Share This Article
Кальций — это распространенный элемент, часто встречающийся в природе в виде различных соединений, в основном — солей. Скелет любого организма обязан своим существованием этому веществу. Такой важный элемент заслуживает более пристального внимания, поэтому далее будет дана подробная характеристика химического элемента, рассмотрено строение атома кальция.
Признаки
В природе в чистом виде вещество не встречается, определить физические свойства кальция можно только в лабораторных условиях:
- простое состояние — это металл, обладающий твердостью, пластичностью, который легко режется;
- плавится при температуре — 842 С;
- температура кипения — 1482С;
- плотность составляет 1,54 г/см3 при 20;
- модуль упругости — 2600 кгс/мм2;
- предельное значение упругости — 0,4 кгс/мм2;
- твердость по Бринеллю — 20-30 кгс/мм2;
- имеет серебристо-белый оттенок;
- при нагревании загорается, пламя имеет кирпично-красный цвет.
Одной из специфических особенностей является способность изменять свои свойства под давлением. Сначала он теряет металлические качества, проявляя качества полупроводника.
При повышенном давлении металлические свойства возвращаются, элемент приобретает сверхпроводимость. Относится к типу щелочно-земельных металлов.
Атомный порядковый номер элемента — 20. Официально принятое обозначение — Ca (по лат. Calcium).
Каковы химические свойства кальция? Элемент обладает повышенной степенью активности, благодаря чему в чистом виде никогда не встречается. Соединения кальция, напротив, встречаются повсеместно — в составе многочисленных горных пород и организмов. На открытом воздухе происходит быстрая реакция с кислородом или углеводородом, отчего на поверхности элемента возникает серый налет.
С кислотами реагирует бурно, иногда происходит воспламенение. Не менее активно протекает реакция с водой, она сопровождается обильным выделением водорода. Образовавшийся раствор дает щелочную реакцию. Высокая химическая активность кальция, его мгновенное окисление на воздухе вынуждают хранить его в плотно закрытой стеклянной таре, покрытым слоем парафина или под слоем керосина.
С кислородом или галогенами соединяется при обычных условиях. С фосфором, водородом, серой, азотом, углеродом и прочими неметаллическими элементами вступает в химическую реакцию при нагревании, а со фтором реакция идет даже на холоде. С водой взаимодействует активно, с холодной — медленнее, с горячей — очень бурно.
Атомная структура
Рассмотрим строение атома кальция. Ядро несет положительный заряд (+20). Внутри него имеются 20 нейтронов и столько же протонов, вокруг ядра движутся по 4 орбитам 20 электронов, распределенных по 2:8:8:2.
Степень окисления кальция равняется +2. На внешнем энергетическом уровне атом содержит 2 спаренных s-электрона, которые он легко отдает при химических реакциях.
Они определяют валентность элемента. Электронное строение атома кальция: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 (коротко 4s2).
[warning]Внимание! Моль — это определенное (6,02 · 1023) количество молекул. Моль одного вещества имеет массу, отличающуюся от массы моля другого вещества, поскольку строение молекул и, соответственно, их вес будут разными.[/warning]
Молярная масса кальция — это отношение массы вещества к числу молей: Формула, по которой рассчитывается масса в молях:
,Где M — молярная масса.
m — масса вещества.
n — количество моль.
Молярная масса кальция составляет 40,08 г/моль.
Каково отличие атомов от ионов
Ионы — это частицы, образованные при удалении или присоединении электронов к атому. Бывают положительно (катион) или отрицательно (анион) заряженными при потере или получении дополнительных электронов. Могут существовать как в составе молекул химических соединений, так и в самостоятельном виде (плазма, газ или жидкость).
Строение атома кальция отличается от иона. Атом представляет собой нейтральную частицу с одинаковым количеством электронов и протонов. В этом заключается основное отличие атома от иона.
Атом кальция отличается от иона своим зарядом и свойствами. Строение атома кальция таково, что на внешней оболочке находятся 2 электрона, которые могут вступать в различные связи. При соединении элемента 2 внешних электрона переходят на орбиты других атомов, превращая нейтральный атом в положительно заряженный ион Ca++. При этом атом имеет восстановительные свойства, а ион — окислительные.
Главные особенности
В таблице Менделеева элемент помещен во II группу 4 периода главной подгруппы (А), и все без исключения элементы этой группы относятся к щелочноземельным металлам, со всеми соответствующими признаками и свойствами.
В отличие от типичных металлов кальций обладает некоторыми специфическими свойствами. Есть основания предположить, что это неметалл.
При определенных условиях, как было сказано выше, под высоким давлением он утрачивает металлические свойства.
Элемент химически активен, поэтому в природе соединения кальция содержатся в виде солей, главным образом, в составе минералов или отложений земной коры. Также большое количество кальция содержится в морской воде, где его доля составляет около 1 г/л. Тело человека содержит около 1-1,5 кг вещества, причем, большая его часть содержится в костях, обеспечивая их прочность.
Наиболее богаты кальцием осадочные породы:
- мел.
- известняк.
- гипс.
- мрамор.
- доломит.
- апатит.
Все внутрипещерные образования, сталактиты и сталагмиты представляют собой карбонат СаС03. Строение атома позволяет ему активно вступать в реакцию с другими веществами, поэтому количество разнообразных соединений весьма велико.
Элемент является щелочноземельным металлом. поскольку, вступая в реакцию он отдает электроны, то является восстановителем и степень окисления кальция в соединениях +2. У простого элемента степень окисления равна нулю, как и у всех металлов, поскольку у них равномерно распределена электронная плотность. В неорганической химии понятие «степень окисления» часто тождественно понятию «валентность».
Сфера использования
Каково применение кальция? Основное направление — металлургия. Он выполняет роль восстановителя при производстве меди, хрома, нержавеющей стали, урана, никеля, тория.
Для получения редко встречающихся земных элементов металлическую разновидность применяют в металлотермии, причем довольно широко.
Для раскисления стали (удаления кислорода, находящегося в расплаве) используют в составе соединения с алюминием или в качестве отдельного химического элемента.
Кроме того, металлический элемент используется как легирующая добавка, увеличивающая прочность подшипников, ответственных деталей двигателей или летательных аппаратов.
Применяется в нефтеперерабатывающей промышленности для удаления серы, служит для обезвоживания различных органических жидкостей. С его помощью в промышленности производится очистка аргона от азотистых примесей.
Не менее широко используется в медицине, воздействует на многие функции организма, в связи с чем количество элемента постоянно должно пополняться. Кроме того, способствует выводу из организма радионуклидов. Препараты глюконат кальция, хлористый кальций, гипс и другие широко применяются для лечения или профилактики различных заболеваний.
Какую роль играет внутри организма
Имеет важное структурное значение, являясь строительным материалом для твердых покровов, костей, зубов, роговых пластин, копыт животных. Раковины моллюсков практически полностью состоят из кальцинированных соединений. Велика биологическая роль кальция. В организме человека он осуществляет массу функций, участвуя в большинстве жизненно важных процессов:
- регулирует мышечные сокращения, секрецию нейромедиаторов;
- воздействуя на кровеносную систему, регулирует давление;
- принимает активное участие в регулировании свертывания крови и обмена веществ внутри клеток;
- участвует в постоянном обновлении состава костей;
- укрепляет иммунную систему;
- способствует синтезу ферментов и гормонов;
- воздействует на мышцы, регулирует сердечные сокращения;
- влияет на внутриклеточные процессы;
- защищает клетку, регулируя проницаемость мембраны.
Суточное пополнение организма человека кальцием должно составлять не менее 800-1250 мг, предельная норма — 2500 мг/сут.
[stop]Важно! Это единственный элемент, способный нормализовать кислотно-щелочной баланс в организме. Преобладание кислоты вызывает активное образование солей, камней в почках, создаст предпосылки к возникновению сердечно-сосудистых заболеваний.[/stop]
Свойства кальция и его соединений
Химия. Элемент кальций
Заключение
Элемент имеет колоссальное значение в области химии, геологии, биологии, играет важнейшую роль в функционировании живых организмов и активно участвует в общих природных процессах.
