Interested Article - Кальций

20
Кальций
40,078
4s 2

Ка́льций ( химический символ Ca , от лат. Ca lcium ) — химический элемент 2-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы, IIA) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 20.

Простое вещество кальций — это умеренно твёрдый , очень лёгкий химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета .

Впервые получен в чистом виде Г. Дэви в 1808 году .

Кальций относится к числу жизненно важных элементов для организмов.

История и происхождение названия

Название элемента происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis ) — «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Гемфри 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, погружённая в жидкую ртуть . В результате электролиза получалась амальгама кальция. Отогнав из неё ртуть, Дэви получил металл , названный кальцием.

Соединения кальция — известняк , мрамор , гипс (а также известь — продукт обжига известняка) применялись в строительном деле уже несколько тысячелетий назад. Вплоть до конца XVIII века химики считали известь простым телом. В 1789 году А. Лавуазье предположил, что известь, магнезия , барит , глинозём и кремнезём — вещества сложные.

Нахождение в природе

Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается.

На долю кальция приходится 3,38 % массы земной коры ( 5-е место по распространенности после кислорода , кремния , алюминия и железа ). Содержание элемента в морской воде 400 мг/л .

Изотопы

Кальций встречается в природе в виде смеси шести изотопов : 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca и 48 Ca, среди которых наиболее распространённый — 40 Ca — составляет 96,97 %. Ядра кальция содержат магическое число протонов: Z = 20 . Изотопы 40
20
Ca 20
и 48
20
Ca 28
являются двумя из пяти существующих в природе дважды магических ядер .

Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48 Ca, самый тяжёлый из шести и весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0,187 %), испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада (4,39 ± 0,58)⋅10 19 лет .

В горных породах и минералах

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

Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород ( граниты , гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате — анортите Ca[Al 2 Si 2 O 8 ].

Кальцит

Довольно широко распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO 3 , ангидрит CaSO 4 , алебастр CaSO 4 ·0.5H 2 O и гипс CaSO 4 ·2H 2 O, флюорит CaF 2 , апатиты Ca 5 (PO 4 ) 3 (F,Cl,OH), доломит MgCO 3 ·CaCO 3 . Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется её жёсткость .

Осадочная порода, состоящая в основном из скрытокристаллического кальцита — известняк (одна из его разновидностей — мел ). Под действием регионального метаморфизма известняк преобразуется в мрамор .

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:

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

Огромную роль играет биогенная миграция.

В биосфере

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях ( ). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca 5 (PO 4 ) 3 OH, или, в другой записи, 3Ca 3 (PO 4 ) 2 ·Са(OH) 2 — основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO 3 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).

Физические свойства

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях . До 443 °C устойчив α -Ca с кубической гранецентрированной решёткой (параметр а = 0,558 нм ), выше устойчив β -Ca с кубической объёмно-центрированной решёткой типа α -Fe (параметр a = 0,448 нм ). Стандартная энтальпия перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль . При температуре выше 839 °C плавится, превращаясь в блестящую жидкость [ источник не указан 401 день ] .

При постепенном повышении давления начинает проявлять свойства полупроводника , но не становится полупроводником в полном смысле этого слова (металлом уже тоже не является). При дальнейшем повышении давления возвращается в металлическое состояние и начинает проявлять сверхпроводящие свойства (температура сверхпроводимости в шесть раз выше, чем у ртути, и намного превосходит по проводимости все остальные элементы). Уникальное поведение кальция похоже во многом на стронций (то есть параллели в периодической системе сохраняются) .

Химические свойства

Кальций — типичный щёлочноземельный металл . Химическая активность кальция высока, но ниже, чем у более тяжёлых щёлочноземельных металлов. Он легко взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влагой воздуха, из-за чего поверхность металлического кальция обычно тускло-серая, поэтому в лаборатории кальций обычно хранят, как и другие щёлочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина или жидкого парафина .

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода . Стандартный электродный потенциал пары Ca 2+ /Ca 0 −2,84 В , так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:

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

Как и для всех остальных металлов, так и для кальция характерно вытеснение менее активных металлов из их солей:

При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется и горит красным пламенем с оранжевым оттенком («кирпично-красным»). С менее активными неметаллами ( водородом , бором , углеродом , кремнием , азотом , фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

Кроме получающихся в этих реакциях фосфида кальция Ca 3 P 2 и силицида кальция Ca 2 Si, известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР 5 и силициды кальция составов CaSi, Ca 3 Si 4 и CaSi 2 .

Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты. Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

Ион Ca 2+ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

Такие соли кальция, как хлорид CaCl 2 , бромид CaBr 2 , иодид CaI 2 и нитрат Ca(NO 3 ) 2 , хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF 2 , карбонат CaCO 3 , сульфат CaSO 4 , ортофосфат Ca 3 (PO 4 ) 2 , оксалат СаС 2 О 4 и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция СаСО 3 , кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО 3 ) 2 в воде растворим. В природе это приводит к следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная углекислым газом , проникает под землю и попадает на известняки , то наблюдается их растворение, а в тех местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция

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

Наличие в воде растворённого гидрокарбоната кальция во многом определяет вре́менную жёсткость воды. Вре́менной её называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО 3 . Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь .

Получение

Свободный металлический кальций получают электролизом расплава , состоящего из CaCl 2 (75—80 %) и KCl или из CaCl 2 и CaF 2 , а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170—1200 °C

Применение

Главное применение металлического кальция — это использование его как восстановителя при получении металлов, особенно никеля, меди и нержавеющей стали [ источник не указан 401 день ] . Кальций и его гидрид широко [ источник не указан 401 день ] используются также для получения трудно восстанавливаемых металлов, таких, как хром , торий , уран , титан , цирконий . Сплавы кальция со свинцом применяются в некоторых видах аккумуляторных батарей и при производстве подшипников. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов [ источник не указан 401 день ] . Чистый металлический кальций широко [ источник не указан 401 день ] применяется в металлотермии [ источник не указан 401 день ] при получении редкоземельных элементов . Соединения кальция в его различных формах используются для создания произведений искусства, таких как скульптуры [ источник не указан 401 день ] .

Кальций широко применяется в металлургии для раскисления стали наряду с алюминием или в сочетании с ним. Внепечная обработка кальцийсодержащими проволоками занимает ведущее положение в связи с многофакторностью влияния кальция на физико-химическое состояние расплава, макро- и микроструктуры металла, качество и свойства металлопродукции и является неотъемлемой частью технологии производства стали . В современной металлургии для ввода в расплав кальция используется инжекционная проволока, представляющая собой кальций (иногда силикокальций или алюмокальций) в виде порошка или прессованного металла в стальной оболочке. Наряду с раскислением (удалением растворённого в стали кислорода) использование кальция позволяет получить благоприятные по природе, составу и форме неметаллические включения, не разрушающиеся в ходе дальнейших технологических операций . Cоединения кальция используются в качестве строительных и отделочных материалов [ источник не указан 401 день ] .

Изотоп 48 Ca — один из эффективных и употребительных материалов для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементов таблицы Менделеева . Это связано с тем, что кальций-48 является дважды магическим ядром , поэтому его устойчивость позволяет ему быть достаточно нейтроноизбыточным для лёгкого ядра; при синтезе сверхтяжёлых ядер необходим избыток нейтронов.

Биологическая роль

Кальций — распространённый макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть находится в скелете и зубах . В костях кальций содержится в виде гидроксиапатита . Из различных форм карбоната кальция (извести) состоят «скелеты» большинства групп беспозвоночных (губки, коралловые полипы, моллюски и др.). Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови , а также служат одним из универсальных вторичных посредников внутри клеток и регулируют самые разные внутриклеточные процессы — мышечное сокращение , экзоцитоз , в том числе секрецию гормонов и нейромедиаторов . Концентрация кальция в цитоплазме клеток человека составляет около 10 −4 ммоль/л , в межклеточных жидкостях около 2,5 ммоль/л .

Потребность в кальции зависит от возраста. Для взрослых в возрасте 19—50 лет и детей 4—8 лет включительно дневная потребность (RDA) составляет 1000 мг , а для детей в возрасте от 9 до 18 лет включительно — 1300 мг в сутки . В подростковом возрасте потребление достаточного количества кальция очень важно из-за интенсивного роста скелета. Однако по данным исследований в США всего 11 % девочек и 31 % мальчиков в возрасте 12—19 лет достигают своих потребностей . В сбалансированной диете большая часть кальция (около 80 %) поступает в организм ребёнка с молочными продуктами . Оставшийся кальций приходится на зерновые (в том числе цельнозерновой хлеб и гречку), бобовые, апельсины [ источник не указан 3061 день ] , зелень [ источник не указан 3061 день ] , орехи. Всасывание кальция в кишечнике происходит двумя способами: через клетки кишечника (трансцеллюлярно) и межклеточно (парацелюллярно). Первый механизм опосредован действием активной формы витамина D ( кальцитриола ) и её кишечными рецепторами. Он играет большую роль при малом и умеренном потреблении кальция. При большем содержании кальция в диете основную роль начинает играть межклеточная абсорбция, которая связана с большим градиентом концентрации кальция. За счёт чрезклеточного механизма кальций всасывается в большей степени в двенадцатиперстной кишке (из-за наибольшей концентрации там рецепторов в кальцитриолу). За счёт межклеточного пассивного переноса абсорбция кальция наиболее активна во всех трёх отделах тонкого кишечника. Всасыванию кальция парацеллюлярно способствует лактоза (молочный сахар). Кальций составляет до 2% веса человека и животных [ источник не указан 401 день ] .

Усвоению кальция препятствуют некоторые животные жиры (включая жир коровьего молока и говяжий жир, но не сало ) и пальмовое масло . Содержащиеся в таких жирах пальмитиновая и стеариновая жирные кислоты отщепляются при переваривании в кишечнике и в свободном виде прочно связывают кальций, образуя пальмитат кальция и стеарат кальция (нерастворимые мыла ) . В виде этого мыла со стулом теряется как кальций, так и жир. Этот механизм ответственен за снижение всасывания кальция , снижение минерализации костей и снижение косвенных показателей их прочности у младенцев при использовании детских смесей на основе пальмового масла (пальмового олеина). У таких детей образование кальциевых мыл в кишечнике ассоциируется с уплотнением стула , уменьшением его частоты , а также более частым срыгиванием и коликами .

Концентрация кальция в крови из-за её важности для большого числа жизненно важных процессов точно регулируется, и при правильном питании и достаточном потреблении обезжиренных молочных продуктов и витамина D дефицита не возникает. Длительный дефицит кальция и/или витамина D в диете приводит к увеличению риска остеопороза , а в младенчестве вызывает рахит .

Избыточные дозы кальция и витамина D могут вызвать гиперкальцемию . Максимальная безопасная доза для взрослых в возрасте от 19 до 50 лет включительно составляет 2500 мг в сутки (около 340 г сыра Эдам ).

Основные источники кальция в пище

Содержание кальция в продуктах определяется исходя из усреднённой порции для каждого вида пищевого продукта. Помимо собственно содержания кальция важна также его биодоступность . В целом в продуктах животного происхождения содержится больше кальция, чем в растительных. Наибольшее количество кальция содержится в молочных продуктах (но из них усваивается только 27–30 % кальция), консервированной рыбе (за счет съедобных косточек), орехах и семенах (биодоступность кальция в среднем 20 % ), бобовых ( фасоль , нут , чечевица , маш , горох , соя , эдамамэ , в которых содержатся также вещества, затрудняющие усвоение кальция, и, чтобы повысить его биодоступность, их лучше подвергнуть тепловой обработке), некоторые овощи ( кресс-салат , капуста бок-чой , листовой салат , брокколи ), некоторые фрукты и ягоды :

Продукты с наибольшим содержанием кальция
Продукт Стандартная порция Содержание кальция, мг Доля от суточной нормы кальция, %
нежирный йогурт без добавок 227 г (8 весовых унций ) 415 32
апельсиновый сок, обогащённый кальцием 200 мл (1 чашка) 349 27
фруктовый нежирный йогурт 227 г 344 27
сыр моцарелла 42,5 г (1,5 унции) 333 26
сардины консервированные в масле с костями 85 г (3 унции) 325 25
обезжиренное молоко и соевое молоко 200 мл 299 23
соевое молоко, обогащённое кальцием 200 мл 299 23
цельное молоко 3,25 % жирности 200 мл 276 21
твёрдый тофу, приготовленный на растворе сульфата кальция 100 мл 253 19
розовый косервированный лосось с костями 85 г 181 14
творог жирностью 1 % 200 мл 138 11
мягкий тофу, приготовленный на растворе сульфата кальция 100 мл 138 11
варёные соевые бобы 100 мл 131 10
отварной шпинат 100 мл 123 9
мягкий замороженный йогурт (ванильный) 100 мл 103 8
отварная свежая зелёная репа 100 мл 99 8
свежая капуста после тепловой обработки 200 мл 94 7
семена чиа 1 столовая ложка 76 6
свежая китайская капуста бок-чой (измельчённая) 100 мл 74 6
консервированная фасоль (без жидкости) 100 мл 54 4
кукурузная лепёшка диаметром 15 см 46 4
маложирная сметана 2 столовые ложки 31 2
цельнозерновой хлеб 1 ломтик 30 2
сырая рубленая капуста 200 мл 24 2
сырая брокколи 100 мл 21 2
яблоко сорта Голден плод среднего размера 10 0

Содержание кальция в молоке сильно зависит от его жирности — в жирном молоке меньше концентрация кальция .

Примечания

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. (англ.) // Pure and Applied Chemistry . — 2013. — Vol. 85 , no. 5 . — P. 1047—1078 . — doi : . 5 февраля 2014 года.
  2. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 293. — 671 с. — 100 000 экз.
  3. Твёрдость по Бринеллю 200—300 МПа
  4. Riley J.P. and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965.
  5. Pritychenko B. // Nuclear Data Sheets. — 2014. — Июнь ( т. 120 ). — С. 102—105 . — ISSN . — doi : . [ ]
  6. Pritychenko B. . National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Дата обращения: 6 декабря 2015. 28 апреля 2017 года.
  7. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др. — 2-е изд., испр. — М. Л. : Химия, 1966. — Т. 1. — 1072 с.
  8. . Дата обращения: 9 апреля 2010. 9 апреля 2010 года.
  9. Кальций // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  10. Дюдкин Д. А., Кисиленко В. В. // Электрометаллургия : журнал. — 2009. — Май ( № 5 ). — С. 2—6 . 2 марта 2016 года.
  11. Михайлов Г. Г., Чернова Л. А. // Электрометаллургия : журнал. — 2008. — Март ( № 3 ). — С. 6—8 . 2 марта 2016 года.
  12. . Дата обращения: 22 марта 2013. 10 сентября 2018 года.
  13. Institute of Medicine (US) Committee to Review Dietary Reference Intakes for Vitamin D and Calcium; Ross A.C., Taylor C.L., Yaktine A.L., Del Valle H.B., editors. (англ.) : journal. — National Academies Press (US), 2011. — P. 35 . — . 15 августа 2018 года.
  14. U.S. Department of Agriculture and U.S. Department of Health and Human Services. (неопр.) . — 7th. — Washington, DC: U.S. Government Printing Office, 2010. — С. 76. 12 января 2013 года.
  15. Greer F.R., Krebs NF; American Academy of Pediatrics Committee on Nutrition. Optimizing bone health and calcium intakes of infants, children, and adolescents (англ.) // (англ.) : journal. — (англ.) , 2006. — February ( vol. 117 , no. 2 ). — P. 578—585 . — .
  16. Southgate D.A., Widdowson E.M., Smits B.J., Cooke W.T., Walker C.H., Mathers N.P. (англ.) // The Lancet : journal. — Elsevier , 1969. — Vol. 293 , no. 7593 . — P. 487—489 . — . 25 мая 2013 года.
  17. Holt L.E., Tidwell H.C., Kirk C.M., Cross D.M., Neale S. (англ.) // (англ.) : journal. — 1935. — Vol. 6 , no. 4 . — P. 427—480 .
  18. Nelson S.E., Frantz J.A., Ziegler E.E. (англ.) // J Am Coll Nutr : journal. — 1998. — Vol. 17 , no. 4 . — P. 327—332 . — . (недоступная ссылка)
  19. Nelson S.E., Rogers R.R., Frantz J.A., Ziegler E.E. (англ.) // (англ.) : journal. — 1996. — Vol. 64 , no. 3 . — P. 291—296 . — .
  20. Ostrom K.M., Borschel M.W., Westcott J.E., Richardson K.S., Krebs N.F. (англ.) // J Am Coll Nutr : journal. — 2002. — Vol. 21 , no. 6 . — P. 564—569 . — . (недоступная ссылка)
  21. Koo W.W., Hammami M., Margeson D.P., Nwaesei C., Montalto M.B., Lasekan J.B. (англ.) // (англ.) : journal. — (англ.) , 2003. — Vol. 111 , no. 5 Pt 1 . — P. 1017—1023 . — .
  22. Litmanovitz I., Davidson K., Eliakim A., Regev R.H., Dolfin T., Arnon S., Bar-Yoseph F., Goren A., Lifshitz Y., Nemet D. (англ.) // (англ.) : journal. — 2012. — Vol. 92 , no. 1 . — P. 35—41 . — ISSN . — doi : . 27 декабря 2022 года.
  23. Litmanovitz I., Davidson K., Eliakim A., Regev R., Dolfin T., Bar-Yoseph F., et al. The effects of infant formula beta-palmitate structural position on bone speed of sound, Anthropometrics and infantile colic: A double-blind, Randomized control trial (англ.) // Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition [Internet] : journal. — 2011. — Vol. 52 . — P. E215—6 .
  24. Lloyd B., Halter R.J., Kuchan M.J., Baggs G.E., Ryan A.S., Masor M.L. (англ.) // (англ.) : journal. — (англ.) , 1999. — Vol. 103 , no. 1 . — P. E7 . — . 14 ноября 2018 года.
  25. Carnielli V.P., Luijendijk I.H., Van Goudoever J.B., Sulkers E.J., Boerlage A.A., Degenhart H.J., Sauer P.J. (англ.) // (англ.) : journal. — 1996. — Vol. 23 , no. 5 . — P. 553—560 . — . 22 марта 2013 года.
  26. Vandenplas Y., Gutierrez-Castrellon P., Velasco-Benitez C., Palacios J., Jaen D., Ribeiro H et al. (англ.) // Nutrition : journal. — 2013. — Vol. 29 , no. 1 . — P. 184—194 . — .
  27. Institute of Medicine (US) Committee to Review Dietary Reference Intakes for Vitamin D and Calcium; Ross A.C., Taylor C.L., Yaktine A.L., Del Valle H.B., editors. (англ.) : journal. — National Academies Press (US), 2011. — P. 419 . — . 15 августа 2018 года.
  28. U.S. Department of Agriculture . Дата обращения: 29 декабря 2012. 5 января 2013 года.
  29. Вишнякова, В. : [ 14 мая 2022 ] // Тинькофф-журнал. — 2022. — 12 мая.
  30. Table 2: Calcium Content of Selected Foods. // : Fact Sheet for Health Professionals. : [ англ. ] : [ 13 мая 2022 ] / Office of Dietary Supplements of National Institutes of Health . — NHS, 2021. — 17 November.

Литература

  • Доронин Н. А. Кальций. — М.: Госхимиздат, 1962. — 191 с.

Ссылки

Источник —

Same as Кальций