КА́ЛЬЦИЙ

КА́ЛЬЦИЙ (лат. Calcium), Ca, хи­мич. эле­мент II груп­пы ко­рот­кой фор­мы (2-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы; от­но­сит­ся к щё­лоч­но­зе­мель­ным ме­тал­лам; ат. н. 20; ат. м. 40,078. В при­ро­де су­ще­ст­ву­ет 6 ста­биль­ных изо­то­пов: $\ce{^{40}Ca}$ (96,941%), $\ce{^{42}Ca}$ (0,647%), $\ce{^{43}Ca}$ (0,135%), $\ce{^{44}Ca}$ (2,086%), $\ce{^{46}Ca}$ (0,004%), $\ce{^{48}Ca}$ (0,187%); ис­кус­ст­вен­но по­лу­че­ны ра­дио­изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 34–54.

Историческая справка

Мн. при­род­ные со­еди­не­ния К. бы­ли из­вест­ны в глу­бо­кой древ­но­сти и ши­ро­ко при­ме­ня­лись в строи­тель­ст­ве (напр., гипс, из­весть, мра­мор). Ме­тал­лич. К. впер­вые вы­де­лен Г. Дэ­ви в 1808 при элек­тро­ли­зе сме­си ок­си­дов $\ce{CaO}$ и $\ce{HgO}$ и по­сле­дую­щем раз­ло­же­нии об­ра­зо­вав­шей­ся амаль­га­мы К. Назв. про­ис­хо­дит от лат. calx (род. п. calcis) – из­весть, мяг­кий ка­мень.

Распространённость в природе

Со­дер­жа­ние К. в зем­ной ко­ре со­став­ля­ет 3,38% по мас­се. Из-за вы­со­кой хи­мич. ак­тив­но­сти в сво­бод­ном со­стоя­нии не встре­ча­ет­ся. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны ми­не­ра­лы анор­тит $\ce{Ca[Al_2Si_2O_8]}$, ан­гид­рит $\ce{CaSO_4}$, апа­тит $\ce{Ca_5(PO_4)_3(F,Cl,OH)}$, гипс $\ce{CaSO_4·2H_2O}$, каль­цит и ара­го­нит $\ce{CaCO_3}$, пе­ров­скит $\ce{CaTiO_3}$, флюо­рит $\ce{CaF_2}$, шее­лит $\ce{CaWO_4}$. Ми­не­ра­лы К. вхо­дят в со­став оса­доч­ных (напр., из­вест­няк), маг­ма­ти­ч. и ме­та­мор­фич. гор­ных по­род. Со­еди­не­ния К. со­дер­жат­ся в жи­вых ор­ганиз­мах: яв­ля­ют­ся осн. ком­по­нен­та­ми ко­ст­ных тка­ней по­зво­ноч­ных (гид­ро­к­си­а­па­тит, фто­ра­па­тит), ске­ле­тов ко­рал­лов, ра­ко­вин мол­лю­сков (кар­бо­нат и фос­фа­ты К.) и др. При­сут­ст­вие ио­нов $\ce{Ca^{2+}}$ оп­ре­де­ля­ет жё­ст­кость во­ды.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма К. $4s^2$; в со­еди­не­ни­ях про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния +2, ред­ко +1; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 1,00, атом­ный ра­ди­ус 180 пм, ра­ди­ус ио­на $\ce{Ca^{2+}}$ 114 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 6). К. – се­реб­ри­сто-бе­лый мяг­кий ме­талл; до 443 °C ус­той­чи­ва мо­дифи­ка­ция с ку­бич. гра­не­цен­три­ро­ван­ной кри­стал­лич. ре­шёт­кой, вы­ше 443 °C – с ку­бич. объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ной ре­шёт­кой; $t_\text{пл}$ 842 °C, $t_\text{кип}$ 1484 °C, плот­ность 1550 кг/м³; те­п­ло­про­вод­ность 125,6 Вт/(м·К).

К. – ме­талл вы­со­кой хи­мич. ак­тив­но­сти (хра­нят в гер­ме­ти­че­ски за­кры­тых со­су­дах или под сло­ем ми­нер. мас­ла). При нор­маль­ных ус­ло­ви­ях лег­ко взаи­мо­дей­ст­ву­ет с ки­сло­ро­дом (об­ра­зу­ет­ся каль­ция ок­сид $\ce{CaO}$), при на­гре­ва­нии – с во­до­ро­дом (гид­рид $\ce{CaH_2}$), га­ло­ге­на­ми (каль­ция га­ло­ге­ни­ды), бо­ром (бо­рид $\ce{CaB_6}$), уг­ле­ро­дом (каль­ция кар­бид $\ce{CaC_2}$), крем­ни­ем (си­ли­ци­ды $\ce{Ca_2Si, CaSi, CaSi_2, Ca_3Si_4}$), азо­том (нит­рид $\ce{Ca_3N_2}$), фос­фо­ром (фос­фи­ды $\ce{Ca_3P_2, CaP, CaP_5}$), халь­ко­ге­на­ми (халь­ко­ге­ни­ды со­ста­ва $\ce{CaX}$, где $\ce{X – S, Se, Te}$). К. взаи­мо­дей­ст­ву­ет с др. ме­тал­ла­ми ($\ce{Li, Cu, Ag, Au, Mg, Zn, Al, Pb, Sn}$ и др.) с об­ра­зо­ва­ни­ем ин­тер­ме­тал­ли­дов. Ме­тал­лич. К. взаи­мо­дей­ст­ву­ет с во­дой с об­ра­зо­ва­ни­ем каль­ция гид­р­ок­си­да $\ce{Ca(OH)_2}$ и $\ce{H_2}$. Энер­гич­но взаи­мо­дей­ст­ву­ет с боль­шин­ст­вом ки­слот, об­ра­зуя со­от­вет­ст­вую­щие со­ли (напр., каль­ция нит­рат, каль­ция суль­фат, каль­ция фос­фа­ты). Рас­тво­ря­ет­ся в жид­ком ам­миа­ке с об­ра­зо­ва­ни­ем тём­но-си­не­го рас­тво­ра с ме­тал­лич. про­во­ди­мо­стью. При ис­па­ре­нии ам­миа­ка из та­ко­го рас­тво­ра вы­де­ля­ет­ся ам­миа­кат $\ce{[Ca(NH_3)_6]}$. По­сте­пен­но К. взаи­мо­дей­ст­ву­ет с аммиa­ком с об­ра­зо­ва­ни­ем ами­да $\ce{Ca(NH_2)_2}$. Об­ра­зу­ет разл. ком­плекс­ные со­еди­не­ния, наи­боль­шее зна­че­ние име­ют ком­плек­сы с ки­сло­род­со­дер­жа­щи­ми по­ли­ден­тат­ны­ми ли­ган­да­ми, напр. ком­плек­со­на­ты $\ce{Ca}$.

Биологическая роль

К. от­но­сит­ся к био­ген­ным эле­мен­там. Су­точ­ная по­треб­ность че­ло­ве­ка в К. – ок. 1 г. В жи­вых ор­га­низ­мах ио­ны К. уча­ст­ву­ют в про­цес­сах со­кра­ще­ния мышц, пе­ре­да­чи нерв­ных им­пуль­сов.

Получение

Ме­тал­лич. К. по­лу­ча­ют элек­тро­ли­тич. и ме­тал­ло­тер­мич. спо­со­ба­ми. Элек­тро­ли­тич. спо­соб ос­но­ван на элек­тро­ли­зе рас­плав­лен­но­го хло­ри­да К. с ка­то­дом ка­са­ния или жид­ким мед­но-каль­цие­вым ка­то­дом. Из об­ра­зую­ще­го­ся мед­но-каль­цие­во­го спла­ва от­го­ня­ют К. при темп-ре 1000–1080 °C и дав­ле­нии 13–20 кПа. Ме­тал­ло­тер­мич. спо­соб ос­но­ван на вос­ста­нов­ле­нии К. из его ок­си­да алю­ми­ни­ем или крем­ни­ем при 1100–1200 °C. При этом об­ра­зу­ет­ся алю­ми­нат или си­ли­кат К., а так­же га­зо­об­раз­ный К., кото­рый за­тем кон­ден­си­ру­ют. Ми­ро­вое про­из-во со­еди­не­ний К. и ма­те­риа­лов, со­дер­жа­щих К., ок. 1 млрд. т/год (1998).

Применение

К. при­ме­ня­ют в ка­че­ст­ве вос­ста­но­ви­те­ля при по­лу­че­нии мно­гих ме­тал­лов ($\ce{Rb, Cs, Zr, Hf, V}$ и др.). Си­ли­ци­ды К., а так­же спла­вы К. с на­три­ем, цин­ком и др. ме­тал­ла­ми ис­поль­зу­ют в ка­че­ст­ве рас­кис­ли­те­лей и де­суль­фу­ра­то­ров не­ко­то­рых спла­вов и неф­ти, для очи­ст­ки ар­го­на от ки­сло­ро­да и азо­та, в элек­тро­ва­ку­ум­ных при­бо­рах в ка­че­ст­ве по­гло­ти­те­ля га­зов. Хло­рид $\ce{CaCl_2}$ ис­поль­зу­ют в ка­че­ст­ве осу­ши­те­ля в хи­мич. син­те­зе, гипс при­ме­ня­ют в ме­ди­ци­не. Каль­ция си­ли­ка­ты яв­ля­ют­ся осн. ком­по­нен­та­ми це­мен­та.