Calciu | ||||
---|---|---|---|---|
← Potasiu | Scandiu → | ||||
| ||||
Aspectul unei substanțe simple | ||||
Probă de calciu în atmosferă de argon | ||||
Proprietățile atomului | ||||
Nume, simbol, număr | Calciu/Calciu (Ca), 20 | |||
Grup , punct , bloc |
2 (învechit 2), 4, s-element |
|||
Masa atomica ( masa molara ) |
40.078(4) [1] a. e. m. ( g / mol ) | |||
Configuratie electronica |
[Ar] 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 |
|||
Raza atomului | ora 197 | |||
Proprietăți chimice | ||||
raza covalentă | ora 174 | |||
Raza ionică | (+2e) 99 pm | |||
Electronegativitatea | 1.00 (scara Pauling) | |||
Potențialul electrodului | -2,76 V | |||
Stări de oxidare | 0, +2 | |||
Energia de ionizare (primul electron) |
589,4 (6,11) kJ / mol ( eV ) | |||
Proprietățile termodinamice ale unei substanțe simple | ||||
Densitate (la n.a. ) | 1,55 g/cm³ | |||
Temperatură de topire | 1112 K; 838,85°C | |||
Temperatura de fierbere | 1757 K; 1483,85°C | |||
Oud. căldură de fuziune | 9,20 kJ/mol | |||
Oud. căldură de evaporare | 153,6 kJ/mol | |||
Capacitate de căldură molară | 25,9 [2] J/(K mol) | |||
Volumul molar | 29,9 cm³ / mol | |||
Rețeaua cristalină a unei substanțe simple | ||||
Structura de zăbrele | Cubic FCC | |||
Parametrii rețelei | 5.580Å _ | |||
Debye temperatura | 230K _ | |||
Alte caracteristici | ||||
Conductivitate termică | (300 K) (201) W/(m K) | |||
numar CAS | 7440-70-2 | |||
Spectrul de emisie | ||||
douăzeci | Calciu |
Ca40.078 | |
4s 2 |
Calciul ( simbol chimic - Ca , din lat. Calciu ) este un element chimic din grupa a 2-a (conform clasificării învechite - subgrupul principal al celui de-al doilea grup, IIA), a patra perioadă a sistemului periodic de elemente chimice din D. I. Mendeleev , cu număr atomic 20.
Substanța simplă calciul este un metal alcalino -pământos reactiv moderat [3] , foarte ușor, de culoare alb-argintiu .
A fost obținut pentru prima dată în forma sa pură de G. Davy în 1808 .
Calciul este unul dintre elementele vitale pentru organism.
Numele elementului provine de la lat. calx (în cazul genitiv calcis ) - „tei”, „piatră moale”. A fost propus de chimistul englez Humphry Davy , care în 1808 a izolat calciul metalic prin metoda electrolitică . Davy a electrolizat un amestec de var stins umed cu oxid de mercur HgO pe o placă de platină , care era anodul . Catodul era un fir de platină scufundat în mercur lichid . Ca rezultat al electrolizei s-a obținut amalgam de calciu . După ce a alungat mercurul din el, Davy a primit un metal numit calciu.
Compușii de calciu - calcar , marmură , gips (precum și var - un produs al arderii calcarului) au fost folosiți în construcții de câteva milenii în urmă. Până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, chimiștii considerau varul un simplu corp. În 1789, A. Lavoisier a sugerat că varul, magnezia , baritul , alumina și silicea sunt substanțe complexe.
Datorită activității chimice ridicate a calciului în formă liberă nu se găsește în natură.
Calciul reprezintă 3,38% din masa scoarței terestre ( locul 5 în abundență după oxigen , siliciu , aluminiu și fier ). Conținutul elementului în apa de mare este de 400 mg/l [4] .
Calciul se găsește în natură sub forma unui amestec de șase izotopi : 40Ca , 42Ca , 43Ca , 44Ca , 46Ca și 48Ca , dintre care cel mai comun - 40Ca - este de 96,97%. Nucleele de calciu conțin numărul magic de protoni: Z = 20 . izotopi40
20Cadouăzeci
și48
20Ca28
sunt două dintre cele cinci nuclee dublu magice care există în natură .
Din cei șase izotopi de calciu existenți în mod natural, cinci sunt stabili. Al șaselea izotop 48Ca , cel mai greu dintre cei șase și foarte rar ( abundența sa izotopică este de doar 0,187%), suferă o descompunere dublă beta cu un timp de înjumătățire de (4,39 ± 0,58)⋅10 19 ani [5] [6] [7 ] ] .
Calciul, care migrează viguros în scoarța terestră și se acumulează în diverse sisteme geochimice, formează 385 de minerale (al patrulea ca număr de minerale).
Majoritatea calciului este conținut în compoziția silicaților și aluminosilicaților diverselor roci ( granite , gneisuri etc.), în special în feldspat - anortit Ca[Al 2 Si 2 O 8 ].
Minerale de calciu precum calcitul CaCO 3 , anhidrita CaSO 4 , alabastru CaSO 4 0,5 H 2 O și gips CaSO 4 2H 2 O, fluorit CaF 2 , apatite Ca 5 (PO 4 ) 3 (F, Cl, OH), dolomit MgCO 3 CaCO3 . _ Prezența sărurilor de calciu și magneziu în apa naturală determină duritatea acesteia .
Rocă sedimentară, constând în principal din calcit criptocristalin - calcar (una dintre soiurile sale este creta ). Sub acţiunea metamorfismului regional , calcarul se transformă în marmură .
În migrarea naturală a calciului, un rol semnificativ îl joacă „echilibrul carbonatic”, asociat cu reacția reversibilă a interacțiunii carbonatului de calciu cu apa și dioxidul de carbon cu formarea de bicarbonat solubil:
(echilibrul se deplasează la stânga sau la dreapta în funcție de concentrația de dioxid de carbon).
Migrația biogenă joacă un rol important.
Compușii de calciu se găsesc în aproape toate țesuturile animale și vegetale ( vezi mai jos ). O cantitate semnificativă de calciu face parte din organismele vii. Deci, hidroxiapatita Ca 5 (PO 4 ) 3 OH, sau, într-o altă intrare, 3Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca (OH) 2 - baza țesutului osos al vertebratelor, inclusiv al oamenilor; coji și cochilii ale multor nevertebrate, coji de ouă etc. sunt compuse din carbonat de calciu CaCO 3. În țesuturile vii ale oamenilor și animalelor, 1,4-2% Ca (prin fracțiune de masă); într-un corp uman cu o greutate de 70 kg , conținutul de calciu este de aproximativ 1,7 kg (în principal în compoziția substanței intercelulare a țesutului osos).
Calciul metalic există în două modificări alotropice . Până la 443 ° C , α -Ca cu o rețea centrată pe fețe cubice este stabil (parametrul a \ u003d 0,558 nm ), β -Ca este stabil deasupra cu o rețea centrată pe corpul cubic de tip α -Fe (parametrul a \ u003d 0,448 nm ). Entalpia standard a tranziției α → β este de 0,93 kJ/mol .
Odată cu o creștere treptată a presiunii, începe să arate proprietățile unui semiconductor , dar nu devine semiconductor în sensul deplin al cuvântului (nu mai este nici un metal). Odată cu o creștere suplimentară a presiunii, revine la starea metalică și începe să prezinte proprietăți supraconductoare (temperatura de supraconductivitate este de șase ori mai mare decât cea a mercurului și depășește cu mult toate celelalte elemente în conductivitate). Comportamentul unic al calciului este similar în multe privințe cu stronțiul (adică se păstrează paralelele din sistemul periodic) [8] .
Calciul este un metal alcalino -pământos tipic . Reactivitatea calciului este mare, dar mai mică decât cea a metalelor alcalino-pământoase mai grele. Reacționează cu ușurință cu oxigenul, dioxidul de carbon și umiditatea din aer, motiv pentru care suprafața calciului metalic este de obicei gri plictisitor, astfel încât calciul este de obicei depozitat în laborator, ca și alte metale alcalino-pământoase, într-un borcan bine închis sub un strat. de kerosen sau parafină lichidă .
În seria potențialelor standard, calciul este situat în stânga hidrogenului . Potențialul electrod standard al perechii Ca 2+ / Ca 0 −2,84 V , astfel încât calciul reacţionează activ cu apa, dar fără aprindere:
Cu nemetale active ( oxigen , clor , brom , iod ), calciul reacţionează în condiţii normale:
Ca și pentru toate celelalte metale, calciul se caracterizează și prin deplasarea metalelor mai puțin active din sărurile lor:
Când este încălzit în aer sau oxigen, calciul se aprinde și arde cu o flacără roșie cu o tentă portocalie („roșu cărămidă”). Cu nemetale mai puțin active ( hidrogen , bor , carbon , siliciu , azot , fosfor și altele), calciul interacționează atunci când este încălzit, de exemplu:
Pe lângă fosfura de calciu Ca3P2 și siliciura de calciu Ca2Si obținute în aceste reacții , sunt cunoscute, de asemenea, fosfuri de calciu din compozițiile CaP și CaP5 și compozițiile de siliciuri de calciu CaSi, Ca3Si4 și CaSi2 .
Cursul reacțiilor de mai sus, de regulă, este însoțit de eliberarea unei cantități mari de căldură. În toți compușii cu nemetale, starea de oxidare a calciului este +2. Majoritatea compușilor de calciu cu nemetale se descompun ușor de apă, de exemplu:
Ionul de Ca 2+ este incolor. Când sărurile de calciu solubile sunt adăugate la flacără, flacăra devine roșu cărămidă.
Sărurile de calciu, cum ar fi clorura de CaCl2 , bromura de CaBr2 , iodura de CaI2 și azotatul de Ca( N03)2 sunt foarte solubile în apă. Fluorura de CaF 2 , carbonatul de CaCO 3 , sulfatul de CaSO 4 , ortofosfatul de Ca 3 (PO 4 ) 2 , oxalatul de CaC 2 O 4 și alții sunt insolubili în apă .
Important este faptul că, spre deosebire de carbonatul de calciu CaCO 3 , carbonatul de calciu acid (hidrocarbonatul) Ca (HCO 3 ) 2 este solubil în apă. În natură, acest lucru duce la următoarele procese. Când apa rece de ploaie sau râu, saturată cu dioxid de carbon , pătrunde în subteran și cade pe calcare , se observă dizolvarea acestora, iar în acele locuri în care apa saturată cu bicarbonat de calciu iese la suprafața pământului și este încălzită de razele solare, are loc reacția inversă
Deci, în natură există un transfer de mase mari de substanțe. Ca urmare, se pot forma cavități carstice uriașe și scufundări în subteran , iar în peșteri se formează frumoase „ țurțuri ” de piatră - stalactite și stalagmite .
Prezența bicarbonatului de calciu dizolvat în apă determină în mare măsură duritatea temporară a apei. Se numește temporar pentru că atunci când apa este fiartă, bicarbonatul se descompune, iar CaCO 3 precipită . Acest fenomen duce, de exemplu, la faptul că în ibric se formează depuneri în timp .
Calciul metalic liber se obține prin electroliza unei topituri formată din CaCl 2 (75-80%) și KCl sau din CaCl 2 și CaF 2 , precum și prin reducerea aluminotermă a CaO la 1170-1200°C
Principala utilizare a calciului metalic este ca agent reducător în producția de metale, în special nichel, cupru și oțel inoxidabil. Calciul și hidrura sa sunt, de asemenea, folosite pentru a produce metale greu de redus, cum ar fi cromul , toriu și uraniul . Aliajele de calciu-plumb sunt folosite la unele tipuri de baterii și la fabricarea rulmenților. Granulele de calciu sunt, de asemenea, folosite pentru a îndepărta urmele de aer din dispozitivele electrovacuum. Calciul metalic pur este utilizat pe scară largă în metalotermie în producerea elementelor pământurilor rare [9] .
Calciul este utilizat pe scară largă în metalurgie pentru a dezoxida oțelul împreună cu aluminiul sau în combinație cu acesta. Prelucrarea în afara cuptorului cu fire care conțin calciu ocupă o poziție de lider datorită efectului multifactorial al calciului asupra stării fizico-chimice a topiturii, a macro și microstructurii metalului, a calității și proprietăților produselor metalice și este parte integrantă. parte a tehnologiei de producție a oțelului [10] . În metalurgia modernă, sârma de injecție este folosită pentru a introduce calciu în topitură, care este calciu (uneori silicocalc sau aluminiu calciu) sub formă de pulbere sau metal presat într-o carcasă de oțel. Alături de dezoxidare (înlăturarea oxigenului dizolvat în oțel), utilizarea calciului face posibilă obținerea de incluziuni nemetalice care sunt favorabile ca natură, compoziție și formă, care nu se prăbușesc în timpul operațiunilor tehnologice ulterioare [11] .
Izotopul 48 Ca este unul dintre cele mai eficiente și utile materiale pentru producerea de elemente supergrele și descoperirea de noi elemente în tabelul periodic . Acest lucru se datorează faptului că calciul-48 este un nucleu dublu magic [12] , astfel încât stabilitatea lui îi permite să fie suficient de bogat în neutroni pentru un nucleu ușor; sinteza nucleelor supergrele necesită un exces de neutroni.
Calciul este un macronutrient comun în organismul plantelor, animalelor și oamenilor. La oameni și la alte vertebrate, cea mai mare parte se găsește în schelet și dinți . Calciul se găsește în oase sub formă de hidroxiapatită [ 13 ] . „Scheletele” majorității grupurilor de nevertebrate (bureți, polipi de corali, moluște etc.) constau din diferite forme de carbonat de calciu (var). Ionii de calciu sunt implicați în procesele de coagulare a sângelui și, de asemenea, servesc ca unul dintre cei doi mesageri universali în interiorul celulelor și reglează o varietate de procese intracelulare - contracția musculară , exocitoza , inclusiv secreția de hormoni și neurotransmițători . Concentrația de calciu în citoplasma celulelor umane este de aproximativ 10-4 mmol /l , în fluidele intercelulare aproximativ 2,5 mmol/l .
Necesarul de calciu depinde de vârstă. Pentru adulții cu vârsta cuprinsă între 19-50 de ani și copiii cu vârsta între 4-8 ani inclusiv, necesarul zilnic (DZR) este de 1000 mg [14] , iar pentru copiii cu vârsta între 9 și 18 ani inclusiv, 1300 mg pe zi [14] . În adolescență, aportul adecvat de calciu este foarte important datorită creșterii intensive a scheletului. Totuși, conform studiilor din Statele Unite, doar 11% dintre fete și 31% dintre băieții cu vârsta cuprinsă între 12-19 ani își realizează nevoile [15] . Într-o dietă echilibrată, cea mai mare parte a calciului (aproximativ 80%) intră în organismul copilului cu produse lactate . Calciul rămas provine din cereale (inclusiv pâine integrală și hrișcă), leguminoase, portocale , verdeturi , nuci. Absorbția calciului în intestin are loc în două moduri: prin celulele intestinale (transcelular) și intercelular (paracelular). Primul mecanism este mediat de acțiunea formei active a vitaminei D ( calcitriol ) și a receptorilor săi intestinali. Joacă un rol important în aportul scăzut până la moderat de calciu. Cu un conținut mai mare de calciu în dietă, absorbția intercelulară începe să joace rolul principal, care este asociată cu un gradient mare de concentrație de calciu. Datorită mecanismului transcelular, calciul este absorbit într-o măsură mai mare în duoden (datorită celei mai mari concentrații de receptori în calcitriol de acolo). Datorită transferului pasiv intercelular, absorbția calciului este cea mai activă în toate cele trei secțiuni ale intestinului subțire. Absorbția calciului este promovată paracelular de lactoză (zahăr din lapte).
Absorbția calciului este împiedicată de unele grăsimi animale [16] (inclusiv grăsimea din lapte de vacă și seu de vită, dar nu untură ) și uleiul de palmier . Acizii grași palmitic și stearic conținut în astfel de grăsimi sunt scindați în timpul digestiei în intestine și, în formă liberă, leagă ferm calciul, formând palmitat de calciu și stearat de calciu ( săpunuri insolubile ) [17] . Sub forma acestui săpun cu scaun, se pierd atât calciul, cât și grăsimea. Acest mecanism este responsabil pentru reducerea absorbției de calciu [18] [19] [20] , scăderea mineralizării osoase [21] și reducerea măsurilor indirecte ale rezistenței osoase [22] [23] la sugarii cu formulă pentru sugari pe bază de ulei de palmier (oleină de palmier) . La acești copii, formarea săpunurilor de calciu în intestine este asociată cu întărirea scaunului [24] [25] , cu o scădere a frecvenței acestuia [24] , precum și cu regurgitarea mai frecventă [26] și colici [23] .
Concentrația de calciu în sânge, datorită importanței sale pentru un număr mare de procese vitale, este reglată cu precizie, iar cu o alimentație adecvată și un aport suficient de produse lactate cu conținut scăzut de grăsimi și vitamina D, nu apare deficiența. Deficitul prelungit de calciu și/sau vitamina D în dietă duce la un risc crescut de osteoporoză și provoacă rahitism în copilărie .
Dozele excesive de calciu și vitamina D pot provoca hipercalcemie . Doza maximă sigură pentru adulții cu vârsta cuprinsă între 19 și 50 de ani inclusiv este de 2500 mg pe zi [27] (aproximativ 340 g de brânză Edam [28] ).
Conținutul de calciu din produse este determinat pe baza porției medii pentru fiecare tip de produs alimentar. Pe lângă conținutul de calciu în sine, biodisponibilitatea acestuia este de asemenea importantă . În general, alimentele de origine animală conțin mai mult calciu decât alimentele vegetale. Cea mai mare cantitate de calciu se găsește în produsele lactate (dar numai 27–30% din calciu este absorbit din acestea), conserve de pește (datorită oaselor comestibile), nuci și semințe (biodisponibilitatea calciului este în medie de 20% ), leguminoase ( fasole ). , năut , linte , fasole mung ). , mazăre , soia , edamame , care conțin și substanțe care împiedică absorbția calciului, iar pentru a crește biodisponibilitatea acestuia, este mai bine să le încălzești), câteva legume ( creson , bok choy , salată verde ). , broccoli ), unele fructe și fructe de pădure [29] :
Produs | Porțiune standard | Conținut de calciu, mg | Ponderea aportului zilnic de calciu,% |
---|---|---|---|
iaurt cu conținut scăzut de grăsimi, fără aditivi | 227 g (8 oz cu greutate ) | 415 | 32 |
suc de portocale fortificat cu calciu | 200 ml (1 cană) | 349 | 27 |
iaurt cu fructe cu conținut scăzut de grăsimi | 227 g | 344 | 27 |
brânză mozzarella | 42,5 g (1,5 oz) | 333 | 26 |
conserve de sardine cu os | 85 g (3 oz) | 325 | 25 |
lapte degresat și lapte de soia | 200 ml | 299 | 23 |
lapte de soia fortificat cu calciu | 200 ml | 299 | 23 |
lapte integral 3,25% grăsime | 200 ml | 276 | 21 |
tofu tare gătit în soluție de sulfat de calciu | 100 ml | 253 | 19 |
somon roz conservat cu oase | 85 g | 181 | paisprezece |
brânză de vaci cu un conținut de grăsime de 1% | 200 ml | 138 | unsprezece |
tofu moale gătit în soluție de sulfat de calciu | 100 ml | 138 | unsprezece |
boabe de soia fierte | 100 ml | 131 | zece |
spanac fiert | 100 ml | 123 | 9 |
iaurt congelat moale (vanilie) | 100 ml | 103 | opt |
nap verde proaspăt fiert | 100 ml | 99 | opt |
varză proaspătă după gătire | 200 ml | 94 | 7 |
semințe chia | 1 lingura | 76 | 6 |
bok choy de varză chinezească proaspătă (tocat) | 100 ml | 74 | 6 |
conserve de fasole (fără lichide) | 100 ml | 54 | patru |
tortilla de porumb cu diametrul de 15 cm | 46 | patru | |
smântână cu conținut scăzut de grăsimi | 2 linguri | 31 | 2 |
pâine integrală de grâu | 1 felie | treizeci | 2 |
varză tocată crudă | 200 ml | 24 | 2 |
broccoli crud | 100 ml | 21 | 2 |
măr de aur | fructe de mărime medie | zece | 0 |
Conținutul de calciu din lapte depinde în mare măsură de conținutul său de grăsime - în laptele gras, concentrația de calciu este mai mică [30] .
Dicționare și enciclopedii |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Sistem periodic de elemente chimice a lui D. I. Mendeleev | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Seria de activitate electrochimică a metalelor | |
---|---|
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , |