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
Кальций по распространенности в земной коре занимает пятое место и составляет 3% массы земной коры. Соли кальция растворены в водах рек, озер, морей и океанов, входят в состав почв, растений, животных. В теле взрослого человека ~ 1 кг кальция. Широко распространенные и буквально лежащие на поверхности минералы кальция (ими покрыто ~ 40 миллионов квадратных километров суши) как строительный материал употребляли, видимо, еще в доисторические времена. Применяемый и сегодня в строительстве «известковый раствор» — смесь гидроксида кальция Са(ОН)2 с песком — египтяне использовали как связующий материал уже свыше 4000 лет назад. Соединения кальция— химическая основа современной промышленности строительных материалов. Они входят в состав извести, цемента, бетона. А с «малотоннажного» примел нения соединений кальция каждый начинает свой день. Неважно при этом: предпочитаете вы зубной порошок или зубную пасту — основой их обоих является карбонат кальция СаСО3. Кстати, основу наших зубов, как и других костей, тоже составляют кальциевые соли. В основном из СаС03 состоит и скорлупа яйца, съедаемого многими на завтрак.
Формула СаСO3 отражает основной состав минерального кальциевого сырья — кальцита, известняка, мела. Тот же состав у мрамора, исландского шпата, роданита. Доломит — смешанный карбонат кальция и магния — упоминался ранее в рассказе о магнии. Гораздо меньше, чем карбоната кальция, но все равно очень много в природе сульфатных минералов кальция— ангидрита CaS04 и гипса CaSO4*2H2O. Значительно меньше распространен, но ценен и как сырье для получения плавиковой кислоты, так и сам по себе флуорнт, или плавиковый шпат CaF2. Из других минералов кальция, еще более редких и используемых как красивый материал для декоративных, художественных и ювелирных работ, можно назвать алебастр («альвастр»), кораллы, перламутр (все — СаСO3), селенит (тонковолокнистый гипс). Из смешанных минералов — глазурит, который широко использовали для внутренней отделки дворцов и храмов. Очень эффектен он, например, в отделке Исаакиевского собора. Измельченный лазурит под названием «ляпис-лазурь» издавна использовали как синюю краску, например, при росписи старинных гравюр и икон.
Последним открыт из известных минералов кальция чароит. Завершая сезон геологических работ в районе строительства БАМа, муж и жена Роговы в 1978 г. на берегу реки Чары, в бассейне Лены, нашли каменную глыбу неизвестного минерала. Когда в лаборатории был сделан срез с образцов, после шлифовки обнаружилась красота этого камня — светло-сиренево-фиолетового цвета. Состав этого минерала 5CaO*K2O*NaF*12SiO2. Как и в случае многих иных окрашенных минералов, цвет придают ему малые примеси других соединений. Чарское месторождение пока единственное в мире, а шкатулки и броши из чароита не уступают по красоте изделиям из малахита.
Среди семейства кальциевых минералов есть и драгоценные камни: жемчуг (СаСO3), зеленый уваровит (3CaO*Cr2O3*3SiO2), зеленоватый гранат или гроссуляр (3CaO*AI2O3*3SiO2). Из этих редких минералов кальция жемчуг, перламутр и коралл — биологичевкого происхождения. Однако и огромные залежи известняков, меловые горы, как и месторождения мрамора, образовались с участием живых организмов. Вооружившись пинцетом и увеличительным стеклом, в любых образцах известняка и природного мела вы сами можете обнаружить остатки мельчайших организмов, строивших свои скелеты и панцири из карбоната кальция. Погибая и опускаясь на дно водоемов, они за долгие тысячелетия образовали мощные пласты карбоната кальция. Моря отступали, сдвиги земной коры поднимали эти пласты, и возникали горы. Но ветер влага и углекислый газ снова их разрушали. Обратимая реакция
СаСO3+СO2+Н2О = Са(НСO3)2
Как камень, прочные пласты открыла для кальция возможность странствования по нашей планете. Гидрокарбонат кальция Са(НСO3)2 растворим и с водами рек снова попадает в моря и океаны, используется иглокожими, кораллами, моллюсками и др. для построения панцирей, оболочек, скелетов и т. д. В разных залежах известняк может иметь раз- личные цвета и оттенки — ведь он все-таки не чистый СаСОз, каким является мел. Чаще всего встречается известняк светлых тонов. Долгое время известняк широко использовался как строительный камень.
Ушли моря и обнажились, Каменотес мог им гордиться. Любимый камень прежних лет.
И в них, как цементом схватились И белокаменной столицей
Скелеты, панцири, щиты Теперь из камня редко строят. А обжигают известняк. Из жженой извести готовят Строительных растворов ряд. Москва слыла за камня цвет. Остатки раковин, моллюсков, Кораллов каменный скелет На дне морей скоплялся густо, Слежавшись за миллионы лет.
Другой природный карбонат кальция, многоцветный мрамор, так и остался материалом для декоративной отделки различных строительных сооружений, жилых зданий, залов метро и т. д.
По формуле, как ни смотри, Они не разнятся никак. Все те же кальций це о три, Как мрамор, так и известняк. Но внешне мрамор красотой С древнейших лет был знаменит.
Получение
Основным промышленным процессом в получении кальция является электролиз расплава его хлорида СаСl2 Электролизер представляет собой печь с внутренней графитовой обкладкой, нагреваемую электрическим током и охлаждаемую снизу водой. В печь загружается хлорид кальция, а электродами служат железный катод и графитовые аноды. Процесс ведут при напряжении 20—30 В, сила тока до 1000 А и возможно более низкой температуре. Благодаря относительно невысокой температуре графитовая обкладка все время остается покрытой защитным слоем твердой соли.
расплавленный
При выплавке этого металла имеются две принципиальные трудности. Во-первых, жидкий металлический кальций растворим в расплаве своего хлорида (до 17 %), во-вторых,
кальций моментально окисляется на воздухе. Поэтому применяют так называемый «катод касания». Температуру поддерживают 800 °С, т. е. выше температуры плавления хлорида кальция (780°С), но ниже температуры плавления металла (851°С). Катод только касается поверхности расплава. В зоне касания создается перегрев до 850°С. На катоде выделяется расплавленный металл, который тут же застывает. По мере наращивания металла катод поднимают и, когда длина полученной штанги достигает ~ 500 мм, катод заменяют.
Дополнительная очистка полученного металла состоит в перегонке в вакууме. Последнее время все шире используют электролизеры с медным жидким катодом. Образующийся сплав меди с кальцием обладает большей плотностью, чем электролит — расплав хлорида кальция, и собирается на дне электролизера. После достижения концентрации кальция в сплаве 60—65% его отгоняют из сплава в электропечах под вакуумом при температуре около 1000°С. Полученный этим способом кальций содержит значительно меньше примесей. Для получения кальция иногда применяют и алюмотермический метод. Этот процесс схематически можно выразить следующим уравнением:
14СаО+6Аl = 5СаО • ЗАl2O3+9Са
В качестве исходного сырья в этом методе используют обычный известняк, который при нагреве разлагается на СаО и СO2. Процесс ведут при температуре ~1160°С в вакууме. Образующийся парообразный кальций собирается в жидком виде в конденсаторах-охладителях.
Физические свойства
Кальций — легкий металл, его плотность (1,54 г/см3) приближается к плотности щелочных металлов. Она практически та же, что и у левого нижнего его соседа, рубидия. Сходен со щелочными металлами кальций и своей неустойчивостью на воздухе. Оксидная пленка не защищает поверхность кальция от дальнейшего окисления и других реакций.
Химические свойства
Кальций непосредственно соединяется со всеми неметаллами: с кислородом, фтором, хлором и бромом при обычной температуре, с азотом, водородом, серой, фосфором при нагреве, а с углеродом, кремнием и бором при прокаливании.
С холодной водой кальций взаимодействует сначала быстро. Затем реакция замедляется из-за образования на поверхности металла пленки малорастворимого гидроксида Са(ОН)2. С горячей водой кальций реагирует очень энергично. С разбавленными кислотами кальций реагирует бурно, с сильным разогревом раствора и образованием соответствующих солей. Восстановительные свойства кальция настолько сильны, что он, подобно магнию, продолжает гореть даже в атмосфере углекислого газа.
2Са + СO2 =2СаО + С
Он восстанавливает многие металлы и из сульфидов, галогенидов; с его помощью получают, например, чистый уран из тетрафторида урана:
UF4+2Ca = U + 2CaF2
Сам же кальций вытесняется из соединений лишь наиболее активными металлами, например, алюминием
По своим восстановительным свойствам кальций — наилучший восстановитель. Способность кальция прочно связывать кислород определяет его использование для металлотермического получения некоторых легких и ценных (бериллий, ванадий, торий, уран) металлов.
Основное количество металлического кальция используется именно для этих целей. Однако в крупнотоннажных металлотермическнх производствах предпочтение отдается более дешевому магнию («магниетермия»). Кальций же применяют как добавку при выплавке специальной высокосортной стали, медных и никелевых сплавов. Растворяясь в расплаве, кальций выводит нежелательные примеси:
MeS + Ca = CaS + Me
как и другие щелочноземельные металлы, кальций используют в электровакуумном производстве.
Изотопы
Природный кальций на 99% состоит из изотопов с массовыми числами 40 (97%) и 44 (2%). Массовые числа других изотопов 42, 43, 46, 48
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, торий и уран. 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 получении редкоземельных элементов.
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, поэтому его устойчивость позволяет ему быть достаточно нейтроноизбыточным для лёгкого ядра; при синтезе сверхтяжёлых ядер необходим избыток нейтронов.
|