Кальций какой металл. Химические и физические свойства кальция, его взаимодействие с водой

14.10.2019

Соединения кальция известны с древних времен, однако до 17 в. об их природе ничего не знали. Египетские строительные растворы, которые использовались в пирамидах Гизы, были основаны на частично обезвоженном гипсе CaSO 4 ·2H 2 O. Он же является основой всей штукатурки в гробнице Тутанхамона. Римляне использовали строительный раствор из песка и извести (полученной при нагревании известняка CaCO 3): во влажном климате Италии он был более устойчив.

Название элемента – от латинского calx, calcis – известь («мягкий камень»). Оно было предложено Г.Дэви в 1808, выделившим металлический кальций электролитическим методом. Дэви смешивал влажную кальциевую «землю» (оксид кальция CaO) с оксидом ртути HgO на платиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкую ртуть. В результате электролиза получалась амальгама металла, который можно было получить в чистом виде, испарив ртуть.

Кальций является пятым из наиболее распространенных в земной коре элементом и третьим по распространенности металлом (после алюминия и железа). На долю кальция приходится около 1,5% от общего числа атомов земной коры. Во многих частях поверхности Земли имеются значительные осадочные залежи карбоната кальция, которые образовались из остатков древних морских организмов. В них это соединение находится, в основном, в виде минералов двух типов. Чаще встречается ромбоэдрический кальцит, в теплых морях образуется орторомбический арагонит. Представителями минералов первого типа является сам кальцит, а также доломит, мрамор, мел и исландский шпат. Громадными пластами карбоната кальция в виде арагонита образованы Багамы, о-ва Флорида-Кис и бассейн Красного моря. Другие важные минералы – гипс CaSO 4 ·2H 2 O, ангидрит CaSO 4 , флюорит CaF 2 и апатит Ca 5 (PO 4) 3 (Cl,OH,F). Значительное количество кальция находится в природных водах в виде гидрокарбоната (см . ХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ). Кальций содержится и в организмах многих животных. Гидроксоапатит Ca 5 (PO 4) 3 (OH) является основой костной ткани позвоночных. Из карбоната кальция, в основном, состоят кораллы, раковины моллюсков, жемчуг, яичная скорлупа.

Металлический кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция, который является побочным продуктом в процессе Сольве или образуется в реакции между соляной кислотой и карбонатом кальция.

Сравнительно мягкий блестящий металл имеет бледно-желтую окраску. Он химически менее активен, чем другие щелочноземельные металлы, так как на воздухе покрывается защитной оксидно-нитридной пленкой. Его даже можно обрабатывать на токарном станке.

Кальций активно реагирует с неметаллами. При нагревании в кислороде и на воздухе воспламеняется. С водой кальций реагирует с выделением водорода и образованием гидроксида кальция. Он растворяется в жидком аммиаке с образованием темно-синих растворов, из которых при выпаривании можно получить блестящий аммиакат медного цвета Са(NH 3) 6 .

Металлический кальций используется, главным образом, как легирующая добавка. Так, введение кальция повышает прочность алюминиевых подшипников. С помощью кальция регулируют содержание углерода в чугуне и удаляют висмут из свинца. Он используется для очистки стали от кислорода, серы и фосфора. Его применяют и для поглощения кислорода и азота, в частности, для удаления примесей азота из технического аргона. Он служит восстановителем при производстве других металлов, таких как хром, цирконий, торий и уран. Например, металлический цирконий можно получить из его диоксида: ZrO 2 + 2Ca = Zr + 2CaO. Кальций также непосредственно реагирует с водородом с образованием гидрида кальция СаН 2 , который является удобным источником водорода.

Наиболее важным галогенидом кальция является фторид CaF 2 , так как в виде минерала (флюорит) он является единственным промышленно важным источником фтора. Белый тугоплавкий фторид кальция мало растворим в воде, что используется в количественном анализе.

Хлорид кальция CaCl 2 также имеет большое значение. Он является компонентом рассолов для холодильных установок и для заполнения шин тракторов и другого транспорта. С помощью хлорида кальция удаляют снег и лед с дорог и тротуаров. Эвтектическая смесь CaCl 2 –H 2 O, содержащая 30 масс. % CaCl 2, плавится при –55° С. Эта температура существенно ниже, чем в случае смеси хлорида натрия с водой, для которой минимальная температура плавления составляет –18° С. Хлорид кальция применяется и для защиты угля и руды от замерзания при транспортировке и хранении. Его используют в бетонных смесях для ускорения начала схватывания, повышения начальной и конечной прочности бетона. Хлорид кальция является отходом многих химико-технологических процессов, в частности, крупнотоннажного производства соды. Однако потребление хлорида кальция значительно уступает его производству, поэтому около содовых заводов образовались целые озера, наполненные рассолом CaCl 2 . Такие пруды-накопители можно видеть, например, в Донбассе.

Наиболее широкое применение из соединений кальция имеют карбонат, оксид и гидроксид. Самая распространенная форма карбоната кальция – известняк. Смешанный карбонат кальция и магния носит название доломит. Известняк и доломит используются в качестве строительных материалов, дорожных покрытий, реагентов, понижающих кислотность почвы. Их добывают во всем мире в огромных количествах. Карбонат кальция CaCO 3 является также важнейшим промышленным реагентом, который необходим для получения оксида кальция (негашеной извести) CaO и гидроксида кальция (гашеной извести) Ca(OH) 2 .

Оксид и гидроксид кальция являются ключевыми веществами во многих областях химической, металлургической и машиностроительной промышленности. Известь СаО производится в огромных количествах во многих странах и входит в десятку химических веществ с максимальным объемом производства.

Большие количества извести расходуются при производстве стали, где она используется для удаления фосфора, серы, кремния и марганца. В кислородно-конверторном процессе на тонну стали требуется 75 кг извести. Она заметно продлевает жизнь огнеупорной облицовки. Известь используется также в качестве смазочного материала при вытягивании стальной проволоки и нейтрализации отходов травильных жидкостей, содержащих серную кислоту. Еще одно применение в металлургии – производство магния.

Известь – наиболее распространенный химический реагент для обработки источников воды для питья и промышленности. Ее используют вместе с квасцами или солями железа для коагуляции суспензий и удаления помутнения, а также для смягчения воды за счет удаления временной (гидрокарбонатной) жесткости (см . ОЧИСТКА ВОДЫ)

Еще одна область применения извести – нейтрализация кислотных растворов и промышленных отходов. С ее помощью устанавливают оптимальное значение рН для биохимического окисления сточных вод. Известь используют и в газопромывателях для удаления диоксида серы и сероводорода из газовых отходов электростанций, работающих на ископаемом топливе, и печей для плавки металлов.

В химической промышленности известь используется при производстве карбида кальция (для последующего получения ацетилена), цианамида кальция и многих других веществ. Важным потребителем является также стекольная промышленность. Наиболее распространенные стекла содержат в своем составе около 12% оксида кальция. Инсектицид арсенат кальция, который получают нейтрализацией мышьяковой кислоты известью, широко используется для борьбы с хлопковым долгоносиком, яблонной плодожоркой, табачным червем, колорадским жуком. Важными фунгицидами являются известково-сульфатные аэрозоли и бордосские смеси, которые получают из сульфата меди и гидроксида кальция.

Большие количества гидроксида кальция требуются для целлюлозно-бумажной промышленности. На бумажных предприятиях отработанный раствор карбоната натрия обрабатывают известью для регенерации каустической соды (гидроксида натрия NaOH), используемой в технологическом процессе. Около 95% образовавшейся суспензии карбоната кальция высушивается и вновь обжигается во вращающихся печах для регенерации оксида кальция. Отбеливающие жидкости для бумажной пульпы, содержащие гипохлорит кальция, получают реакцией извести с хлором.

Производство высококачественной бумаги требует использования специально осажденного карбоната кальция. Для этого сначала обжигают известняк и собирают по отдельности диоксид углерода и оксид кальция. Последний затем обрабатывают водой и вновь переводят в карбонат. Тип образующихся кристаллов, а также их размеры и форма зависят от температуры, рН, скорости смешивания, концентраций и присутствия добавок. Мелкие кристаллы (менее 45 мкм) часто покрывают жирными кислотами, смолами или смачивающими веществами. Карбонат кальция придает бумаге яркость, непрозрачность, восприимчивость к чернилам и гладкость. В более высоких концентрациях он нейтрализует сильный глянец, вызываемый добавками каолина, и дает тусклый матовый оттенок. Такая бумага может содержать 5–50% (по массе) осажденного карбоната кальция. СаСО 3 также используется как наполнитель в резинах, латексах, красках и эмалях, а также в пластиках (около 10% по массе) для улучшения их термостойкости, жесткости, твердости и обрабатываемости.

В быту и медицине осажденный карбонат кальция применяется как средство, нейтрализующее кислоту, мягкий абразив в зубных пастах, источник дополнительного кальция в диетах, составная часть жевательной резинки и наполнитель в косметике.

Известь применяется и в молочной промышленности. Известковую воду (насыщенный раствор гидроксида кальция) часто добавляют к сливкам при отделении их от цельного молока, чтобы понизить их кислотность перед пастеризацией и превращением в масло. Снятое молоко затем подкисляют, чтобы отделить казеин, который смешивают с известью для получения казеинового клея. После ферментации оставшегося снятого молока (сыворотки) к нему добавляют известь, чтобы выделить лактат кальция, который используют в медицине или как сырье для последующего получения молочной кислоты. Производство сахара также связано с использованием извести. Для осаждения сахарата кальция, который затем очищают от фосфатных и органических загрязнений, проводят реакцию сырого сахарного сиропа с известью. Последующее действие диоксида углерода приводит к образованию нерастворимого карбоната кальция и очищенной растворимой сахарозы. Цикл повторяют несколько раз. Тростниковый сахар обычно требует около 3–5 кг извести на тонну, а свекловичный сахар – в сто раз больше, то есть около 1/2 тонны извести на тонну сахара.

Можно отметить также частную область применения карбоната кальция в виде перламутра. Это материал, образованный тонкими слоями карбоната кальция в форме арагонита, соединенными белковым клеем. После полировки он переливается всеми цветами радуги и становится декоративным, очень прочен, хотя на 95% состоит из карбоната кальция.

Сульфат кальция обычно существует в виде дигидрата (гипс), хотя добывают и безводный сульфат кальция (ангидрит). Известен также алебастр – компактная, массивная, мелкозернистая форма CaSO 4 ·2H 2 O, напоминающая мрамор. Если гипс прокалить при 150–165 °С, он теряет примерно 2/3 кристаллизационной воды и образует полугидрат CaSO 4 ·0,5H 2 O, известный также как строительный алебастр, или «парижская штукатурка» (так как его первоначально получали из гипса, добытого на Монмартре). Нагревание при более высокой температуре приводит к образованию различных безводных форм.

Хотя гипс добывают не в таких количествах, как известняк, он остается промышленно важным материалом. Почти весь прокаленный гипс (95%) используется для производства полуфабрикатов – в основном, стеновых панелей, а остальное количество – в промышленных и строительных штукатурках. Поглощая воду, полугидрат незначительно расширяется (на 0,2–0,3%), и это главное при его использовании для лепнины и штукатурки. Применяя добавки, можно менять степень его расширения в пределах 0,03–1,2%.

Для кальция не очень характерно образование комплексных соединений. Кислородсодержащие комплексы, например, с ЭДТА или полифосфатами, имеют большое значение в аналитической химии и для удаления ионов кальция из жесткой воды.

Кальций относится к числу макроэлементов. Его содержание в организме взрослого человека (в расчете на массу 65 кг) составляет 1,3 кг. Он необходим для формирования костей и зубов, поддержания сердечного ритма и свертывания крови. Основным источником поступления кальция в организм служат молоко и молочные продукты. Суточная потребность составляет 0,8 г в сутки. Всасыванию катионов кальция способствуют молочная и лимонная кислоты, в то время как фосфат-ион, оксалат-ион и фитиновая кислота затрудняют всасывание кальция из-за образования комплексов и малорастворимых солей. В организме есть сложная система хранения и высвобождения кальция.

Использование кальция в качестве строительного материала костей и зубов связано с тем, что ионы кальция не используются в клетке. Концентрацию кальция контролируют особые гормоны, их совместное действие сохраняет и поддерживает структуру костей.

Предполагается, что ионы кальция, связываясь с мембраной нерва, влияют на ее проницаемость для других катионов. Очевидно, он замещает ионы магния и тем самым активирует некоторые ферменты. Поступление ионов кальция может быть сопряжено с внесением фосфата, который поэтому называют переносчиком кальция.

Установлено, что регулятором ионов кальция в различных типах мышц является саркоплазматический ретикулум (СР). Ионы кальция накапливаются в кальциесвязывающих белках, например в кальсеквестрине. Последний связывает примерно 43 иона Са 2+ на моль белка. Мышечное сокращение связано с освобождением ионов кальция из СР и его связыванием на активных центрах мышечных волокон. Концентрация ионов кальция в саркоплазме за несколько миллисекунд повышается в 100 раз. Вынужденное истечение ионов Са 2+ из СР происходит очень быстро. Непосредственно после освобождения ионов кальция СР начинает накачивать их обратно. Сокращение мышц возникает в результате появления нервного импульса в двигательном нерве, оканчивающемся в мышечном волокне, что вызывает высвобождение ионов кальция из его запасов.

Механизм свертывания крови представляет собой каскадный процесс, многие этапы которого зависят от присутствия ионов кальция, которые активируют соответствующие ферменты.

Накопление кальция является характерной особенностью роста костей зубов, раковин и других подобных структур. С другой стороны, повышение содержания кальция в нетипичных участках приводит к образованию камней, остеоартриту, катарактам и артериальным нарушениям.

Елена Савинкина

Кальций (Calcium), Ca, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 20, атомная масса 40,08; серебряно-белый легкий металл. Природный элемент представляет смесь шести стабильных изотопов: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca и 48 Ca, из которых наиболее распространен 40 Ca (96, 97%).

Соединения Ca - известняк, мрамор, гипс (а также известь - продукт обжига известняка) уже в глубокой древности применялись в строительном деле. Вплоть до конца 18 века химики считали известь простым телом. В 1789 году А. Лавуазье предположил, что известь, магнезия, барит, глинозем и кремнезем - вещества сложные. В 1808 году Г. Дэви, подвергая электролизу с ртутным катодом смесь влажной гашеной извести с оксидом ртути, приготовил амальгаму Ca, а отогнав из нее ртуть, получил металл, названный "Кальций" (от лат. calx, род. падеж calcis - известь).

Распространение Кальция в природе. По распространенности в земной коре Ca занимает 5-е место (после О, Si, Al и Fe); содержание 2,96% по массе. Он энергично мигрирует и накапливается в различных геохимических системах, образуя 385 минералов (4-е место по числу минералов). В мантии Земли Ca мало и, вероятно, еще меньше в земном ядре (в железных метеоритах 0,02%). Ca преобладает в нижней части земной коры, накапливаясь в основные породах; большая часть Ca заключена в полевом шпате - анортите Ca; содержание в основных породах 6,72%, в кислых (граниты и другие) 1,58% . В биосфере происходит исключительно резкая дифференциация Ca, связанная главным образом с "карбонатным равновесием": при взаимодействии углекислого газа с карбонатом СаСО 3 образуется растворимый бикарбонат Ca(HCO 3) 2: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2 = Са 2+ + 2HCO 3- . Эта реакция обратима и является основой перераспределения Ca. При высоком содержании CO 2 в водах Ca находится в растворе, а при низком содержании CO 2 в осадок выпадает минерал кальцит CaCO 3 , образуя мощные залежи известняка, мела, мрамора.

Огромную роль в истории Ca играет и биогенная миграция. В живом веществе из элементов-металлов Ca - главный. Известны организмы, которые содержат более 10% Ca (больше углерода), строящие свой скелет из соединений Ca, главным образом из СаСО 3 (известковые водоросли, многие моллюски, иглокожие, кораллы, корненожки и т. д.). С захоронением скелетов мор. животных и растений связано накопление колоссальных масс водорослевых, коралловых и прочих известняков, которые, погружаясь в земные глубины и минерализуясь, превращаются в различные виды мрамора.

Огромные территории с влажным климатом (лесные зоны, тундра) характеризуются дефицитом Ca - здесь он легко выщелачивается из почв. С этим связано низкое плодородие почв, низкая продуктивность домашних животных, их малые размеры, нередко болезни скелета. Поэтому большое значение имеет известкование почв, подкормка домашних животных и птиц и т. д. Напротив, в сухом климате СаСО 3 труднорастворим, поэтому ландшафты степей и пустынь богаты Ca. В солончаках и соленых озерах часто накапливается гипс CaSO 4 ·2H 2 O.

Реки приносят в океан много Ca, но он не задерживается в океанической воде (среднее содержание 0,04%), а концентрируется в скелетах организмов и после их гибели осаждается на дно преимущественно в форме CaCO 3 . Известковые илы широко распространены на дне всех океанов на глубинах не более 4000 м (на больших глубинах происходит растворение СаСО 3 , организмы там нередко испытывают дефицит Ca).

Важную роль в миграции Ca играют подземные воды. В известняковых массивах они местами энергично выщелачивают CaCO 3 , с чем связано развитие карста, образование пещер, сталактитов и сталагмитов. Помимо кальцита, в морях прошлых геологических эпох было широко распространено отложение фосфатов Ca (например, месторождения фосфоритов Каратау в Казахстане), доломита CaCO 3 ·MgCO 3 , а в лагунах при испарении - гипса.

В ходе геологической истории росло биогенное карбонатообразование, а химическое осаждение кальцита уменьшалось. В докембрийских морях (свыше 600 млн. лет назад) не было животных с известковым скелетом; они приобрели широкое распространение начиная с кембрия (кораллы, губки и т. д.). Это связывают с высоким содержанием CO 2 в атмосфере докембрия.

Физические свойства Кальция. Кристаллическая решетка α-формы Ca (устойчивой при обычной температуре) гранецентрированная кубическая, а = 5,56Å. Атомный радиус 1,97Å, ионный радиус Ca 2+ , 1,04Å. Плотность 1,54 г/см 3 (20 °C). Выше 464 °C устойчива гексагональная β-форма. t пл 851 °C, t кип 1482 °C; температурный коэффициент линейного расширения 22·10 -6 (0-300 °C); теплопроводность при 20 °C 125,6 Вт/(м·К) или 0,3 кал/(см·сек·°C); удельная теплоемкость (0-100 °C) 623,9 дж/(кг·К) или 0,149 кал/(г·°C); удельное электросопротивление при 20 °C 4,6·10 -8 ом·м или 4,6·10 -6 ом·см; температурный коэффициент электросопротивления 4,57·10 -3 (20 °C). Модуль упругости 26 Гн/м 2 (2600 кгс/мм 2); предел прочности при растяжении 60 Мн/м 2 (6 кгс/мм 2); предел упругости 4 Мн/м 2 (0,4 кгс/мм 2), предел текучести 38 Мн/м 2 (3,8 кгс/мм 2); относительное удлинение 50%; твердость по Бринеллю 200-300 Мн/м 2 (20-30 кгс/мм 2). Кальций достаточно высокой чистоты пластичен, хорошо прессуется, прокатывается и поддается обработке резанием.

Химические свойства Кальция. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ca 4s 2 , в соответствии с чем Ca в соединениях 2-валентен. Химически Ca очень активен. При обычной температуре Ca легко взаимодействует с кислородом и влагой воздуха, поэтому его хранят в герметически закрытых сосудах или под минеральным маслом. При нагревании на воздухе или в кислороде воспламеняется, давая основной оксид CaO. Известны также пероксиды Ca - CaO 2 и CaO 4 . С холодной водой Ca взаимодействует сначала быстро, затем реакция замедляется вследствие образования пленки Ca(OH) 2 . Ca энергично взаимодействует с горячей водой и кислотами, выделяя H 2 (кроме концентрированной HNO 3). С фтором реагирует на холоду, а с хлором и бромом - выше 400 °C, давая соответственно CaF 2 , CaCl 2 и CaBr 2 . Эти галогениды в расплавленном состоянии образуют с Ca так называемых субсоединения - CaF, CaCl, в которых Ca формально одновалентен. При нагревании Ca с серой получается сульфид кальция CaS, последний присоединяет серу, образуя полисульфиды (CaS 2 , CaS 4 и другие). Взаимодействуя с сухим водородом при 300-400 °C, Ca образует гидрид CaH 2 - ионное соединение, в котором водород является анионом. При 500 °C Ca и азот дают нитрид Ca 3 N 2 ; взаимодействие Ca с аммиаком на холоду приводит к комплексному аммиакату Ca 6 . При нагревании без доступа воздуха с графитом, кремнием или фосфором Ca дает соответственно карбид кальция CaC 2 , силициды Ca 2 Si, CaSi, CaSi 2 и фосфид Ca 3 P 2 . Ca образует интерметаллические соединения с Al, Ag, Au, Cu, Li, Mg, Pb, Sn и другие.

Получение Кальция. В промышленности Ca получают двумя способами: 1) нагреванием брикетированной смеси CaO и порошка Al при 1200 °C в вакууме 0,01-0,02 мм рт. ст.; выделяющиеся по реакции: 6CaO + 2 Al = 3CaO·Al 2 O 3 + 3Ca пары Ca конденсируются на холодной поверхности; 2) электролизом расплава CaCl 2 и KCl с жидким медно-кальциевым катодом приготовляют сплав Cu - Ca (65% Ca), из которого Ca отгоняют при температуре 950-1000 °C в вакууме 0,1-0,001 мм рт. ст.

Применение Кальция. В виде чистого металла Ca применяют как восстановитель U, Th, Cr, V, Zr, Cs, Rb и некоторых редкоземельных металлов из их соединений. Его используют также для раскисления сталей, бронз и других сплавов, для удаления серы из нефтепродуктов, для обезвоживания органических жидкостей, для очистки аргона от примеси азота и в качестве поглотителя газов в электровакуумных приборах. Большое применение в технике получили антифрикционные материалы системы Pb-Na-Ca, а также сплавы Pb-Ca, служащие для изготовления оболочки электрич. кабелей. Сплав Ca-Si-Ca (силикокальций) применяется как раскислитель и дегазатор в производстве качественных сталей.

Кальций в организме. Ca - один из биогенных элементов, необходимых для нормального протекания жизненных процессов. Он присутствует во всех тканях и жидкостях животных и растений. Лишь редкие организмы могут развиваться в среде, лишенной Ca. У некоторых организмов содержание Ca достигает 38%; у человека - 1,4-2%. Клетки растительных и животных организмов нуждаются в строго определенных соотношениях ионов Ca 2+ , Na + и K + во внеклеточных средах. Растения получают Ca из почвы. По их отношению к Ca растения делят на кальцефилов и кальцефобов. Животные получают Ca с пищей и водой. Ca необходим для образования ряда клеточных структур, поддержания нормальной проницаемости наружных клеточных мембран, для оплодотворения яйцеклеток рыб и других животных, активации ряда ферментов. Ионы Ca 2+ передают возбуждение на мышечное волокно, вызывая его сокращение, увеличивают силу сердечных сокращений, повышают фагоцитарную функцию лейкоцитов, активируют систему защитных белков крови, участвуют в ее свертывании. В клетках почти весь Ca находится в виде соединений с белками, нуклеиновыми кислотами, фосфолипидами, в комплексах с неорганических фосфатами и органических кислотами. В плазме крови человека и высших животных только 20-40% Ca может быть связано с белками. У животных, обладающих скелетом, до 97-99% всего Ca используется в качестве строительного материала: у беспозвоночных в основном в виде CaCO 3 (раковины моллюсков, кораллы), у позвоночных - в виде фосфатов. Многие беспозвоночные запасают Ca перед линькой для построения нового скелета или для обеспечения жизненных функций в неблагоприятных условиях.

Содержание Ca в крови человека и высших животных регулируется гормонами паращитовидных и щитовидной желез. Важнейшую роль в этих процессах играет витамин D. Всасывание Ca происходит в переднем отделе тонкого кишечника. Усвоение Ca ухудшается при снижении кислотности в кишечнике и зависит от соотношения Ca, P и жира в пище. Оптимальные соотношения Са / Р в коровьем молоке около 1,3 (в картофеле 0,15, в бобах 0,13, в мясе 0,016). При избытке в пище P или щавелевой кислоты всасывание Ca ухудшается. Желчные кислоты ускоряют его всасывание. Оптимальные соотношения Са / жир в пище человека 0,04-0,08 г Ca на 1 г жира. Выделение Ca происходит главным образом через кишечник. Млекопитающие в период лактации теряют много Ca с молоком. При нарушениях фосфорно-кальциевого обмена у молодых животных и детей развивается рахит, у взрослых животных - изменение состава и строения скелета (остеомаляция).

Среди всех элементов периодической системы можно выделить несколько таких, без которых не просто развиваются различные заболевания у живых организмов, но и вообще невозможно нормально жить и расти. Один из таких - кальций.

Интересно, что когда речь идет об этом металле, как простом веществе, то никакой пользы для человека он не имеет, даже вред. Однако стоит только упомянуть об ионах Са 2+ , как сразу возникает масса пунктов, характеризующих их важное значение.

Положение кальция в периодической системе

Характеристика кальция, как и любого другого элемента, начинается с указания его места положения в периодической системе. Ведь она дает возможность многое узнать о данном атоме:

заряд ядра;
количество электронов и протонов, нейтронов;
степень окисления, высшую и низшую;
электронную конфигурацию и прочие важные вещи.

Рассматриваемый нами элемент располагается в четвертом большом периоде второй группе, главной подгруппе и имеет порядковый номер 20. Также химическая таблица Менделеева показывает атомный вес кальция - 40,08, что является усредненным значением существующих изотопов данного атома.

Степень окисления одна, всегда постоянна, равна +2. Формула СаО. Латинское название элемента calcium, отсюда символ атома Са.

Характеристика кальция как простого вещества

При обычных условиях данный элемент представляет собой металл, серебристо-белого цвета. Формула кальция как простого вещества - Са. Вследствие высокой химической активности, способен образовывать множество соединений, относящихся к разным классам.

В твердом агрегатном состоянии в состав организма человека не входит, поэтому представляет значение для промышленных и технических нужд (в основном химические синтезы).

Является одним из самых распространенных по доле в земной коре металлов, около 1,5 %. Относится к группе щелочноземельных, так как при растворении в воде дает щелочи, но в природе встречается в виде множественных минералов и солей. Очень много кальция (400 мг/л) включено в состав морской воды.

Кристаллическая решетка

Характеристика кальция объясняется строением кристаллической решетки, которая у него может быть двух типов (так как существует альфа и бета форма):

кубическая гранецентрическая;
объемноцентрическая.

Тип связи в молекуле - металлическая, в узлах решетки, как и у всех металлов - атом-ионы.

Нахождение в природе

Существует несколько основных веществ в природе, которые содержат данный элемент.

Морская вода.
Горные породы и минералы.
Живые организмы (раковины и панцири, костные ткани и так далее).
Подземные воды в земной коре.

Можно обозначить следующие виды горных пород и минералов, которые являются природными источниками кальция.

Доломит - смесь карбоната кальция и магния.
Флюорит - фторид кальция.
Гипс - CaSO 4 · 2H 2 O.
Кальцит - мел, известняк, мрамор - карбонат кальция.
Алебастр - CaSO 4 ·0.5H 2 O.
Апатиты.

Всего выделяют около 350 различных минералов и горных пород, которые содержат кальций.

Способы получения

В свободном виде выделить металл долгое время не удавалось, так как его химическая активность высока, в природе в чистом виде не встретишь. Поэтому вплоть до XIX века (1808 года) рассматриваемый элемент был еще одной загадкой, которую несла таблица Менделеева.

Кальций как металл сумел синтезировать английский химик Гемфри Дэви. Именно он первым обнаружил особенности взаимодействия расплавов твердых минералов и солей с электрическим током. На сегодняшний день до сих пор самым актуальным способом получения данного металла является электролиз его солей, таких как:

смесь хлоридов кальция и калия;
смесь фторида и хлорида кальция.

Также можно извлечь кальций из его оксида при помощи распространенного в металлургии метода алюминотермии.

Физические свойства

Характеристика кальция по физическим параметрам может быть описана несколькими пунктами.

Агрегатное состояние - при обычных условиях твердое.
Температура плавления - 842 0 С.
Металл мягкий, может резаться ножом.
Цвет - серебристо-белый, блестящий.
Обладает хорошими проводниковыми и теплопроводными свойствами.
При длительном нагревании переходит в жидкое, затем парообразное состояние, теряя металлические свойства. Температура кипения 1484 0 С.

Физические свойства кальция имеют одну особенность. Когда на металл оказывается давление, то он в какой-то момент времени теряет свои металлические свойства и способность к электропроводимости. Однако при дальнейшем увеличении воздействия вновь восстанавливается и проявляет себя как сверхпроводник, в несколько раз превышающий по данным показателям остальные элементы.

Химические свойства

Активность данного металла очень высока. Поэтому существует множество взаимодействий, в которые вступает кальций. Реакции со всеми неметаллами для него - обычное дело, ведь как восстановитель он очень силен.

При нормальных условиях легко реагирует с образованием соответствующих бинарных соединений с: галогенами, кислородом.
При нагревании: водород, азот, углерод, кремний, фосфор, бор, сера и прочие.
На открытом воздухе сразу взаимодействует с углекислым газом и кислородом, поэтому покрывается серым налетом.
С кислотами реагирует бурно, иногда с воспламенением.

Интересные свойства кальция проявляются, когда речь идет о нем в составе солей. Так, красивые пещерные вырастающие на потолке и стенах, это не что иное, как образовавшийся со временем из воды, углекислого газа и гидрокарбоната под влиянием процессов внутри подземных вод.

Учитывая, насколько металл активен в обычном состоянии, хранят его в лабораториях, как и щелочные. В темной стеклянной посуде, с плотно закрытой крышкой и под слоем керосина или парафина.

Качественная реакция на ион кальция - это окраска пламени в красивый, насыщенный кирпично-красный цвет. Также идентифицировать металл в составе соединений можно по нерастворимым выпадающим осадкам некоторых его солей (карбонат кальция, фторид, сульфат, фосфат, силикат, сульфит).

Соединения металла

Разновидности соединений металла следующие:

оксид;
гидроксид;
соли кальция (средние, кислые, основные, двойные, комплексные).

Оксид кальция известен как СаО используется для создания строительного материала (извести). Если загасить оксид водой, то получится соответствующий гидроксид, проявляющий свойства щелочи.

Большое практическое значение имеют именно различные соли кальция, которые используются в разных отраслях хозяйства. Какие именно существуют соли, мы уже упоминали выше. Приведем примеры по типам этих соединений.

Средние соли - карбонат СаСО 3 , фосфат Са 3 (РО 4) 2 и другие.
Кислые - гидросульфат CaHSO 4 .
Основные - гидрокарбонат (СаОН) 3 PO 4 .
Комплексные - Cl 2.
Двойные - 5Ca(NO 3) 2 *NH 4 NO 3 *10H 2 O.

Именно в форме соединений данного класса кальций имеет значение для биологических систем, так как источником ионов для организма являются соли.

Биологическая роль

Чем же важен кальций для организма человека? Причин несколько.

Именно ионы этого элемента входят в состав межклеточного вещества и тканевой жидкости, участвуя в регуляции механизмов возбуждения, выработки гормонов и нейромедиаторов.
Кальций накапливается в костях, зубной эмали в количестве около 2,5% от общей массы тела. Это достаточно много и играет важную роль в укреплении этих структур, сохранении их прочности и устойчивости. Рост организма без этого невозможен.
Свертываемость крови также зависит от рассматриваемых ионов.
Входит в состав сердечной мышцы, участвуя в ее возбуждении и сокращении.
Является участником процессов экзоцитоза и других внутриклеточных изменений.

Если количество потребляемого кальция будет недостаточно, то возможно развитие таких заболеваний, как:

рахит;
остеопороз;
заболевания крови.

Суточная норма для взрослого человека - 1000 мг, а для детей от 9 лет 1300 мг. Для того чтобы не допустить переизбыток этого элемента в организме, следует не превышать указанной дозы. В противном случае могут развиться заболевания кишечника.

Для всех остальных живых существ кальций не менее важен. Например, многие хоть и не имеют скелета, однако наружные средства укрепления их также являются образованиями этого металла. Среди них:

моллюски;
мидии и устрицы;
губки;
коралловые полипы.

Все они носят на своей спине или в принципе формируют в процессе жизнедеятельности некий наружный скелет, защищающий их от внешних воздействий и хищников. Основная составная часть его - соли кальция.

Позвоночные животные, как и человек, нуждаются в рассматриваемых ионах для нормального роста и развития и получают их с пищей.

Есть много вариантов, при помощи которых возможно восполнить недостающую норму элемента в организме. Лучше всего, конечно, естественные методы - продукты, содержащие нужный атом. Однако если это по каким-либо причинам недостаточно или невозможно, медицинский путь также приемлем.

Так, список продуктов, содержащих кальций, примерно такой:

молочные и кисломолочные изделия;
рыба;
зелень;
зерновые культуры (гречка, рис, выпечка из цельнозерновой муки);
некоторые цитрусовые (апельсины, мандарины);
бобовые;
все орехи (особенно, миндаль и грецкие).

Если же на какие-то продукты аллергия или нельзя употреблять их по другой причине, то восполнить уровень нужного элемента в организме помогут кальций содержащие препараты.

Все они представляют собой соли этого металла, обладающие способностью легко усваиваться организмом, быстро всасываясь в кровь и кишечник. Среди них самыми популярными и используемыми являются следующие.

Хлорид кальция - раствор для инъекций или для приема внутрь взрослым и детям. Отличается концентрацией соли в составе, используется для "горячих уколов", поскольку вызывает именно такое ощущение при вкалывании. Есть формы с фруктовым соком для облегчения приема внутрь.
Выпускается как таблетками (0,25 или 0,5 г), так и растворами для внутривенных инъекций. Часто в виде таблеток содержит различные фруктовые добавки.
Лактат кальция - выпускается в таблетках по 0,5 г.

Соединения кальция.

СаО – оксид кальция или негашеная извасть, получают его разложением известняка: СаСО 3 =СаО + СО 2 – это оксид щелочноземельного металла, поэтому он активно взаимодействует с водой: СаО + Н 2 О = Са(ОН) 2

Са(ОН) 2 – гидроксид кальция или гашеная известь, поэтому реакция СаО + Н 2 О = Са(ОН) 2 называется гашением извести. Если раствор профильтровать, получается известковая вода – это раствор щелочи, поэтому он изменяет окраску фенолфталеина в малиновый цвет.

Широко в строительстве применяется гашеная известь. Ее смесь с песком и водой - хороший связывающий материал. Под действием углекислого газа смесь отвердевает Са(ОН) 2 + CO 2 = СаСОз +Н 2 О.

Одновременно часть песка и смеси превращается в силикат Ca(OH) 2 +SiO 2 = CaSiO 3 +H 2 O.

Уравнения Са (ОН) 2 + СО 2 = СаСО 2 +Н 2 О и СаСО 3 +Н 2 О + СО 2 = Са(НСО 3) 2 играют большую роль в природе и в формировании облика нашей планеты. Углекислый газ в образе ваятеля и зодчего создает подземные дворцы в толщах карбонатных пород. Он способен под землей перемещать сотни и тысячи тонн известняка. По трещинам в горных породах вода , содержащая растворенный в ней углекислый газ, попадает в толщу известняка, образуя полости - кастровые пещеры. Гидрокарбонат кальция существует только в растворе. Грунтовые воды перемещаются в земной коре, испаряя в подходящих условиях воду : Са(НСОз) 2 = СаСОз + Н 2 О + СО 2 , так образуются сталактиты и сталагмиты, схема образования которых предложена известным геохимиком А.Е. Ферсманом. Очень много кастровых пещер в Крыму. Их изучением занимается наука спелеология .

Применяется в строительстве карбонат кальция СаСОз - это мел, известняк, мрамор. Все вы видели наш железнодорожный вокзал: он отделан белым мрамором, привезенным из-за границы.

опыт: дуть через трубку в раствор известковой воды, она мутнеет.

Са(ОН) 2 + СО 2 = СаСО 3 + Н 2 О

Приливает к образовавшемуся осадку уксусную кислоту, наблюдается вскипание, т.к. выделяется углекислый газ.

СаСО 3 +2СН 3 СООН = Са(СН 3 СОО) 2 +Н 2 О +СО 2

СКАЗКА О БРАТЬЯХ КАРБОНАТАХ.

На земле живут три брата
Из семейства Карбонатов.
Старший брат - красавец МРАМОР,
Славен именем Карары,
Превосходный зодчий. Он
Строил Рим и Парфенон.
Всем известен ИЗВЕСТНЯК,
Потому и назван так.
Знаменит своим трудом,
Возводя за домом дом.
И способен, и умел
Младший мягкий братец МЕЛ.
Как рисует, посмотри,
Этот СаСО 3 !
Любят братья порезвиться,
В жаркой печке прокалиться ,
СаО да СО 2 образуются тогда.
Это углекислый газ,
Каждый с ним знаком из вас,
Выдыхаем мы его.
Ну, а это СаО -
Жарко обожжённая ИЗВЕСТЬ НЕГАШЁНАЯ.
Добавляем к ней воды,
Тщательно мешая,
Чтобы не было беды,
Руки защищаем,
Круто замешённая ИЗВЕСТЬ, но ГАШЁНАЯ!
Известковым молоком
Стены белятся легко.
Светлый дом повеселел,
Превратив извёстку в мел.
Фокус-покус для народа:
Стоит лишь подуть сквозь воду,
Как она легко-легко
Превратилась в молоко!
А теперь довольно ловко
Получаю газировку:
Молоко плюс уксус. Ай!
Льётся пена через край!
Всё в заботах, всё в работе
От зари и до зари –
Эти братья Карбонаты,
Эти СаСО 3 !

Повторение: CaO – оксид кальция, негашеная известь;
Ca(OH) 2 – гидроксид кальция (гашеная известь, известковая вода, известковое молоко в зависимости от концентрации раствора).
Общее – одна и та же химическая формула Са(ОН) 2 . Отличие: известковая вода – прозрачный насыщенный раствор Са(ОН) 2 , а известковое молоко – это белая взвесь Са(ОН) 2 в воде.
CaCl 2 - хлорид кальция, хлористый кальций;
CaCO 3 – карбонат кальция, мел, мрамор ракушечник, известняк.
Л/Р: коллекции. Далее демонстрируем коллекцию имеющихся в школьной лаборатории минералов : известняк, мел, мрамор, ракушечник.
CaS0 4 ∙ 2H 2 0 - кристаллогидрат сульфата кальция, гипс;
CaCO 3 - кальцит, карбонат кальция входит в состав многих минералов, которые покрывают на земле 30 млн км 2 .

Самый важный из этих минералов – известняк . Ракушечники, известняки органического происхождения. Он идет на производство цемента, карбида кальция, соды, всех видов извести, в металлургии. Известняк – это основа строительной индустрии, из него делают многие строительные материалы.

Мел это не только зубной порошок и школьный мел. Это и ценная добавка при производстве бумаги (мелованная – высшего качества) и резины; в строительстве и ремонте зданий – в качестве побелки.

Мрамор – плотная кристаллическая порода. Есть цветной – белый, но чаще всего различные примеси окрашивают его в различные цвета . Чистый белый мрамор встречается редко и в основном идет на работу скульпторам (статуи Микеланджело, Родена. В строительстве цветной мрамор используют как облицовочный материал (Московское метро) или даже в качестве основного строительного материала дворцов (Тадж-Махал).

В мире интересного «МАВЗОЛЕЙ “Тадж-Махал”»

Шах – Джахан из династии Великих Моголов держал в страхе и повиновении едва ли не всю Азию. В 1629 году умерла Мумзат-Махал, любимая жена Шах-Джахана в 39 лет во время родов в походе (это был их 14 ребенок, причем все были мальчики). Она была необыкновенно красива, светла, умна, император во всем ее слушался. Перед смертью она просила мужа построить гробницу, заботится о детях, не жениться. Опечаленный царь посланцев своих отправил во все большие города, столицы соседних государств – в Бухару, Самарканд, Багдад, Дамаск, чтобы разыскать и пригласить лучших мастеров – в память о жене царь решил возвести лучшее в мире здание. Одновременно гонцы отправили в Агру (Индия) планы всех лучших сооружений Азии и лучшие строительные материалы. Везли даже из России и Урала малахит. Главные каменщики приехали из Дели и Кандагара; архитекторы – из Стамбула, Самарканда; декораторы – из Бухары; садоводы – из Бенгалии; художники – из Дамаска и Багдада, а руководил всем известный мастер Устад-Иса.

Совместными усилиями за 25 лет было построено меломраморное сооружение в окружении зеленых садов, голубых фонтанов и мечети из красного песчаника . 20000 рабов возводили это чудо 75 м (с25-этажный дом). Неподалеку хотел построить второй мавзолей из черного мрамора для себя, но не успел. Его сверг с престола родной сын (2-ой, причем он же убил и всех своих братьев).

Последние годы жизни правитель и повелитель Агры провел, смотря из узкого окошка своей темницы. 7 лет так отец любовался своим творением. Когда отец ослеп, сын сделал ему систему зеркал, чтобы отец мог любоваться мавзолеем. Похоронен он был в Тадж-Махале, рядом со своей Мумтаз.

Входящие в мавзолей видят кенотафы - ложные гробницы. Места вечного упокоения великого хана и его жены находятся внизу, в подвале. Там все инкрустировано драгоценными камнями, которые светятся, будто живые, а ветви сказочных деревьев, переплетаясь с цветами, причудливыми узорами украшают стены гробницы. Обработанные лучшими резчиками бирюзово-голубые лазуриты, зелено-черные нефриты и красные аметисты воспевают любовь Шах-Джахала и Мумзат-Махал.

Ежедневно в Агру спешат туристы , желающие увидеть истинное чудо света – мавзолей Тадж-Махал, будто парящий над землей.

CaCO 3 – это строительный материал наружного скелета моллюсков, кораллов, ракушек и др., скорлупы яиц. (иллюстрации или Животные кораллового биоценоза” и показ коллекции морских кораллов, губок, ракушечника) .

Введение

Свойства и применение кальция

1 Физические свойства

2 Химические свойства

3 Применение

Получение кальция

1 Электролитическое получение кальция и его сплавов

2 Термическое получение

3 Вакуум-термический способ получения кальция

3.1 Алюминотермический способ восстановления кальция

3.2 Силикотермический способ восстановления кальция

Практическая часть

Список используемой литературы

Введение

Химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 20, атомная масса 40,08; серебряно-белый легкий металл. Природный элемент представляет смесь шести стабильных изотопов: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca и 48Ca, из которых наиболее распространен 40Ca (96, 97%).

Способность кальция связывать кислород и азот позволила применить его для очистки инертных газов и как геттер (Геттер - вещество, служащее для поглощения газов и создания глубокого вакуума в электронных приборах.) в вакуумной радиоаппаратуре.

Кальций используют и в металлургии меди, никеля, специальных сталей и бронз; им связывают вредные примеси серы, фосфора, избыточного углерода. В тех же целях применяют сплавы кальция с кремнием, литием, натрием, бором, алюминием.

В промышленности кальций получают двумя способами:

) Нагреванием брикетированной смеси СаО и порошка Аl при 1200 °С в вакууме 0,01 - 0,02 мм. рт. ст.; выделяющиеся по реакции:

СаО + 2Аl = 3CaO · Al2O3 + 3Ca

Пары кальция кондонсируются на холодной поверхности.

) Электролизом расплава СаСl2 и КСl с жидким медно-кальциевым катодом приготовляют сплав Сu - Ca (65% Ca), из которого кальций отгоняют при температуре 950 - 1000 °С в вакууме 0,1 - 0,001 мм.рт.ст.

) Разработан также способ получения кальция термической диссоциацией карбида кальция СаС2.

Кальций весьма распространен в природе в форме различных соединений. В земной коре он занимает пятое место, составляя 3,25 %, и чаще всего встречается в виде известняка CaCO3, доломита CaCO3· Mg CO3, гипса CaSO4· 2H2O, фосфорита Ca3(PO4)2 и плавикового шпата CaF2, не считая значительной доли кальция в составе силикатных пород. В морской воде содержится в среднем 0,04% (вес.) кальция.

В данной курсовой работе изучены свойства и применение кальция, а так же подробно рассмотрена теория и технологии вакуум-термических способов его получения.

. Свойства и применение кальция

.1 Физические свойства

Кальций - серебристо-белый металл, но на воздухе тускнеет из-за образования оксида на его поверхности. Это пластичный металл тверже свинца. Кристаллическая решетка ?-формы Ca (устойчивой при обычной температуре) гранецентрированная кубическая, а = 5,56Å. Атомный радиус 1,97Å, ионный радиус Ca2+, 1,04Å. Плотность 1,54 г/см3(20 °C). Выше 464 °C устойчива гексагональная ?-форма. tпл 851 °C, tкип 1482 °C; температурный коэффициент линейного расширения 22·10-6 (0-300 °C); теплопроводность при 20 °C 125,6 Вт/(м·К) или 0,3 кал/(см·сек·°C); удельная теплоемкость (0-100 °C) 623,9 дж/(кг·К) или 0,149 кал/(г·°C); удельное электросопротивление при 20 °C 4,6·10-8 ом·м или 4,6·10-6 ом·см; температурный коэффициент электросопротивления 4,57·10-3 (20 °C). Модуль упругости 26 Гн/м2 (2600 кгс/мм2); предел прочности при растяжении 60 Мн/м2 (6 кгс/мм2); предел упругости 4 Мн/м2 (0,4 кгс/мм2), предел текучести 38 Мн/м2 (3,8 кгс/мм2); относительное удлинение 50%; твердость по Бринеллю 200-300 Мн/м2 (20-30 кгс/мм2). Кальций достаточно высокой чистоты пластичен, хорошо прессуется, прокатывается и поддается обработке резанием .

1.2 Химические свойства

Кальций - активный металл. Так при обычных условиях он легко взаимодействует с кислородом воздуха и галогенами:

Са + О2 = 2 СаО (оксид кальция) (1)

Са + Вr2 = СаВr2 (бромид кальция). (2)

С водородом, азотом, серой, фосфором, углеродом и другими неметаллами кальций реагирует при нагревании:

Са + Н2 = СаН2 (гидрид кальция) (3)

Са + N2 = Са3N2 (нитрид кальция) (4)

Са + S = СаS (сульфид кальция) (5)

Са + 2 Р = Са3Р2 (фосфид кальция) (6)

Са + 2 С = СаС2 (карбид кальция) (7)

С холодной водой кальций взаимодействует медленно, а с горячей - очень энергично, давая сильное основание Са(ОН)2:

Са + 2 Н2О = Са(ОН)2 + Н2 (8)

Будучи энергичным восстановителем, кальций может отнимать кислород или галогены от оксидов и галогенидов менее активных металлов, т. е. обладает восстановительными свойствами:

Са + Nb2О5 = СаО + 2 Nb; (9)

Са + 2 NbСl5 = 5 СаСl2 + 2 Nb (10)

Кальций энергично взаимодействует с кислотами с выделением водорода, реагирует с галогенами, с сухим водородом с образованием гидрида СаН2. При нагревании Кальций с графитом образуется карбид СаС2. Кальций получают электролизом расплавленного CaCl2 или алюминотермическим восстановлением в вакууме:

6СаО + 2Al = 3Ca + 3CaO·Al2О3 (11)

Чистый металл используют для восстановления соединений Cs, Rb, Cr, V, Zr, Th, U до металлов, для раскисления сталей .

1.3 Применение

Кальций находит все возрастающее.применение в различных отраслях производства. В последнее время он приобрел большое значение как восстановитель при получении ряда металлов.

Чистый металлический. уран получается восстановлением металлическим кальцием фтористого урана. Кальцием или его гидридами можно восстанавливать окислы титана, а также окислы циркония, тория, тантала, ниобия, других редких металлов.

Кальций является хорошим раскислителем и дегазатором при получении меди, никеля, хромоникелевых сплавов, специальных сталей, никелевых и оловянистых бронз; он удаляет из металлов и сплавов серу, фосфор, углерод.

Кальций образует с висмутом тугоплавкие соединения, поэтому его применяют для очистки свинца от висмута.

Кальций добавляют в различные легкие сплавы. Он способствует улучшению поверхности слитков, мелкозернистости и понижению окисляемости.

Большое распространение имеют содержащие кальций подшипниковые сплавы. Свинцовые сплавы (0,04 % Са) могут применяться для изготовления оболочек кабеля .

В технике применяются антифрикционные сплавы Кальция со свинцом. Широко применяются минералы Кальция. Так, известняк используют в производстве извести, цемента, силикатного кирпича и непосредственно как строительный материал, в металлургии (флюс), в химической промышленности для производства карбида кальция, соды, едкого натра, хлорной извести, удобрений, в производстве сахара, стекла.

Практическое значение имеют мел, мрамор, исландский шпат, гипс, флуорит и др. . Благодаря способности связывать кислород и азот кальций или сплавы кальция с натрием и другими металлами применяют для очистки благородных газов и как геттер в вакуумной радиоаппаратуре. Кальций так же применяется для получения гидрида, который является источником водорода в полевых условиях .

2. Получение кальция

Существует несколько способов получения кальция, это электролитическое, термическое, вакуум-термическое.

.1 Электролитическое получение кальция и его сплавов

Сущность метода заключается в том, что катод первоначально касается расплавленного электролита. В месте соприкосновения образуется хорошо смачивающая катод жидкая капля металла, которая при медленном и равномерном поднятии катода выводится вместе с ним из расплава и застывает. При этом застывающая капля покрывается твердой пленкой электролита, защищающий металл от окисления и азотирования. Путем непрерывного и осторожного подъема катода кальций вытягивается в стержни.

2.2 Термическое получение

кальций химический электролитический термический

·Хлоридный процесс: технология состоит из расплавления и обезвоживания хлористого кальция, расплавления свинца, получения двойного сплава свинец - натрий, получение тройного сплава свинец - натрий - кальций и разбавления тройного сплава свинцом после удаления солей. Реакция с хлористым кальцием протекает согласно уравнению

CaCl2 + Na2Pb5=2NaCl + PbCa + 2Pb (12)

·Карбидный процесс: в основе получения свинцово-кальциевого сплава лежит реакция между карбидом кальция и расплавленным свинцом согласно уравнению

CaC2 + 3Pb = Pb3Ca + 2C . (13)

2.3 Вакуум-термический способ получения кальция

Сырье для вакуум-термического способа

Сырьем для термического восстановления окиси кальция является известь, получаемая обжигом известняка. Основные требования к сырью заключаются в следующем: известь должна быть как можно чище и содержать минимум примесей, способных восстанавливаться и переходить в металл наряду с кальцием, особенно щелочных металлов и магния. Обжиг известняка должен производиться до полного разложения карбоната, однако не до его спекания, так как восстановимость спеченного материала ниже. Обожженный продукт необходимо предохранять от поглощения им влаги и углекислоты, выделение которых при восстановлении снижает показатели процесса. Технология обжига известняка и переработки обожженного продукта аналогична обработке доломита для силикотермического способа получения магния.

.3.1 Алюминотермический способ восстановления кальция

На диаграмме температурной зависимости изменения свободной энергии окисления ряда металлов (рис. 1) видно, что окись кальция является одним из наиболее прочных и трудно восстанавливаемых окислов. Она не может быть восстановлена другими металлами обычным путем - при относительно невысокой температуре и атмосферном давлении. Напротив, кальций сам является отличным восстановителем других трудно восстанавливаемых соединений и раскислителем для многих металлов и сплавов. Восстановление окиси кальция углеродом вообще невозможно вследствие образования карбидов кальция. Однако благодаря тому, что кальций обладает относительно высокой упругостью пара, его окись может быть восстановлена в вакууме алюминием, кремнием или их сплавами согласно реакции

CaO + Me ? Ca + MeO (14).

Практическое применение пока нашел только алюминотермический способ получения кальция, поскольку восстановить СаО алюминием значительно легче, чем кремнием. По вопросу химизма восстановления окиси кальция алюминием имеются разные взгляды. Л. Пиджен и И. Эткинсон полагают, что реакция протекает с образованием моноалюмината кальция:

СаО + 2Аl = СаО·Al2O3+ 3Са. (15)

В. А. Пазухин и А. Я. Фишер указывают, что процесс идет с образованием трехкальциевого алюмината:

СаО + 2Аl = 3СаО·Al2O3 + 3Са. (16)

По А. И. Войницкому , преобладающим в реакции является образование пятикальциевого трехалюмината:

СаО + 6Аl = 5СаО ·3Al2O3+ 9Са. (17)

Новейшими исследованиями, А. Ю. Тайца и А. И. Войницкого установлено, что алюминотермическое восстановление кальция протекает ступенчато. Вначале выделение кальция сопровождается образованием ЗСаО·AI2O3, который затем реагирует с окисью кальция и алюминием с образованием ЗСаО·3AI2O3. Реакция протекает по следующей схеме:

СаО + 6Аl = 2 (3СаО·Al2O3)+ 2СаО + 2Аl + 6Са

(3СаО·Al2O3) + 2СаО + 2Аl = 5СаО·3Al2O3+ 3Са

CaO+ 6А1 = 5СаО·3Al2O3+ 9Са

Так как восстановление окиси происходит с выделением парообразного кальция, а остальные продукты реакции находятся в конденсированном состоянии, удается легко отделить и сконденсировать его в охлаждаемых участках печи. Основными условиями, необходимыми для вакуум-термического восстановления окиси кальция, являются высокая температура и низкое остаточное давление в системе. Ниже приводится зависимость между температурой и равновесной упругостью паров кальция. Свободная энергия реакции (17), вычисленная для температур 1124-1728° К выражается

FT = 184820 + 6,95Т-12,1 T lg Т.

Отсюда логарифмическая зависимость равновесной упругости пара кальция (мм рт. ст.)

Lg p = 3,59 - 4430\Т.

Л. Пиджен и И. Эткинсон определили экспериментально равновесную упругость пара кальция. Обстоятельный термодинамический анализ реакции восстановления окиси кальция алюминием выполнен И. И. Матвеенко, который дал следующие температурные зависимости равновесного давления паров кальция:

Lg p Ca(1)=8,64 - 12930\T мм рт.ст.

Lg p Ca(2)=8,62 - 11780\Т мм рт.ст.

Lg p Ca(3)=8,75 - 12500\Т мм рт.ст.

Вычисленные и экспериментальные данные сопоставлены в табл. 1.

Таблица 1- Влияние температуры на изменение равновесной упругости паров кальция в системах (1), (2), (3), (3), мм рт.ст.

Температура °СОпытные данныеВычисленные в системах(1)(2)(3)(3)1401 1451 1500 1600 17000,791 1016 - - -0,37 0,55 1,2 3,9 11,01,7 3,2 5,6 18,2 492,7 3,5 4,4 6,6 9,50,66 1,4 2,5 8,5 25,7

Из приведенных данных видно, что в наиболее благоприятных условиях находятся взаимодействия в системах (2) и (3) или (3"). Это отвечает наблюдениям, так как в остатках шихты после восстановления окиси кальция алюминием преобладают пятикальциевый трехалюминат и трехкальциевый алюминат.

Данные о равновесной упругости показывают, что восстановление окиси кальция алюминием возможно при температуре 1100-1150° С. Для достижения практически приемлемой скорости реакции остаточное давление в системе Рост должно быть ниже равновесного Рравн, т. е. должно соблюдаться неравенство Рравн>Рост, и процесс должен проводиться при температурах порядка 1200°. Исследованиями установлено, что при температуре 1200-1250° достигается высокое использование (до 70-75%) и низкий удельный расход алюминия (около 0,6-0,65 кг на кг кальция).

Согласно приведенной выше трактовке химизма процесса, оптимальной по составу является шихта, рассчитанная на образование в остатке 5СаО·3Al2O3. Для повышения степени использования алюминия полезно давать некоторый избыток окиси кальция, однако не слишком большой (10-20%), иначе это отрицательно скажется на других показателях процесса. С увеличением степени измельчения алюминия от частиц 0,8-0,2 мм до минус 0,07 мм (по данным В. А. Пазухина и А. Я. Фишера) использование алюминия в реакции возрастает от 63,7 до 78%.

На использование алюминия влияет также режим брикетирования шихты. Смесь извести и порошкового алюминия следует брикетировать без связующих (чтобы избежать выделения газов в вакууме) при давлении 150 кг/см2. При меньших давлениях использование алюминия уменьшается вследствие ликвации расплавленного алюминия в излишне пористых брикетах, а при больших давлениях - из-за плохой газопроницаемости. Полнота и скорость восстановления также зависят от плотности укладки брикетов в реторте. При укладке их без зазоров, когда газопроницаемость всей садки мала, использование алюминия значительно снижается.

Рисунок 2 - Схема получения кальция вакуум-термическим способом.

Технология алюмино-термического способа

Технологическая схема производства кальция алюминотермическим способом изображена на рис. 2. В качестве исходного сырья применяется известняк, в качестве восстановителя - алюминиевый порошок, приготовленный из первичного (лучше) или вторичного алюминия. Применяемый в качестве восстановителя алюминий, так же как и сырье, не должен содержать примесей легко летучих металлов: магния, цинка, щелочей и др., способных испаряться и переходить в конденсат. Это необходимо учитывать при выборе марок вторичного алюминия.

По описанию С. Лумиса и П. Штауба, в США на заводе фирмы Нью Ингленд Лайм Ко в Ханаане (штат Коннектикут), получают кальций алюминотермическим способом. Применяется известь следующего типичного состава, %: 97,5 СаО, 0,65 MgO, 0,7SiO2, 0,6 Fe2Оз + АlОз, 0,09 Na2О + K2О, 0,5 остальное. Обожженный продукт размалывается на мельнице Раймонда с центробежным сепаратором, тонкость помола составляет (60%) минус 200 меш. В качестве восстановителя применяют алюминиевую пыль, являющуюся отходом при производстве алюминиевого порошка. Обожженная известь из закрытых бункеров и алюминий из барабанов поступают на дозировочные весы и затем в смеситель. После смешения шихта брикетируется сухим способом. На упомянутом заводе восстанавливают кальций в ретортных печах, ранее применявшихся для получения магния силикотермическим способом (рис. 3). Печи обогревают генераторным газом. Каждая печь имеет 20 горизонтальных реторт из жароупорной стали, содержащей 28% Сг и 15% Ni.

Рисунок 3- Ретортная печь для получения кальция

Длина реторты 3 м, диаметр 254 мм, толщина стенки 28 мм. Восстановление происходит в обогреваемой части реторты, а конденсация в охлаждаемом конце, выступающем из речи. Брикеты вводятся в реторту в бумажных мешках, затем вставляются конденсаторы и реторту закрывают. Откачка воздуха производится механическими вакуум-насосами вначале цикла. Затем подключают диффузионные насосы и остаточное давление снижается до 20 мк.

Реторты нагревают до 1200°. Через 12 час. после загрузки реторты открывают и разгружают. Полученный кальций имеет форму пустотелого цилиндра из плотной массы больших кристаллов, осажденных на поверхности стальной гильзы. Основной примесью в кальции является магний, который восстанавливается в первую очередь и в основном концентрируется в прилегающем к гильзе слое. В среднем содержание примесей составляет; 0,5- 1% Mg, около 0,2% Аl, 0,005-0,02% Мn, до 0,02% N, остальные примеси - Си, РЬ, Zn, Ni, Si, Fe - встречаются в пределах 0,005-0,04%. А. Ю. Тайц и А. И. Войницкий для получения кальция алюминотермическим способом применяли полузаводcкую электрическую вакуумную печь с угольными нагревателями и достигали степени использования алюминия 60%, удельного расхода алюминия 0,78 кг, удельного расхода шихты соответственно 4,35 кг и удельного расхода электроэнергии 14 квт\ч на 1 кг металла.

Полученный металл, за исключением примеси магния, отличался относительно высокой чистотой. В среднем содержание примесей в нем составляло: 0,003-0,004% Fe, 0,005-0,008% Si, 0,04-0,15% Mn, 0,0025-0,004% Сu, 0,006-0,009% N, 0,25% Al.

2.3.2 Силикотермический способ восстановления кальция

Весьма заманчивым является силикотермический способ; восстановитель - ферросилиций, реагент значительно более дешевый, чем алюминий. Однако силикотермический процесс труднее осуществить, чем алюминотермический. Восстановление окиси кальция кремнием протекает согласно уравнению

СаО + Si = 2СаО ·SiO2 + 2Са. (18)

Равновесная упругость пара кальция, вычисленная по величинам свободной энергии, составляет:

°С1300140015001600Р, мм рт. ст0,080,150,752,05

Следовательно, в вакууме порядка 0,01 мм рт. ст. восстановление окиси кальция термодинамически возможно при температуре 1300°. Практически для обеспечения приемлемой скорости процесс должен проводиться при температуре 1400-1500°.

Несколько легче идет реакция восстановления окиси кальция силикоалюминием, в которой восстановителями служат и алюминий и кремний сплава. Опытами установлено, что вначале преобладает восстановление алюминием; причем реакция протекает с конечным образованием бСаО·3Al2Оз по схеме, изложенной выше (рис. 1). Восстановление кремнием становится значительным при более высокой температуре, когда большая часть алюминия прореагировала; реакция протекает с образованием 2CaO·SiO2. В суммарном виде реакция восстановления окиси кальция силикоалюминием выражается следующим уравнением:

mSi + п Аl + (4m +2 ?) СаО = m(2СаО ·SiO2) + ?n(5СаО·Al2O3) + (2m +1, 5n) Са.

Исследованиями A. Ю. Тайца и A. И. Войницкого установлено, что окись кальция восстанавливается 75%-ным ферросилицием с выходом металла 50-75% при температуре 1400-1450° в вакууме 0,01-0,03 мм рт. ст.; силикоалюминий, содержащий 60-30% Si и 32-58% Аl (остальное железо, титан и пр.), восстанавливает окись кальция с выходом металла примерно 70% при температурах 1350-1400° в вакууме 0,01-0,05 мм рт. ст. Опытами в полузаводском масштабе доказана принципиальная возможность получения кальция на извести ферросилицием и силикоалюминием. Основной аппаратурной трудностью является подбор стойкой в условиях этого процесса футеровки.

При решении этой задачи способ может быть реализован в промышленности. Разложение карбида кальция Получение металлического кальция разложением карбида кальция

СаС2 = Са + 2С

следует отнести к перспективным способам. При этом в качестве второго продукта получают графит. В. Маудерли, Е. Мозер, И В. Тредвелл вычислив свободную энергию образования карбида кальция из термохимических данных, получили следующее выражение для упругости пара кальция над чистым карбидом кальция:

ca= 1,35 - 4505\Т (1124- 1712° К),

lgpca = 6,62 - 13523\Т(1712-2000° К).

По-видимому, технический карбид кальция разлагается при значительно более высоких температурах, чем это следует из данных выражений. Те же авторы сообщают о термическом разложении карбида кальция в компактных кусках при 1600-1800° в вакууме 1 мм рт. ст. Выход графита составил 94%, кальций получался в виде плотного налета на холодильнике. А. С. Микулинский, Ф. С. Мории, Р. Ш. Шкляр для определения свойств графита, полученного разложением карбида кальция, нагревали последний в вакууме 0,3-1 мм рт. ст. при температуре 1630-1750°. Полученный графит отличается от ачесоновского более крупными зернами, большей электропроводностью и меньшим объемным весом .

3. Практическая часть

Суточная выливка магния из электролизера на силу тока 100 кА составила 960 кг при питании ванны хлористым магнием. Напряжение на шутне электролизера 0,6 В. Определить:

)Выход по току на катоде;

)Количество хлора, полученного за сутки, при условии, что выход по току на аноде равен выходу по току на ктоде;

)Суточную заливку MgCl2 в электролизер при условии, что потери MgCl2 происходят в основном со шламом и возгоном. Количество шлама 0,1 на 1т Mg, содержащего MgCl2 в возгоне 50%. Количество возгона 0,05 т на 1т Mg. Состав заливаемого хлорида магния, %: 92 MgCl2 и 8 NaCl.

.Определить выход по току на катоде:

mпр=I·?·kMg·?

?=mпр\I·?· kMg=960000\100000·0,454·24=0,881 или 88,1%

.Определить количество Cl, полученного за сутки:

x=960000г \ 24 г\моль=40000 моль

Переводим в объем:

х=126785,7 м3

3.а) Находим чистый MgCl2, для производства 960 кг Mg.

x=95·960\24,3=3753 кг=37,53 т.

б) потери со шламом. Из состава магниевых электролизеров, %: 20-35 MgO, 2-5 Mg, 2-6 Fe, 2-4 SiO2, 0,8-2 TiO2, 0,4-1,0 C, 35 MgCl2 .

кг - 1000 кг

mшл=960 кг - масса шлама за сутки.

За сутки 96 кг шлама: 96·0,35 (MgCl2 со шламом).

в) потери с возгонами:

кг - 1000 кг

кг возгонов: 48·0,5=24 кг MgCl2 с возгонами.

Всего надо залить Mg:

33,6+24=3810,6 кг MgCl2 в сут.

Список используемой литературы

Основы металлургии III

<#"justify"> металлургия Al и Mg. Ветюков М.М., Цыплоков А.М.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Похожие статьи: