Место кальция в таблице Менделеева: его физические и химические свойства и роль в природе
Кальций – агрессивный металл. В свободном виде в природе его не встретить. Это обусловлено высокой химической активностью. При этом он является одним из наиболее распространенных и жизненно важных макроэлементов.
История открытия
Люди использовали известь в строительстве с древних времен. Могила Тутанхамона оштукатурена гипсом. Нагрев известняка позволял применять его как строительный раствор. В 1746 г. встречается первое упоминание о чистом оксиде. Но попытки отделить кальций от извести не увенчались успехом.
В 1808 г. химик Хэмфри Дэви проводил опыты разложения вещества на составные части. С их помощью он выделил металлический кальций. Так был открыт этот элемент.
Смесь влажной гашеной извести и оксид ртути на платиновой пластине подвергли электролизу. Этот состав представлял собой анод.
Платиновую проволоку погрузили в жидкую ртуть. Она выступала катодом. Благодаря окислительно-восстановительному процессу образовалась амальгама.
Дэви убрал из сплава кальция со ртутью второе вещество и получил чистый компонент, которому химик дал название «сalx» (с латинского переводится как «мягкий камень»).
В 1855 г. окислительно-восстановительному процессу подвергли расплавленный хлористый кальций. В результате получили также чистое вещество. Эти методы нельзя было использовать для производства в промышленных масштабах.
В 1896 г. придуман способ получения металла с помощью технологии вакуумно-термического восстановления оксида. Далее разработали алюминотермический метод получения элемента.
Кальций в таблице Менделеева
В основе периодической таблицы Менделеева лежит атомный вес элементов. Кальций занимает в ней 20 место. Атомная масса кальция равна 40,078. Обозначается он латинскими буквами Са (Calcium). Располагается в 4 периоде, 2 группе главной подгруппе.
Кальций – это металл. Имеет валентность 2, что характеризует способность атома создавать химические связи.
Строение атома
Атом состоит из ядра и 4 оболочек. Ядро включает в себя 20 протонов и 20 нейтронов. Имеет положительный заряд. 20 электронов движутся по 4 оболочкам:
- первый внутренний s-уровень содержит 2 электрона;
- второй и третий внутренние sp-уровни содержат по 8 электронов;
- четвертый внешний s-уровень – 2 спаренных электрона.
Функция восстановления реализуется в соединениях атома. В процессе вещество отдает 2 электрона.
Физические свойства
Кальций имеет серебристо-серый цвет. Сохраняет кубический гранецентрированный вид решетки до температуры 443°С. После превышения этого значения возникает кубический объемно-центрированный вид решетки.
Основные свойства:
- Плавление – при 842°С.
- Кипение – при 1484°С.
- Плотность – 1,55 г/см³.
При нормальных условиях характерны твердое агрегатное состояние, хорошая электро- и тепловодность. Постепенное повышение давления позволяет получить свойства полупроводника. Но возникают лишь признаки, полупроводником кальций не становится.
Дальнейший рост давления способствует восстановлению металлических свойств. Возникает эффект сверхпроводимости, по своему уровню превышающий в несколько раз показатели, свойственные остальным элементам таблицы.
Химические свойства
Элемент относится к группе щелочноземельных металлов. Легко вступает в реакцию с парами воды, углекислым газом, кислородом. Это делает поверхность тускло-серой. Вследствие этого в лабораторных условиях его хранят в плотно закупоренном резервуаре. Сверху покрывают жидким парафином или керосином.
Свойства:
- Вступает в реакцию с водой без образования пламени.
- При нормальных условиях реагирует на активные неметаллы.
- Воспламенение происходит за счет нагрева при взаимодействии с воздухом.
- При нагревании также реагирует на менее активные неметаллы.
- При обычных условиях вступает в реакцию с кислородом и галогенами.
Оксид кальция образуется при нагреве свыше 300°С на открытом воздухе. В результате реакции образуются фосфиды и силициды. В процессе взаимодействия выделяется большое количество тепла.
Степень окисления +2 при взаимодействии с неметаллами. Соли металла растворимые в воде:
- хлорид;
- бромид;
- йодид;
- нитрат.
В воде не растворяются:
- оксалат;
- фторид;
- ортофосфат;
- карбонат;
- сульфат.
Гидрокарбонат растворяется в воде. На скорость реакции влияет температура воды:
- При взаимодействии с холодной – реакция протекает медленно.
- С горячей – процесс происходит быстро, образуются гидрооксид и водород.
Элемент вступает в реакцию с кислотами. Разбавленная соляная кислота при взаимодействии с веществом образует:
- хлорид;
- водород.
При слабой концентрации азотной кислоты получается нитрат кальция, нитрат аммония и вода. Металл способен реагировать на газ аммиака при температуре 600-650°С. В процессе взаимодействия получается:
- нитрид;
- гидрид кальция.
При реакции с жидким аммиаком образуются амид кальция и водород. Реакция не будет происходить без катализатора (платины).
Взаимодействие металла с разбавленной азотной кислотой приводит к образованию:
- нитрата кальция;
- оксида азота;
- воды.
Вещество обладает восстановительными свойствами. Металл способен отделять от оксидов кислород или от галогенидов галоген. Это свойство обуславливает и способность реагировать со всеми неметаллами.
При воздействии температуры от 200°С до 450°С в совокупности с азотом образуется нитрид.
Уравнение реакции кальция с азотом выглядит таким образом:
- 3Са+N2=Ca3N2.
Реакция вещества с водородом происходит при температуре в диапазоне от 500°С до 700°С. В процессе взаимодействия образуется гидрид.
При нормальных условиях вещество вступает в реакцию с фтором. В результате получается фторид кальция. При воздействии на металл температуры 150°С в совокупности с серой получается сульфид. Фосфид элемента возникает в реакции с фосфором при температуре от 350°С до 450°С.
При взаимодействии металла с графитом при температуре 550°С получается карбид. Массовая доля кальция в этом соединении равна 62,5%.
Кальций в природе
В природе находится в виде карбоната, сульфата и фосфата. Карбонат имеет вид:
- мрамора;
- известняка;
- мела;
- сталактитов;
- сталагмитов.
Известняк по количествам залежей занимает площадь 40 миллионов км².
В земной коре кальций составляет 3%. Он образует различные породы, в составе которых находится карбонат. Породы имеют органическое происхождение.
В природе вещество встречается в виде смеси различных изотопов. Их отличие состоит в массовых числах. Изотопы с массовым числом 40 встречаются в природе в количестве 97% от общего количества. Массовое число 45 характеризует вещество как радиоактивное.
В воде содержится в виде солей. В речной – имеет вид бикарбоната. Попадая в теплую морскую воду, кислый карбонат трансформируется в среднюю соль. Она выпадает в виде осадка. Это приводит к образованию пластов известняка, которые носят название осадочных пород хемогенного происхождения.
На образование известняка в воде влияет участие живых организмов. После гибели простейших на дне водоемов образуются залежи мела и ракушечника.
Происхождение мрамора обусловлено процессами горообразования и землетрясениями. В результате этих явлений залежи со дня водоемов поднимались на поверхность и уплотнялись.
Применение
Природные соединения элемента используются для производства:
- цемента;
- извести;
- гипса.
Мрамор применяется для отделки зданий. Мел востребован как побелочный материал. Известняк позволяет трансформировать тугоплавкие примеси железной руды в более легкоплавкие шлаки. Так вещество участвует в процессе производства чугуна.
Металлический кальций используется для производства металлотермическим способом:
- урана;
- тория;
- рубидия;
- титана;
- цезия;
- циркония.
Хлорная известь известна своими дезинфицирующими свойствами. Он получается в процессе смешивания хлорида и гипохлорита. Смесь обладает высокими окислительными свойствами.
Сульфат в виде гипса применяется при строительстве, в медицине, для изготовления художественных изделий. Хлорид востребован дорожными службами. С помощью него убирается лед с дороги.
Фторид применяется как оптический материал. Глюконат кальция – в медицине как минеральная добавка.
Кальций непосредственно участвует в жизни человека. Он присутствует в тканях растений, животных, выполняет в организме разнообразные функции. Актуальность использования металла растет с каждым днем, что обусловлено его уникальными свойствами.
А что Вам известно о кальции? Добавляйте статью в закладки и делитесь ею в социальных сетях.
Предлагаем посмотреть интересный видео рассказ о кальции, о его свойствах, применении и многом другом.
Источники:
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Кальций
- https://allmetalls.ru/ca.html
- http://www.mining-enc.ru/k/kalcij
- https://melscience.com/RU-ru/articles/himicheskie-i-fizicheskie-svojstva-kalciya-ego-vza
Отзывы и комментарии