Кальций. Практическое применение

ГБОУ ВПО  Курский государственный медицинский  университет

 

Кафедра общей  и неорганической химии

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему: 
Кальций. Практическое применение.

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка 1 курса, 1 группы

стоматологического  фак-та

Игнатенко В.В.

 

 

 

Содержание

 

Введение………………………………………………………………3.

История и происхождение  названия………………………………..4.

Нахождение в  природе………………………………………………4.

Получение……………………………………………………………..5.

Физические свойства………………………………………………….5.

Химические свойства…………………………………………………5.

Применение металлического кальция………………………………7.

Применение соединений кальция……………………………………8.

Биологическая роль……………………………………………………9.

Применение кальция  в медицине, стоматологии…………………..10.

Заключение……………………………………………………………13.

Список  литературы…………………………………………………….14.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Кальций — 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.

Несмотря на повсеместную распространенность элемента №20, даже химики и то не все видели элементарный кальций. А ведь этот металл и внешне и по поведению совсем непохож на щелочные металлы, общение с которыми чревато опасностью пожаров и ожогов. Его можно спокойно хранить на воздухе, он не воспламеняется от воды. Механические свойства элементарного кальция не делают его «белой вороной» в семье металлов: по прочности и твердости кальций превосходит многие из них; его можно обтачивать на токарном станке, вытягивать в проволоку, ковать, прессовать.

И все-таки в качестве конструкционного материала  элементарный кальций почти не применяется. Для этого он слишком активен. Кальций легко реагирует с кислородом, серой, галогенами. Даже с азотом и водородом при определенных условиях он вступает в реакции. Среда окислов углерода, инертная для большинства металлов, для кальция – агрессивная. Он сгорает в атмосфере CO и CO₂.

 

История и происхождение названия

 

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 нее 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

 

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).

Изотопы. Кальций встречается в природе в виде смеси шести изотопов: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca и 48Ca, среди которых наиболее распространённый — 40Ca — составляет 96,97 %.

Из  шести природных изотопов кальция  пять стабильны. Шестой изотоп 48Ca, самый  тяжелый из шести и весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0,187 %), как было недавно  обнаружено, испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 5,3Ч1019 лет.

В горных породах и минералах. 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 (четвертое место по числу минералов).

Миграция в земной коре. 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:

 

СаСО₃ + H₂O + CO₂ ↔ Са (НСО₃)₂ ↔ Ca₂+ + 2HCO₃-

 

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

Биогенная миграция. В биосфере 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

 

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:

4CaO + 2Al = CaAl₂O₄ + 3Ca.

 

Физические свойства

 

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 ΔH0 перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль.

 

Химические свойства

 

Кальций — типичный щелочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем всех других щелочноземельных 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 щелочноземельные 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:

Ca + 2Н₂О = Ca(ОН)₂ + Н₂↑ + Q.

 

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

 

2Са + О₂ = 2СаО, Са + Br₂ = CaBr₂.

 

При нагревании на воздухе или в кислороде  кальций воспламеняется. С менее  активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

 

Са + Н₂ = СаН₂, Ca + 6B = CaB₆,

3Ca + N₂ = Ca₃N₂, Са + 2С = СаС₂,

3Са + 2Р  = Са3Р₂ (

 

фосфид  кальция), известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР5;

 

2Ca + Si = Ca2Si

 

(силицид  кальция), известны также силициды  кальция составов CaSi, Ca₃Si₄ и _CaSi2.

Протекание  указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты (то есть эти реакции — экзотермические). Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

 

_СаН2 + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂↑,

Ca₃N₂ + 3Н₂О = 3Са(ОН)₂ + 2NH₃↑.

 

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:

 

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂.

 

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

 

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + СО₂↑ + Н₂О.

 

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

Наличие в воде растворенного  гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жёсткость воды. Временной  ее 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 металлического кальция

 

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.

Металлотермия

Чистый металлический  кальций широко применяется в  металлотермии при получении  редких металлов.

Легирование сплавов

Чистый кальций  применяется для легирования свинца, идущего на изготовление аккумуляторных пластин, необслуживаемых стартерных свинцово-кислотных аккумуляторов с малым саморазрядом. Также металлический кальций идет на производство качественных кальциевых баббитов БКА.

Ядерный синтез

Изотоп 48Ca — наиболее эффективный и употребительный  материал для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементов  таблицы Менделеева. Например, в  случае использования ионов 48Ca для  получения сверхтяжёлых элементов  на ускорителях ядра этих элементов образуются в сотни и тысячи раз эффективней, чем при использовании других «снарядов» (ионов).

 

Применение соединений кальция

 

Гидрид кальция. Нагреванием кальция в атмосфере водорода получают CaH2 (гидрид кальция), используемый в металлургии (металлотермии) и при получении водорода в полевых условиях.

Оптические и лазерные материалы.Фторид кальция (флюорит) применяется в виде монокристаллов в оптике (астрономические объективы, линзы, призмы) и как лазерный материал. Вольфрамат кальция (шеелит) в виде монокристаллов применяется в лазерной технике, а также как сцинтиллятор.

Карбид кальция. Карбид кальция CaC2 широко применяется для получения ацетилена и для восстановления металлов, а также при получении цианамида кальция (нагреванием карбида кальция в азоте при 1200 °C, реакция идет экзотермически, проводится в цианамидных печах).