Химический элемент кальций (Са) - строение, характеристика и основные свойства металла

История открытия

Считается, что кальций был известен человеку еще с древних времён. В Древнем Риме, в Месопотамии и других цивилизациях Востока с использованием гашеной и негашеной извести возводили массивные и долговечные здания и сооружения. Но в чистом виде этот микроэлемент удалось получить лишь в XIX веке. Английский химик Гемфри Дэви в 1808 году проводил опыты и путём электролизации гашеной извести получил оксиды ртути, из которой выплавил новый металл, названный кальцием.

Ученый смог определить молярную формулу, вычислить уравнение и степень валентности этого микроэлемента.

В последующем человек научился получать чистый кальций путем использования различных технологий. Проведенные в последующем исследования показали, что этот микроэлемент содержится в большом количестве в земле, причём по мере приближения к ядру его массовая доля увеличивается. Он находится в различных горных породах, но в чистом виде в природе не встречается.

Нахождение в природе

Считается, что кальций — это один из самых распространённых элементов на Земле. Его общая доля составляет 3,38% всей массы коры. Однако из-за высокой активности его большая часть содержится в составе различных оксидов. Также он встречается в горных породах, в том числе в граните, различных силикатах и алюмосиликатах. В осадочных породах это соединение представлено в виде известняка, мела и различных минералов.

Природными источниками являются:

• доломит;
• флюорит;
• кальцит;
• гипс;
• алебастр;
• апатиты.

Также широко распространены в природе минералы кальция, в том числе ангидрид, известняк, доломит, апатиты и флюорит. Соли этого элемента содержатся в пресной или морской воде, определяя её показатели жесткости.

Экспериментальным путем установлено, что кальций входит в состав различных живых организмов, в том числе в костную ткань позвоночных видов, к которым относится человек. Из карбоната состоят жёсткие панцири и раковины различных беспозвоночных, скорлупа яиц птиц с пресмыкающимися.

Характеристики вещества

В естественных условиях кальций представляет собой металл с характерным серебристо-белым цветом. Он имеет высокую химическую активность, поэтому часто образует множество различных классов и всевозможных соединений с оксидами. Этот элемент представляет большую ценность для промышленного и технического химического синтеза, он необходим для правильной жизнедеятельности большинства живых видов на планете Земля. По своим физическим свойствам кальций относится к категории щелочноземельных, он отлично растворяется в воде, в особенности много этого соединения содержится в морской воде.

Его химические и физические характеристики зависят от особенностей схемы кристаллической решетки этого элемента. Строение атома кальция стандартно и отличается простотой. В зависимости от содержащихся в нем примесей, строение решетки этого микроэлемента может быть объемно-центрическим или кубическо-гранецентрическим. За счёт наличия металлического типа связи в молекуле обеспечивается максимально возможная прочность такого соединения.

Основные свойства:

• способность быстро окисляться на воздухе;
• образует многочисленные оксиды;
• применяется в восстановительных реакциях редкоземельных металлов.

Характеристики и химические свойства кальция могут изменяться в зависимости от наличия примесей и температуры окружающей среды. В обычных условиях этот металл имеет агрегатное твердое состояние. Его температура плавления составляет 842 градусов по Цельсию. Он является отличным тепло и электропроводником. Он реагирует на изменения показателей давления, которое модифицирует конфигурацию и положение его атомной решетки. При нагревании выше температуры плавления металл становится жидким, в последующем теряет свои свойства и переходит в парообразное состояние. Температура кипения составляет 1448 градусов.

Опытным путем установлена крайне интересная способность этого элемента. Под воздействием высокого давления это соединение теряет свою способность электропроводимости и другие характеристики кальция.

Однако в последующем после остывания все параметры восстанавливаются при этом отмечаются признаки сверхпроводника, которые в несколько раз превышают аналогичные показатели других элементов. Подобное делает кальций перспективным материалом при изготовлении микрочипов и изделий точной электроники.

Основные способы получения

Кальций обладает повышенной активностью, поэтому часто входит в различные соединения с другими элементами. Именно по этой причине длительное время не удавалось получить чистый материал без содержания различных примесей. Только лишь в начале XIX века англичанину Гемфри Дэви удалось путем электролиза синтезировать металл без содержания примесей. Ученый смог обнаружить взаимодействие электрического тока и расплавов солей с твердыми минералами.

Даже сегодня по прошествии стольких лет технология электролиза солей является наиболее востребованной, что объясняется её простотой и эффективностью. В металлургии применяется способ алюминотермии, который позволяет получить металл с чистотой порядка 98%. Развитие технологий и методов получения этого металла ограничено тем фактом, что такой процесс является ресурсоемким, требуя большого количества тепловой энергии и электрического тока огромной мощности.

Чистый металл хранят в герметичных емкостях с ограниченным доступом кислорода. Для предупреждения реакции с кислородом и водой кальций заливают слоем специальной жидкости (керосином или жидким парафином), что позволяет осуществлять транспортировку и длительное хранение этого металла, предупреждая его окисление и потерю химической чистоты.

На открытом воздухе кальций быстро начинает взаимодействовать с углекислым газом и кислородом, покрываясь характерным темным налетом.

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.