Русская Википедия:Кальций

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

  1. REDIRECT CaШаблон:Карточка химического элемента

Шаблон:Элемент периодической системы Ка́льций (химический символ — Ca, от Шаблон:Lang-la) — химический элемент 2-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы, IIA), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 20.

Простое вещество кальций — это умеренно твёрдый[1], очень лёгкий химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

Впервые получен в чистом виде Г. Дэви в 1808 году.

Кальций относится к числу жизненно важных элементов для организмов. Шаблон:-

История и происхождение названия

Название элемента происходит от Шаблон:Lang-la (в родительном падеже calcis) — «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Гемфри Дэви, в 1808 г. выделившим металлический кальций электролитическим методом. Дэви подверг электролизу смесь влажной гашёной извести с оксидом ртути HgO на платиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погружённая в жидкую ртуть. В результате электролиза получалась амальгама кальция. Отогнав из неё ртуть, Дэви получил металл, названный кальцием.

Соединения кальция — известняк, мрамор, гипс (а также известь — продукт обжига известняка) применялись в строительном деле уже несколько тысячелетий назад. Вплоть до конца XVIII века химики считали известь простым телом. В 1789 году А. Лавуазье предположил, что известь, магнезия, барит, глинозём и кремнезём — вещества сложные.

Нахождение в природе

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 после кислорода, кремния, алюминия и железа). Содержание элемента в морской воде — 400 мг/л[2].

Изотопы

Шаблон:Main 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: Шаблон:Math. Изотопы Шаблон:PhysicsParticle и Шаблон:PhysicsParticle 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)Шаблон:E лет[3][4][5].

В горных породах и минералах

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].

Файл:Travertine - Calcium-carbonate-encrusted, Plitvice Lakes National Park.jpg
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 коре

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:

<math>\mathsf{CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightleftarrows Ca(HCO_3)_2 \rightleftarrows Ca^{2+} + 2HCO_3^{-}}</math>

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

Огромную роль играет биогенная миграция.

В биосфере

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях (см. ниже). 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).

Физические свойства

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив Шаблон:Math-Ca с кубической гранецентрированной решёткой (параметр Шаблон:Math = 0,558 нм), выше устойчив Шаблон:Math-Ca с кубической объёмно-центрированной решёткой типа Шаблон:Math-Fe (параметр Шаблон:Math = 0,448 нм). Стандартная энтальпия <math>\Delta H^0</math> перехода Шаблон:Math составляет 0,93 кДж/моль. Шаблон:Нет АИ 2.

При постепенном повышении давления начинает проявлять свойства полупроводника, 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 на стронций (то есть параллели в периодической системе сохраняются)[6].

Химические свойства

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+/Ca0 −2,84 В, так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:

<math>\mathsf{Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2\uparrow}</math>

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

<math>\mathsf{2Ca + O_2 \rightarrow 2CaO}</math>
<math>\mathsf{Ca + Br_2 \rightarrow CaBr_2}</math>

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

<chem>Ca + FeCl2 -> CaCl2 + Fe</chem>

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:

<math>\mathsf{Ca + H_2 \rightarrow CaH_2}</math>
<math>\mathsf{Ca + 6B \rightarrow CaB_6}</math>
<math>\mathsf{3Ca + N_2 \rightarrow Ca_3N_2}</math>
<math>\mathsf{Ca + 2C \rightarrow CaC_2}</math>
<math>\mathsf{3Ca + 2P \rightarrow Ca_3P_2}</math>
<math>\mathsf{2Ca + Si \rightarrow Ca_2Si}</math>

Кроме получающихся в этих реакциях фосфида кальция CaШаблон:SubPШаблон:Sub и силицида кальция CaШаблон:SubSi, 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:

<math>\mathsf{CaH_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + 2H_2\uparrow}</math>
<math>\mathsf{Ca_3N_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2 + 2NH_3\uparrow}</math>

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

<math>\mathsf{CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightleftarrows Ca(HCO_3)_2}</math>

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 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 образуется накипь.

Получение

Свободный металлический кальций получают электролизом расплава, состоящего из CaCl2 (75—80 %) и KCl или из CaCl2 и CaF2, а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170—1200 °C <math>\mathsf{4CaO + 2Al \rightarrow CaAl_2O_4 + 3Ca}</math>

Применение

Шаблон:Заготовка раздела

Шаблон:Нет АИ 2. Кальций и его гидрид Шаблон:Нет АИ 2 используются также для получения трудно восстанавливаемых металлов, таких, как хром, торий, уран, титан, цирконий. Шаблон:Нет АИ 2. Чистый металлический кальций Шаблон:Нет АИ 2 применяется Шаблон:Нет АИ 2 при получении редкоземельных элементов[7]. Шаблон:Нет АИ 2.

Кальций широко применяется в металлургии для раскисления стали наряду 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[8]. 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[9]. Шаблон:Нет АИ 2.

Изотоп 48Ca — один из эффективных и употребительных материалов для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементов таблицы Менделеева. Это связано с тем, что кальций-48 является дважды магическим ядром[10], поэтому его устойчивость позволяет ему быть достаточно нейтроноизбыточным для лёгкого ядра; при синтезе сверхтяжёлых ядер необходим избыток нейтронов.

Биологическая роль

Шаблон:Main Кальций — распространённый макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть находится в скелете и зубах. В костях кальций содержится в виде гидроксиапатита[11]. Из различных форм карбоната кальция (извести) состоят «скелеты» большинства групп беспозвоночных (губки, коралловые полипы, моллюски и др.). Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови, а также служат одним из универсальных вторичных посредников внутри клеток и регулируют самые разные внутриклеточные процессы — мышечное сокращение, экзоцитоз, в том числе секрецию гормонов и нейромедиаторов. Концентрация кальция в цитоплазме клеток человека составляет около 10−4 ммоль/л, в межклеточных жидкостях около 2,5 ммоль/л.

Потребность в кальции зависит от возраста. Для взрослых в возрасте 19—50 лет и детей 4—8 лет включительно дневная потребность (RDA) составляет 1000 мг[12], а для детей в возрасте от 9 до 18 лет включительно — 1300 мг в сутки[12]. 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[13]. В сбалансированной диете большая часть кальция (около 80 %) поступает в организм ребёнка с молочными продуктами. Оставшийся кальций приходится на зерновые (в том числе цельнозерновой хлеб и гречку), бобовые, апельсиныШаблон:Нет АИ, зеленьШаблон:Нет АИ, орехи. Всасывание кальция в кишечнике происходит двумя способами: через клетки кишечника (трансцеллюлярно) и межклеточно (парацелюллярно). Первый механизм опосредован действием активной формы витамина 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 способствует лактоза (молочный сахар). Шаблон:Нет АИ 2.

Усвоению кальция препятствуют некоторые животные жиры[14] (включая жир коровьего молока и говяжий жир, но не сало) и пальмовое масло. Содержащиеся в таких жирах пальмитиновая и стеариновая жирные кислоты отщепляются при переваривании в кишечнике и в свободном виде прочно связывают кальций, образуя пальмитат кальция и стеарат кальция (нерастворимые мыла)[15]. В виде этого мыла со стулом теряется как кальций, так и жир. Этот механизм ответственен за снижение всасывания кальция[16][17][18], снижение минерализации костей[19] и снижение косвенных показателей их прочности[20][21] у младенцев при использовании детских смесей на основе пальмового масла (пальмового олеина). У таких детей образование кальциевых мыл в кишечнике ассоциируется с уплотнением стула[22][23], уменьшением его частоты[22], а также более частым срыгиванием[24] и коликами[21].

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 риска остеопороза, а в младенчестве вызывает рахит.

Избыточные дозы кальция и витамина D могут вызвать гиперкальцемию. Максимальная безопасная доза для взрослых в возрасте от 19 до 50 лет включительно составляет 2500 мг в сутки[25] (около 340 г сыра Эдам[26]).

Основные источники кальция в пище

Содержание кальция в продуктах определяется исходя из усреднённой порции для каждого вида пищевого продукта. Помимо собственно содержания кальция важна также его биодоступность. В целом в продуктах животного происхождения содержится больше кальция, чем в растительных. Наибольшее количество кальция содержится в молочных продуктах (но из них усваивается только 27–30 % кальция), консервированной рыбе (за счет съедобных косточек), орехах и семенах (биодоступность кальция в среднем 20 %), 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[27]:

Продукты с наибольшим содержанием кальция[28]
Продукт Стандартная порция Содержание кальция, мг Доля от суточной нормы кальция, %
нежирный йогурт без добавок 227 г (8 весовых унций) 415 32
апельсиновый сок, обогащённый кальцием 200 мл (1 чашка) 349 27
фруктовый нежирный йогурт 227 г 344 27
сыр моцарелла 42,5 г (1,5 унции) 333 26
сардины консервированные в масле с костями 85 г (3 унции) 325 25
обезжиренное молоко и соевое молоко 200 мл 299 23
соевое молоко, обогащённое кальцием 200 мл 299 23
цельное молоко 3,25 % жирности 200 мл 276 21
твёрдый тофу, приготовленный на растворе сульфата кальция 100 мл 253 19
розовый косервированный лосось с костями 85 г 181 14
творог жирностью 1 % 200 мл 138 11
мягкий тофу, приготовленный на растворе сульфата кальция 100 мл 138 11
варёные соевые бобы 100 мл 131 10
отварной шпинат 100 мл 123 9
мягкий замороженный йогурт (ванильный) 100 мл 103 8
отварная свежая зелёная репа 100 мл 99 8
свежая капуста после тепловой обработки 200 мл 94 7
семена чиа 1 столовая ложка 76 6
свежая китайская капуста бок-чой (измельчённая) 100 мл 74 6
консервированная фасоль (без жидкости) 100 мл 54 4
кукурузная лепёшка диаметром 15 см 46 4
маложирная сметана 2 столовые ложки 31 2
цельнозерновой хлеб 1 ломтик 30 2
сырая рубленая капуста 200 мл 24 2
сырая брокколи 100 мл 21 2
яблоко сорта Голден плод среднего размера 10 0

Содержание кальция в молоке сильно зависит от его жирности — в жирном молоке меньше концентрация кальция[28].

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

  • Доронин Н. А. Кальций. — М.: Госхимиздат, 1962. — 191 с.

Ссылки

Шаблон:Wiktionary

Внешние ссылки

  1. ↑ Твёрдость по Бринеллю 200—300 МПа
  2. ↑ Riley J.P. and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965.
  3. ↑ Шаблон:Cite doi
  4. ↑ Шаблон:Cite web
  5. ↑ Шаблон:Книга
  6. ↑ Шаблон:Cite web
  7. ↑ Шаблон:БСЭ3
  8. ↑ Шаблон:Статья
  9. ↑ Шаблон:Статья
  10. ↑ Шаблон:Cite web
  11. ↑ Шаблон:Статья
  12. ↑ 12,0 12,1 Шаблон:Книга
  13. ↑ Шаблон:Статья
  14. ↑ Шаблон:Статья
  15. ↑ Шаблон:Статья
  16. ↑ Шаблон:СтатьяШаблон:Недоступная ссылка
  17. ↑ Шаблон:Статья
  18. ↑ Шаблон:СтатьяШаблон:Недоступная ссылка
  19. ↑ Шаблон:Статья
  20. ↑ Шаблон:Статья
  21. ↑ 21,0 21,1 Шаблон:Статья
  22. ↑ 22,0 22,1 Шаблон:Статья
  23. ↑ Шаблон:Статья
  24. ↑ Шаблон:Статья
  25. ↑ Шаблон:Статья
  26. ↑ Шаблон:Cite web
  27. ↑ Шаблон:Публикация
  28. ↑ 28,0 28,1 Шаблон:Публикация

Шаблон:Выбор языка Шаблон:Периодическая система элементов Шаблон:Ряд Активности Металлов

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Кальций&oldid=10071053