмитаты кальция просто выводятся из организма.

Кальций необходим для множества процессов в теле человека. Когда развивается дефицит кальция, организм начинает компенсировать недостаток этого элемента, забирая его из костей. Если эту потерю не восполнять, могут возникнуть проблемы с костями, например, остеопороз. Это связано с тем, что с возрастом становится всё сложнее удерживать баланс кальция в организме. Усваивать его нам помогает витамин D, который содержится в рыбьем жире, морепродуктах, яйцах и некоторых молочных продуктах.

Атом и молекула кальция. Формула кальция. Строение кальция:

Кальций (лат. Calcium, от лат. calx (в родительном падеже calcis) – «известь», «мягкий камень») – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением Ca и атомным номером 20. Расположен в 2-й группе (по старой классификации – главной подгруппе второй группы), четвертом периоде периодической системы.

Кальций – щёлочноземельный металл.

Как простое вещество кальций при нормальных условиях представляет собой умеренно твёрдый, серебристо-белый металл.

Молекула кальция одноатомна.

Химическая формула кальция Ca.

Электронная конфигурация атома кальция 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2. Потенциал ионизации (первый электрон) атома кальция равен 589,83 кДж/моль (6,1131554(3) эВ).

Строение атома кальция. Атом кальция состоит из положительно заряженного ядра (+19), вокруг которого по четырем оболочкам движутся 20 электронов. При этом 18 электронов находятся на внутреннем уровне, а 2 электрона – на внешнем. Поскольку кальций расположен в четвертом периоде, оболочек всего четыре. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая и третья – внутренние оболочки представлена s- и р-орбиталями. Четвертая – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внешнем энергетическом уровне атома кальция – на 4s-орбитали находится два спаренных электрона. В свою очередь ядро атома кальция состоит из 20 протонов и 20 нейтронов. Кальций относится к элементам s-семейства.

Радиус атома кальция (вычисленный) составляет 194 пм.

Атомная масса атома кальция составляет 40,078(4) а. е. м.

Кальций – седьмой по распространённости элемент в земной коре. Содержание его в земной коре составляет 1,5 %, в океанах и морях – 0,042 %.

Кальций очень легко вступает в химические реакции.

Применение кальция

В чистом виде металл кальций применяют в качестве восстановителя при химических реакциях изготовления редкоземельных сплавов. Также этот элемент незаменим как раскислитель для бронзы, стали и других различных соединений. В химической промышленности он применяется при производстве бензина, позволяя удалять из топлива лишнюю серу. Из оксидов этого элемента изготавливают оболочки электрических кабелей, также из него выполняют антифрикционные материалы, которые незаменимы в радиоэлектронике и электронной промышленности.

Кальций — это биогенный элемент, необходимый для правильного протекания всех жизненных процессов в организме человека. Он присутствует в жидкостях и тканях растений и животных, поэтому играет важнейшую роль в правильной регенерации клеток. Польза и значение этого элемента для организма была установлена в начале прошлого века, а сегодня выводы ученых подтверждены многочисленными исследованиями. У человека содержание кальция достигает 2%, а у некоторых микроорганизмов — до 38%. Ученым известно лишь несколько видов простейших животных, жизнедеятельность которых может происходить без этого микроэлемента.

Большинство растений насыщаются кальцием из почвы, потребляя чистые микроэлементы с помощью специальных окислителей, выделяемых их клетками. Животные, в том числе человек, получают этот минерал с водой и пищей. Кальций необходим для образования клеточных мембран, также этот микроэлемент требуется для правильного обмена веществ. Его нехватка в организме приводит к развитию различных опасных заболеваний, вплоть до смерти человека.

Отдельные виды беспозвоночных научились запасаться кальцием, который необходим им для построения нового скелета и защитного панциря. К сожалению, у высших животных такой способности нет, поэтому им требуется постоянно получать этот микроэлемент извне, в том числе употребляя в пищу различные овощи и фрукты. Последние исследования показали, что обеспечить правильное всасывание кальция в организме человека можно лишь при наличии большого количества витамина D и других различных ферментов.

[править] Применение

Металлический кальций применяют главным образом в металлургии для получения некоторых металлов из их оксидов, которые трудно восстанавливаются, например ванадия, хрома и др.

Кальций используют также для раскисления стали и бронзы при их выплавке, а также для изготовления некоторых сплавов. Так, сплав свинца с небольшой добавкой кальция служит для заливки подшипников железнодорожных вагонов. Кроме того, кальций применяют для обезвоживания некоторых органических жидкостей и других целей. Используется в металлургии для изготовления сплавов и как восстановитель. Широко применяют природные соли кальция.

Соединения кальция широко применяются как антигистаминные средства. Соединения кальция входят в состав препаратов для профилактики остеопороза, в витаминные комплексы.

Химические свойства[править | править код]

Кальций — типичный щёлочноземельный 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 слоем керосина или жидкого парафина.

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода. Стандартный электродный потенциал пары Ca2+/Ca −2,84 В, так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:

Ca+2H2O→Ca(OH)2+H2↑{\displaystyle {\mathsf {Ca+2H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+H_{2}\uparrow }}}

Образовавшаяся гашеная известь Ca(OH)2 разлагается (при нагревании) на оксид и воду:

Ca(OH)2→CaO+H2O↑{\displaystyle {\mathsf {Ca(OH)_{2}\rightarrow CaO+H_{2}O\uparrow }}}

С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом, иодом) кальций реагирует при обычных условиях:

2Ca+O2→2CaO{\displaystyle {\mathsf {2Ca+O_{2}\rightarrow 2CaO}}}
Ca+Br2→CaBr2{\displaystyle {\mathsf {Ca+Br_{2}\rightarrow CaBr_{2}}}}

Как и для всех остальных металлов, так и для кальция характерно вытеснение менее активных металлов из их солей:

Ca+FeCl2⟶CaCl2+Fe{\displaystyle {\ce {Ca + FeCl2 -> CaCl2 + Fe}}}

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, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

Ca+H2→CaH2{\displaystyle {\mathsf {Ca+H_{2}\rightarrow CaH_{2}}}}
Ca+6B→CaB6{\displaystyle {\mathsf {Ca+6B\rightarrow CaB_{6}}}}
3Ca+N2→Ca3N2{\displaystyle {\mathsf {3Ca+N_{2}\rightarrow Ca_{3}N_{2}}}}
Ca+2C→CaC2{\displaystyle {\mathsf {Ca+2C\rightarrow CaC_{2}}}}
3Ca+2P→Ca3P2{\displaystyle {\mathsf {3Ca+2P\rightarrow Ca_{3}P_{2}}}}
2Ca+Si→Ca2Si{\displaystyle {\mathsf {2Ca+Si\rightarrow Ca_{2}Si}}}

Кроме получающихся в этих реакциях фосфида кальция Ca3P2 и силицида кальция Ca2Si, известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР5 и силициды кальция составов CaSi, Ca3Si4 и 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:

CaH2+2H2O→Ca(OH)2+2H2↑{\displaystyle {\mathsf {CaH_{2}+2H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+2H_{2}\uparrow }}}
Ca3N2+6H2O→3Ca(OH)2+2NH3↑{\displaystyle {\mathsf {Ca_{3}N_{2}+6H_{2}O\rightarrow 3Ca(OH)_{2}+2NH_{3}\uparrow }}}

Ион Ca2+ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

Такие соли кальция, как хлорид CaCl2, бромид CaBr2, иодид CaI2 и нитрат Ca(NO3)2, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF2, карбонат CaCO3, сульфат CaSO4, ортофосфат Ca3(PO4)2, оксалат СаС2О4 и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция СаСО3, кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО3)2 в воде растворим. В природе это приводит к следующим процессам

Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная углекислым газом, проникает под землю и попадает на известняки, то наблюдается их растворение, а в тех местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция

CaCO3+CO2+H2O⇄Ca(HCO3)2{\displaystyle {\mathsf {CaCO_{3}+CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows Ca(HCO_{3})_{2}}}}

Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землёй могут образоваться огромные карстовые полости и провалы, а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» — сталактиты и сталагмиты.

Наличие в воде растворенного 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 образуется накипь.

Атом и молекула кальция. Формула кальция. Строение кальция:

Кальций (лат. Calcium, от лат. calx (в родительном падеже calcis) – «известь», «мягкий камень») – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением Ca и атомным номером 20. Расположен в 2-й группе (по старой классификации – главной подгруппе второй группы), четвертом периоде периодической системы.

Кальций – щёлочноземельный металл.

Кальций обозначается символом Ca.

Как простое вещество кальций при нормальных условиях представляет собой умеренно твёрдый, серебристо-белый металл.

Молекула кальция одноатомна.

Химическая формула кальция Ca.

Электронная конфигурация атома кальция 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2. Потенциал ионизации (первый электрон) атома кальция равен 589,83 кДж/моль (6,1131554(3) эВ).

Строение атома кальция. Атом кальция состоит из положительно заряженного ядра (+19), вокруг которого по четырем оболочкам движутся 20 электронов. При этом 18 электронов находятся на внутреннем уровне, а 2 электрона – на внешнем. Поскольку кальций расположен в четвертом периоде, оболочек всего четыре. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая и третья – внутренние оболочки представлена s- и р-орбиталями. Четвертая – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внешнем энергетическом уровне атома кальция – на 4s-орбитали находится два спаренных электрона. В свою очередь ядро атома кальция состоит из 20 протонов и 20 нейтронов. Кальций относится к элементам s-семейства.

Радиус атома кальция (вычисленный) составляет 194 пм.

Атомная масса атома кальция составляет 40,078(4) а. е. м.

Кальций – седьмой по распространённости элемент в земной коре. Содержание его в земной коре составляет 1,5 %, в океанах и морях – 0,042 %.

Кальций очень легко вступает в химические реакции.

Применение

  • Известковое молоко применяется при побелке стен, заборов, стволов деревьев.
  • Для приготовления известкового строительного раствора. Гашёная известь применялась для строительной каменной кладки с древних времён. Такой строительный раствор обычно состоит по массе из одной части гашёной извести и трёх-четырёх частей кварцевого песка. В смесь добавляют воду до получения густой массы. В смеси происходит химическая реакция компонентов с образованием силикатов кальция, в этой реакции выделяется вода. Это является недостатком такого раствора, так как в помещениях, построенных с применением такого раствора долгое время сохраняется повышенная влажность. В том числе поэтому в современном строительстве цемент практически полностью вытеснил гашёную известь как связующее в строительных растворах.
  • Для приготовления силикатного бетона и силикатного кирпича. Состав силикатного бетона аналогичен составу известкового строительного раствора, однако его отвердевание происходит на несколько порядков быстрее, так как смесь гашёной извести и кварцевого песка обрабатывают перегретым (174—197 °C) водяным паром в автоклаве при повышенном давлении 9—15 атмосфер.
  • Для устранения карбонатной жёсткости воды (умягчение воды).
  • Для производства хлорной извести.
  • Для производства известковых удобрений и снижения кислотности кислых почв.
  • В производстве методом каустификации соды и поташа.
  • При дублении кож.
  • Для получения других соединений кальция, нейтрализация кислых растворов (в том числе сточных вод производств), получение органических кислот и проч.
  • В пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E526.
  • Как реактив качественной реакции на углекислый газ.
  • Известковое молоко — суспензия гидроксида кальция в воде используется для рафинирования сахара в сахарном производстве.
  • Для приготовления смесей для борьбы с болезнями и вредителями растений, например, входит в состав классического фунгицида — бордоской жидкости.
  • В стоматологии для дезинфекции корневых каналов зубов.
  • В электротехнике — при устройстве заземления в грунтах с высоким электрическим сопротивлением — в качестве добавки в грунт, для снижения удельного электрического сопротивления грунта.

Технология выплавки силикокальция марок СК10 и СК15

Выплавку силикокальция ведут в закрытой печи мощностью 3,5 МВ-А с вращающейся ванной и угольной футеровкой при рабочем напряжении 127 В. Шихту рас­считывают, исходя из следующих условий использования кремния ферросилиция: используется на восстановление 15%, переходит в сплав 55%, окисляется кислородом воздуха 20%, взаимодействует с железными стержнями, используемыми для перемешивания, 10%. Избыток извести принимается равным 10%, расход плавикового шпата 15 кг на 100 кг ферросилиция.

Расчетный состав колоши шихты следующий: 200 кг извести, 196 кг ферросилиция, 30 кг плавикового шпата. Оптимальное отношение в шихте СаО и свободного крем­ния колеблется в пределах 1,7—2. Увеличение этого значения приводит к повышению содержания в сплаве каль­ция и снижению содержания железа. Сплав становится более легким, дуга начинает гореть непосредственно на сплаве, что приводит к увеличению потерь кальция и кремния, снижению используемой мощности печи, ухуд­шению отделения сплава от шлака и, следовательно, к увеличению потерь сплава с шлаком. Плавиковый шпат уменьшает плотность шлака и улучшает разделение сплава и шлака, что сокращает угар и потери сплава.

Процесс плавки — периодический с полным проплав­лением шихты. На плавку в течение 2 ч заливают 12 ко­лош шихты. Расход электроэнергии на колошу шихты составляет 380—420 кВт-ч. Нормальная работа: печи характеризуется устойчивым электрическим режимом и содержанием в сплаве 16—19% Са. Шлак выходит из печи равномерно и при остывании рассыпается.

Пониженное содержание кальция в сплаве объясня­ется избытком ферросилиция в шихте или низким содержанием СаО в извести. Высокое содержание кальция в сплаве является следствием недостатка восстановителя. Это сопровождается уменьшением зоны плавления и всплыванием части сплава над шлаком, что приводит к возрастанию потерь сплава.

Сплав и шлак выпускают из печи одновременно че­тыре раза в смену в ковш, футерованный графитовой плиткой с теплоизоляционным слоем из шамотного кир­пича, и после тщательного удаления шлака разливают в чугунные изложницы. После остывания сплав дробят, очищают и пакуют в металлические барабаны. Шлак со­держит 63—68% CaO, 30—33% SiO2 и 2—5% корольков сплава.

Выплавку 15%-ного силикокальция углетермическим способом осуществляют в открытой печи мощностью 15 МВ-А. Колоша шихты состоит из 220 кг кварцита, 85 кг коксика, 50 кг древесного угля, 30 кг каменного угля, 55 кг железной стружки. Плавку ведут непрерывным процессом.

Наблюдаются определенные затруднения в работе летки и при разливке сплава вследствие выхода большого количества жидкого шлака. Сплав имеет повышенное содержание алюминия (~1%) и углерода и загрязнен шлаковыми включениями. Шлак содержит 20% SiO2, 45% CaO, 30% CaC2 и др. Сложность технологии и низкие общие технико-экономические показатели делают проблематичной рентабельность такого производства.

Сплав примерно такого же состава может быть получен значительно проще и дешевле путем смешения в ковше жидкого силикокальция и 18%-ного ферросилиция. Ниже приведен расход материалов и электроэнергии на 1 т при выплавке сплавов кальция различными методами: