Кальций

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
20 КалийКальцийСкандий
Mg

Ca

Sr
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
20Ca
Cubic-face-centered.svg
Electron shell 020 Calcium.svg
Внешний вид простого вещества
Кальций в пробирке
Умеренно твёрдый[1], серебристо-белый металл
Свойства атома
Название, символ, номер

Ка́льций/Calcium (Ca), 20

Атомная масса
(молярная масса)

40,078(4)[2] а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[Ar] 4s2

Радиус атома

197 пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

174 пм

Радиус иона

(+2e) 99 пм

Электроотрицательность

1,00 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

−2,76 В

Степени окисления

2

Энергия ионизации
(первый электрон)

 589,4 (6,11) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

1,55 г/см³

Температура плавления

1112 K

Температура кипения

1757 K

Уд. теплота плавления

9,20 кДж/моль

Уд. теплота испарения

153,6 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

25,9[3] Дж/(K·моль)

Молярный объём

29,9 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

кубическая гранецентрированная

Параметры решётки

5,580 Å

Температура Дебая

230 K

Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) (201) Вт/(м·К)

20
Кальций
Ca
40,078
4s2

Ка́льций — элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 20. Обозначается символом Ca (лат. Calcium). Простое вещество кальций (CAS-номер: 7440-70-2) — мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

История и происхождение названия[править | править вики-текст]

Название элемента происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis) — «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Хэмфри 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, погруженная 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[править | править вики-текст]

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[4].

Изотопы[править | править вики-текст]

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: Z = 20. Изотопы 4020Ca20 и 4820Ca28 являются двумя из пяти существующих в природе ядер с дважды магическим числом.

Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48Ca, самый тяжелый из шести и весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0,187 %), испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 1,6·1017 лет [5].

В горных породах и минералах[править | править вики-текст]

Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате — анортите Ca[Al2Si2O8].

В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO3). Кристаллическая форма кальцита — мрамор — встречается в природе гораздо реже.

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.

Кальций, энергично мигрирующий в земной коре и накапливающийся в различных геохимических системах, образует 385 минералов (четвёртое место по числу минералов).

Миграция в земной коре[править | править вики-текст]

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:

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

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

Огромную роль играет биогенная миграция.

В биосфере[править | править вики-текст]

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

Получение[править | править вики-текст]

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:

\mathsf{4CaO + 2Al \rightarrow CaAl_2O_4 + 3Ca}

Физические свойства[править | править вики-текст]

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив α-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив β-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартная энтальпия \Delta H^0 перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль.

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[править | править вики-текст]

Кальций — типичный щёлочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем 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:

\mathsf{Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2\uparrow.}

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

\mathsf{2Ca + O_2 \rightarrow 2CaO,}
\mathsf{Ca + Br_2 \rightarrow CaBr_2.}

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:

\mathsf{Ca + H_2 \rightarrow CaH_2,}
\mathsf{Ca + 6B \rightarrow CaB_6,}
\mathsf{3Ca + N_2 \rightarrow Ca_3N_2,}
\mathsf{Ca + 2C \rightarrow CaC_2,}
\mathsf{6Ca + P_4 \rightarrow 2Ca_3P_2.}
\mathsf{2Ca + Si \rightarrow Ca_2Si.}

Кроме получающихся в этих реакциях фосфида кальция Ca3P2 и силицида кальция Ca2Si 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:

\mathsf{CaH_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2\uparrow,}
\mathsf{Ca_3N_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2 + 2NH_3\uparrow.}

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 тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция

\mathsf{CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightleftarrows 2Ca(HCO_3)_2}.

Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землей могут образоваться огромные карстовые полости и провалы, а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» — сталактиты и сталагмиты.

Наличие в воде растворенного 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.

Применение[править | править вики-текст]

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[7].

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[8], поэтому его устойчивость позволяет ему быть достаточно нейтроноизбыточным для лёгкого ядра; при синтезе сверхтяжёлых ядер необходим избыток нейтронов.

Биологическая роль[править | править вики-текст]

Кальций — распространенный 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[9]. 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[10] (содержится примерно в 790 мл молока с жирностью 1 %[11]), а для детей в возрасте от 9 до 18 лет включительно — 1300 мг в сутки[10] (содержится примерно в 1030 мл молока жирностью 1 %[11]). 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[12]. 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, апельсины, зелень, орехи. В «молочных» продуктах на основе молочного жира (сливочном масле, сливках, сметане, мороженом на основе сливок) кальция практически не содержится. Чем больше в молочном продукте молочного жира, тем меньше в нём кальция. Всасывание кальция в кишечнике происходит двумя способами: чрезклеточно (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).

Усвоению кальция препятствуют некоторые животные жиры[13] (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)[14]. В виде этого мыла со стулом теряется как кальций, так и жир. Этот механизм ответственен за снижение всасывания кальция[15][16][17], снижение минерализации костей[18] и снижение косвенных показателей их прочности[19][20] у младенцев при использовании детских смесей на основе пальмового масла (пальмового олеина). У таких детей образование кальциевых мыл в кишечнике ассоциируется с уплотнением стула[21][22], уменьшением его частоты[21], а также более частым срыгиванием[23] и коликами[20].

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[24] (около 340 г сыра Эдам[25]).

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Твёрдость по Бринеллю 200-300 МПа
  2. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  3. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 293. — 671 с. — 100 000 экз.
  4. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  5. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. — 2-е изд., испр. — М.-Л.: Химия, 1966. — Т. 1. — 1072 с.
  6. Газета. Ру: Элементы под давлением
  7. Кальций — статья из Большой советской энциклопедии
  8. Shell Model of Nucleus
  9. Institute of Medicine (US) Committee to Review Dietary Reference Intakes for Vitamin D and Calcium; Ross AC, Taylor CL, Yaktine AL, Del Valle HB, editors (2011). «Dietary Reference Intakes for Calcium and Vitamin D» (National Academies Press (US)). PMID 21796828.
  10. 1 2 U.S. Department of Agriculture and U.S. Department of Health and Human Services Dietary Guidelines for Americans, 2010. — 7th. — Washington, DC: U.S. Government Printing Office. — P. 76.
  11. 1 2 U.S. Department of Agriculture National Nutrient Database for Standard Reference. Проверено 29/12/2012. Архивировано из первоисточника 5 января 2013.
  12. Greer FR, Krebs NF; American Academy of Pediatrics Committee on Nutrition (Feb 2006). «Optimizing bone health and calcium intakes of infants, children, and adolescents». Pediatrics 117 (2). PMID 16452385.
  13. Southgate DA, Widdowson EM, Smits BJ, Cooke WT, Walker CH, Mathers NP (1969). «Absorption and excretion of calcium and fat by young infants». Lancet 293 (7593): 487-9. PMID 4179570.
  14. Holt LE, Tidwell HC, Kirk CM, Cross DM, Neale S (1935). «Studies in fat metabolism: I. Fat absorption in normal infants». J Pediatr 6 (4): 427-80.
  15. Nelson SE, Frantz JA, Ziegler EE (1998). «Absorption of fat and calcium by infants fed a milk-based formula containing palm olein». J Am Coll Nutr 17 (4): 327-32. PMID 9710840.
  16. Nelson SE, Rogers RR, Frantz JA, Ziegler EE (1996). «Palm olein in infant formula: absorption of fat and minerals by normal infants». Am J Clin Nutr 64 (3): 291-6. PMID 8780336.
  17. Ostrom KM, Borschel MW, Westcott JE, Richardson KS, Krebs NF (2002). «Lower calcium absorption in infants fed casein hydrolysate- and soy protein-based infant formulas containing palm olein versus formulas without palm olein». J Am Coll Nutr 21 (6): 564-9. PMID 12480803.
  18. Koo WW, Hammami M, Margeson DP, Nwaesei C, Montalto MB, Lasekan JB (2003). «Reduced bone mineralization in infants fed palm olein-containing formula: a randomized, double-blinded, prospective trial». Pediatrics 111 (5 Pt 1): 1017-23. PMID 12728082.
  19. Litmanovitz I, Davidson K, Eliakim A, Regev RH, Dolfin T, Arnon S, Bar-Yoseph F, Goren A, Lifshitz Y, Nemet D (2012). «High Beta-Palmitate Formula and Bone Strength in Term Infants: A Randomized, Double-Blind, Controlled Trial». Calcified Tissue International 92 (1): 35–41. DOI:10.1007/s00223-012-9664-8. ISSN 0171-967X.
  20. 1 2 Litmanovitz I, Davidson K, Eliakim A, Regev R, Dolfin T, Bar-Yoseph F, et al. (2011). «The effects of infant formula beta-palmitate structural position on bone speed of sound, Anthropometrics and infantile colic: A double-blind, Randomized control trial.». Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition [Internet] 52: E215–6.
  21. 1 2 Lloyd B, Halter RJ, Kuchan MJ, Baggs GE, Ryan AS, Masor ML (1999). «Formula tolerance in postbreastfed and exclusively formula-fed infants». Pediatrics 103 (1): E7. PMID 9917487.
  22. Carnielli VP, Luijendijk IH, Van Goudoever JB, Sulkers EJ, Boerlage AA, Degenhart HJ, Sauer PJ (1996). «Structural position and amount of palmitic acid in infant formulas: effects on fat, fatty acid, and mineral balance». J Pediatr Gastroenterol Nutr 23 (5): 553-60. PMID 8985844.
  23. Vandenplas Y, Gutierrez-Castrellon P, Velasco-Benitez C, Palacios J, Jaen D, Ribeiro H et al. (2013). «Practical algorithms for managing common gastrointestinal symptoms in infants.». Nutrition 29 (1): 184-94. PMID 23137717. Проверено 2012-12-21.
  24. Institute of Medicine (US) Committee to Review Dietary Reference Intakes for Vitamin D and Calcium; Ross AC, Taylor CL, Yaktine AL, Del Valle HB, editors (2011). «Dietary Reference Intakes for Calcium and Vitamin D» (National Academies Press (US)). PMID 21796828.
  25. U.S. Department of Agriculture National Nutrient Database for Standard Reference. Проверено 29/12/2012. Архивировано из первоисточника 5 января 2013.

Литература[править | править вики-текст]

  • Доронин. Н. А. Кальций, Госхимиздат, 1962. 191 стр. с илл.

Ссылки[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «кальций»