كيف يبدو الكالسيوم النقي؟ الكالسيوم وخصائصه

مركبات الكالسيوم- تم استخدام الحجر الجيري والرخام والجبس (وكذلك الجير - أحد منتجات الحجر الجيري) في البناء منذ العصور القديمة. حتى نهاية القرن الثامن عشر ، اعتبر الكيميائيون الجير مادة بسيطة. في عام 1789 ، اقترح A. Lavoisier أن الجير والمغنيسيا والباريت والألومينا والسيليكا هي مواد معقدة. في عام 1808 ، قام ديفي ، بتعريض خليط من الجير المطفأ مع أكسيد الزئبق للتحليل الكهربائي باستخدام كاثود الزئبق ، بإعداد ملغم الكالسيوم ، وبعد إخراج الزئبق منه ، حصل على معدن يسمى "كالسيوم" (من اللات. كالكس ،جنس. قضية كالسيس - الجير).

ترتيب الإلكترونات في المدارات.

+ 20 كا ... | 3s 3p 3d | 4 ثانية

يسمى الكالسيوم معدن أرضي قلوي ، ويصنف كعنصر S. على المستوى الإلكتروني الخارجي ، يحتوي الكالسيوم على إلكترونين ، لذلك فهو يعطي مركبات: CaO ، Ca (OH) 2 ، CaCl2 ، CaSO4 ، CaCO3 ، إلخ. ينتمي الكالسيوم إلى معادن نموذجية - فلديه تقارب كبير للأكسجين ، ويقلل تقريبًا من جميع المعادن من أكاسيدها ، ويشكل قاعدة قوية إلى حد ما Ca (OH) 2.

يمكن أن تكون المشابك البلورية للمعادن من أنواع مختلفة ، ومع ذلك ، يتميز الكالسيوم بشبكة شعرية مكعبة محورها الوجه.

تنبعث الأحجام والشكل والترتيب المتبادل للبلورات في المعادن بواسطة طرق علم المعادن. يتم إعطاء التقييم الأكثر اكتمالا للهيكل المعدني في هذا الصدد من خلال التحليل المجهري لقسمه الرقيق. يتم قطع عينة من المعدن قيد الاختبار ، ويتم طحن مستواها ، وصقلها وحفرها بمحلول خاص (تنميش). نتيجة للحفر ، يتم تمييز بنية العينة ، والتي يتم فحصها أو تصويرها باستخدام مجهر ميتالوجرافيك.

الكالسيوم معدن خفيف (د = 1.55) ، فضي-أبيض اللون. إنه أصعب ويذوب عند درجة حرارة أعلى (851 درجة مئوية) من الصوديوم الموجود بجواره في الجدول الدوري. هذا بسبب وجود إلكترونين لكل أيون الكالسيوم في المعدن. لذلك ، فإن الرابطة الكيميائية بين الأيونات وغاز الإلكترون أقوى من رابطة الصوديوم. في التفاعلات الكيميائية ، تنتقل إلكترونات تكافؤ الكالسيوم إلى ذرات عناصر أخرى. في هذه الحالة ، تتشكل أيونات مضاعفة الشحنة.

الكالسيوم شديد التفاعل مع المعادن ، خاصة مع الأكسجين. في الهواء ، يتأكسد بشكل أبطأ من الفلزات القلوية ، لأن طبقة الأكسيد الموجودة عليه أقل نفاذية للأكسجين. عند تسخينه ، يحترق الكالسيوم مع إطلاق كميات هائلة من الحرارة:

يتفاعل الكالسيوم مع الماء ويخرج الهيدروجين منه ويشكل قاعدة:

Ca + 2H2O = Ca (OH) 2 + H2

بسبب تفاعله الكبير مع الأكسجين ، يجد الكالسيوم بعض الفائدة في الحصول على المعادن النادرة من أكاسيدها. يتم تسخين أكاسيد المعادن مع رقائق الكالسيوم ؛ نتيجة للتفاعلات ، يتم الحصول على أكسيد الكالسيوم ومعدن. يعتمد استخدام الكالسيوم وبعض سبائكه فيما يسمى بإزالة أكسدة المعادن على نفس الخاصية. يضاف الكالسيوم إلى المعدن المنصهر ويزيل آثار الأكسجين المذاب ؛ يطفو أكسيد الكالسيوم الناتج على سطح المعدن. الكالسيوم جزء من بعض السبائك.

يتم الحصول على الكالسيوم عن طريق التحليل الكهربائي لكلوريد الكالسيوم المصهور أو بطريقة الألمنيوم. أكسيد الكالسيوم ، أو الجير المطفأ ، عبارة عن مسحوق أبيض يذوب عند 2570 درجة مئوية. يتم الحصول عليها عن طريق تكليس الحجر الجيري:

كربونات الكالسيوم CaCO3 \ u003d CaO + CO2 ^

أكسيد الكالسيوم هو أكسيد قاعدي ، لذلك يتفاعل مع الأحماض والأنهيدريدات الحمضية. مع الماء يعطي قاعدة - هيدروكسيد الكالسيوم:

CaO + H2O = Ca (OH) 2

تتم إضافة الماء إلى أكسيد الكالسيوم ، الذي يُطلق عليه اسم تكسير الجير ، بإطلاق كمية كبيرة من الحرارة. يتم تحويل جزء من الماء إلى بخار. هيدروكسيد الكالسيوم ، أو الجير المطفأ ، مادة بيضاء قابلة للذوبان بشكل طفيف في الماء. يسمى محلول مائي من هيدروكسيد الكالسيوم ماء الجير. يحتوي هذا المحلول على خصائص قلوية قوية إلى حد ما ، حيث يتفكك هيدروكسيد الكالسيوم جيدًا:

Ca (OH) 2 \ u003d Ca + 2OH

بالمقارنة مع هيدرات أكاسيد الفلزات القلوية ، فإن هيدروكسيد الكالسيوم هو قاعدة أضعف. ويفسر ذلك حقيقة أن أيون الكالسيوم مشحون بشكل مضاعف ويجذب مجموعات الهيدروكسيل بقوة أكبر.

يتفاعل الجير المطفأ ومحلوله ، المسمى ماء الجير ، مع الأحماض والأنهيدريدات الحمضية ، بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون. تُستخدم مياه الجير في المختبرات لاكتشاف ثاني أكسيد الكربون ، لأن كربونات الكالسيوم غير القابلة للذوبان الناتجة تتسبب في تعكر الماء:

Ca + 2OH + CO2 = CaCO3v + H2O

ومع ذلك ، عندما يتم تمرير ثاني أكسيد الكربون لفترة طويلة ، يصبح المحلول شفافًا مرة أخرى. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن كربونات الكالسيوم تتحول إلى ملح قابل للذوبان - بيكربونات الكالسيوم:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca (HCO3) 2

في الصناعة ، يتم الحصول على الكالسيوم بطريقتين:

عن طريق تسخين خليط مقولب من مسحوق CaO و Al عند 1200 درجة مئوية في فراغ من 0.01 - 0.02 مم. RT. فن.؛ أطلقها رد الفعل:

6CaO + 2Al = 3CaO Al2O3 + 3Ca

يتكثف بخار الكالسيوم على سطح بارد.

عن طريق التحليل الكهربائي لمصهر CaCl2 و KCl مع كاثود سائل من النحاس والكالسيوم ، يتم تحضير سبيكة من Cu - Ca (65 ٪ Ca) ، والتي يتم تقطير الكالسيوم منها عند درجة حرارة 950-1000 درجة مئوية في فراغ من 0.1 - 0.001 ملم زئبق.

كما تم تطوير طريقة للحصول على الكالسيوم عن طريق التفكك الحراري لكربيد الكالسيوم CaC2.

الكالسيوم هو أحد أكثر العناصر وفرة في الطبيعة. تحتوي على ما يقرب من 3٪ (كتلة) في قشرة الأرض. تشكل أملاح الكالسيوم في الطبيعة تراكمات كبيرة على شكل كربونات (طباشير ، رخام) ، كبريتات (جبس) ، فوسفات (فوسفوريت). تحت تأثير الماء وثاني أكسيد الكربون ، تنتقل الكربونات إلى محلول على شكل هيدروكربونات ويتم نقلها عن طريق المياه الجوفية ومياه الأنهار لمسافات طويلة. عندما يتم غسل أملاح الكالسيوم ، يمكن أن تتشكل الكهوف. بسبب تبخر الماء أو ارتفاع درجة الحرارة ، يمكن أن تتشكل رواسب كربونات الكالسيوم في مكان جديد. لذلك ، على سبيل المثال ، تتشكل الهوابط والصواعد في الكهوف.

تحدد أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم القابلة للذوبان درجة عسر الماء بشكل عام. إذا كانت موجودة في الماء بكميات صغيرة ، فإن الماء يسمى لينة. مع نسبة عالية من هذه الأملاح (100 - 200 ملغ من أملاح الكالسيوم - في 1 لتر من حيث الأيونات) ، يعتبر الماء عسرًا. في مثل هذه المياه ، تكون رغوة الصابون ضعيفة ، لأن أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم تشكل مركبات غير قابلة للذوبان معها. في الماء العسر ، يتم غلي المنتجات الغذائية بشكل سيئ ، وعندما تغلي ، فإنها تعطي مقياسًا على جدران الغلايات البخارية. المقياس لا يقوم بتوصيل الحرارة بشكل جيد ، ويسبب زيادة في استهلاك الوقود ويسرع من تآكل جدران الغلاية. تشكيل النطاق هو عملية معقدة. عند تسخينها ، تتحلل الأملاح الحمضية للكالسيوم وحمض الكربونيك المغنيسيوم وتتحول إلى كربونات غير قابلة للذوبان:

Ca + 2HCO3 = H2O + CO2 + CaCO3v

تنخفض أيضًا قابلية ذوبان كبريتات الكالسيوم CaSO4 عند تسخينها ، لذا فهي جزء من المقياس.

تسمى الصلابة الناتجة عن وجود بيكربونات الكالسيوم والمغنيسيوم في الماء كربونات أو مؤقتة ، حيث يتم التخلص منها عن طريق الغليان. بالإضافة إلى صلابة الكربونات ، تتميز أيضًا الصلابة غير الكربونية ، والتي تعتمد على محتوى الكبريتات وكلوريدات الكالسيوم والمغنيسيوم في الماء. لا تتم إزالة هذه الأملاح عن طريق الغليان ، وبالتالي تسمى الصلابة غير الكربونية أيضًا بالصلابة الثابتة. تضيف الصلابة الكربونية وغير الكربونية إلى الصلابة الكلية.

للتخلص من العسر تمامًا ، يتم أحيانًا تقطير الماء. قم بغلي الماء لإزالة عسر الكربونات. يتم التخلص من الصلابة العامة إما عن طريق إضافة المواد الكيميائية أو باستخدام ما يسمى بالمبادلات الموجبة. عند استخدام الطريقة الكيميائية ، يتم تحويل أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم القابلة للذوبان إلى كربونات غير قابلة للذوبان ، على سبيل المثال ، يضاف حليب الجير والصودا:

Ca + 2HCO3 + Ca + 2OH = 2H2O + 2CaCO3v

Ca + SO4 + 2Na + CO3 = 2Na + SO4 + CaCO3v

تعد إزالة الصلابة باستخدام المبادلات الموجبة عملية أكثر تقدمًا. مبادلات الكاتيون عبارة عن مواد معقدة (مركبات طبيعية من السيليكون والألمنيوم ، مركبات عضوية ذات وزن جزيئي عالي) ، يمكن التعبير عن تركيبها بواسطة الصيغة Na2R ، حيث R عبارة عن بقايا حمض معقدة. عندما يتم ترشيح الماء من خلال طبقة من مبادل الكاتيون ، يتم تبادل أيونات الصوديوم (الكاتيونات) لأيونات الكالسيوم والمغنيسيوم:

Ca + Na2R = 2Na + CaR

وبالتالي ، تمر أيونات الكالسيوم من المحلول إلى مبادل الكاتيون ، وتمر أيونات الصوديوم من مبادل الكاتيونات إلى المحلول. لاستعادة مبادل الكاتيون المستخدم ، يتم غسله بمحلول من الملح الشائع. في هذه الحالة ، تحدث العملية العكسية: يتم استبدال أيونات الكالسيوم في مبادل الكاتيون بأيونات Na:

2Na + 2Cl + CaR = Na2R + Ca + 2Cl

يمكن استخدام مبادل الكاتيون المتجدد مرة أخرى لتنقية المياه.

في شكل معدن نقي ، يتم استخدام Ca كعامل مختزل لـ U و Th و Cr و V و Zr و Cs و Rb وبعض المعادن الأرضية النادرة ومركباتها. كما أنها تستخدم لإزالة أكسدة الفولاذ والبرونز والسبائك الأخرى ، ولإزالة الكبريت من المنتجات البترولية ، وتجفيف السوائل العضوية ، ولتنقية الأرجون من شوائب النيتروجين ، وكممتص للغاز في أجهزة التفريغ الكهربائية. المواد المضادة للإصلاح لنظام Pb - Na - Ca ، وكذلك سبائك Pb - Ca ، والتي تستخدم في صناعة غلاف الكابلات الكهربائية ، قد تلقت تطبيقات رائعة في التكنولوجيا. تستخدم سبيكة Ca - Si - Ca (silicocalcium) كمزيل للأكسدة ومزيل الغازات في إنتاج الفولاذ عالي الجودة.

الكالسيوم هو أحد العناصر الحيوية والضرورية للمسار الطبيعي لعمليات الحياة. يوجد في جميع أنسجة وسوائل الحيوانات والنباتات. يمكن فقط للكائنات النادرة أن تتطور في بيئة خالية من الكالسيوم. يصل محتوى الكالسيوم في بعض الكائنات الحية إلى 38٪: في البشر - 1.4 - 2٪. تحتاج خلايا الكائنات الحية النباتية والحيوانية إلى نسب محددة بدقة من أيونات الكالسيوم والصوديوم والبوتاسيوم في الوسائط خارج الخلية. تحصل النباتات على الكالسيوم من التربة. وفقًا لعلاقتها بـ Ca ، تنقسم النباتات إلى كالسيفيل وكالسيفوبس. تحصل الحيوانات على الكالسيوم من الطعام والماء. الكالسيوم ضروري لتكوين عدد من الهياكل الخلوية ، والحفاظ على النفاذية الطبيعية لأغشية الخلايا الخارجية ، وتخصيب بيض الأسماك والحيوانات الأخرى ، وتنشيط عدد من الإنزيمات. تنقل أيونات الكالسيوم الإثارة إلى الألياف العضلية ، مما يتسبب في تقلصها ، وتزيد من قوة تقلصات القلب ، وتزيد من وظيفة البلعمة للكريات البيض ، وتنشط نظام بروتينات الدم الواقية ، وتشارك في تخثره. في الخلايا ، يكون كل الكالسيوم تقريبًا في شكل مركبات تحتوي على بروتينات وأحماض نووية وفوسفوليبيدات وفي مجمعات تحتوي على فوسفات غير عضوي وأحماض عضوية. في بلازما دم البشر والحيوانات العليا ، يمكن ربط 20-40٪ فقط من الكالسيوم بالبروتينات. في الحيوانات ذات الهيكل العظمي ، يستخدم ما يصل إلى 97-99٪ من الكالسيوم كمواد بناء: في اللافقاريات ، بشكل رئيسي في شكل كربونات الكالسيوم (أصداف الرخويات ، والشعاب المرجانية) ، في الفقاريات ، في شكل فوسفات. تخزن العديد من اللافقاريات الكالسيوم قبل طرح الريش لبناء هيكل عظمي جديد أو لتوفير وظائف حيوية في الظروف المعاكسة. يتم تنظيم محتوى الكالسيوم في دم البشر والحيوانات العليا من خلال هرمونات الغدة الدرقية والغدة الدرقية. يلعب فيتامين د أهم دور في هذه العمليات ، حيث يحدث امتصاص الكالسيوم في الجزء الأمامي من الأمعاء الدقيقة. يزداد امتصاص الكالسيوم سوءًا مع انخفاض الحموضة في الأمعاء ويعتمد على نسبة الكالسيوم والفوسفور والدهون في الطعام. نسب الكالسيوم / الفوسفور المثلى في حليب البقر هي حوالي 1.3 (في البطاطس 0.15 ، في الفاصوليا 0.13 ، في اللحوم 0.016). مع وجود فائض من الفوسفور وحمض الأكساليك في الطعام ، يزداد امتصاص الكالسيوم سوءًا. تعمل الأحماض الصفراوية على تسريع امتصاصها. النسبة المثلى من الكالسيوم / الدهون في غذاء الإنسان هي 0.04 - 0.08 جم من الكالسيوم لكل 1 جم. سمين. يحدث إفراز الكالسيوم بشكل رئيسي من خلال الأمعاء. تفقد الثدييات أثناء الرضاعة الكثير من الكالسيوم مع الحليب. مع انتهاكات استقلاب الفوسفور والكالسيوم في الحيوانات الصغيرة والأطفال ، يتطور الكساح ، في الحيوانات البالغة - تغيير في تكوين وهيكل الهيكل العظمي (لين العظام).

في الطب ، تقضي أدوية الكالسيوم على الاضطرابات المرتبطة بنقص أيونات الكالسيوم في الجسم (مع التكزز ، والتشنج ، والكساح). تقلل مستحضرات الكالسيوم من فرط الحساسية لمسببات الحساسية وتستخدم لعلاج أمراض الحساسية (مرض المصل ، حمى النوم ، إلخ). تقلل مستحضرات الكالسيوم من زيادة نفاذية الأوعية الدموية ولها تأثير مضاد للالتهابات. يتم استخدامها لالتهاب الأوعية الدموية النزفية ، ومرض الإشعاع ، والعمليات الالتهابية (الالتهاب الرئوي ، وذات الجنب ، وما إلى ذلك) وبعض الأمراض الجلدية. يوصف كعامل مرقئ ، لتحسين نشاط عضلة القلب وتعزيز عمل مستحضرات الديجيتال ، كمضاد للتسمم بأملاح المغنيسيوم. جنبا إلى جنب مع الأدوية الأخرى ، تستخدم مستحضرات الكالسيوم لتحفيز المخاض. يتم إعطاء كلوريد الكالسيوم عن طريق الفم و الوريد. تم اقتراح Ossocalcinol (15 ٪ معلق معقم من مسحوق العظام المحضر خصيصًا في زيت الخوخ) لعلاج الأنسجة.

تشتمل مستحضرات الكالسيوم أيضًا على الجبس (CaSO4) المستخدم في جراحة الجبس والطباشير (CaCO3) الذي يتم تناوله عن طريق الفم مع زيادة حموضة عصير المعدة وتحضير مسحوق الأسنان.

CALCIUM (الكالسيوم اللاتيني) ، Ca ، عنصر كيميائي من المجموعة الثانية من الشكل القصير (المجموعة الثانية من الشكل الطويل) للنظام الدوري ؛ يشير إلى معادن الأرض القلوية ؛ العدد الذري 20 ؛ الكتلة الذرية 40.078. في الطبيعة ، هناك 6 نظائر مستقرة: 40 Ca (96.941٪) ، 42 Ca (0.647٪) ، 43 Ca (0.135٪) ، 44 Ca (2.086٪) ، 46 Ca (0.004٪) ، 48 Ca (0.187٪) ؛ النظائر المشعة التي تم الحصول عليها صناعيا بأعداد كتلتها 34-54.

مرجع التاريخ.عُرفت العديد من مركبات الكالسيوم الطبيعية في العصور القديمة وكانت تستخدم على نطاق واسع في البناء (على سبيل المثال ، الجبس والجير والرخام). تم عزل الكالسيوم المعدني لأول مرة بواسطة G.Devy في عام 1808 أثناء التحليل الكهربائي لمزيج من CaO و HgO أكاسيد والتحلل اللاحق لملغم الكالسيوم المتكون. يأتي الاسم من الكلمة اللاتينية calx (التكلس المضاف) - الجير ، الحجر الناعم.

التوزيع في الطبيعة. يبلغ محتوى الكالسيوم في القشرة الأرضية 3.38٪ بالوزن. بسبب نشاطه الكيميائي العالي ، فإنه لا يحدث في الحالة الحرة. المعادن الأكثر شيوعًا هي أنورثيت Ca ، أنهيدريت CaSO 4 ، أباتيت Ca 5 (PO 4) 3 (F ، Cl ، OH) ، الجبس CaSO 4 2H 2 O ، الكالسيت والأراجونيت CaCO 3 ، بيروفسكايت CaTiO 3 ، فلوريت CaF 2 ، السكيليت CaWO أربعة. تعد معادن الكالسيوم جزءًا من الصخور الرسوبية (على سبيل المثال ، الحجر الجيري) والصخور النارية والمتحولة. توجد مركبات الكالسيوم في الكائنات الحية: وهي المكونات الرئيسية لأنسجة عظام الفقاريات (هيدروكسيباتيت ، فلوراباتيت) ، الهياكل العظمية المرجانية ، أصداف الرخويات (كربونات الكالسيوم والفوسفات) ، إلخ. وجود أيونات الكالسيوم 2+ يحدد صلابة ماء.

الخصائص. تكوين غلاف الإلكترون الخارجي لذرة الكالسيوم هو 4s 2 ؛ في المركبات تظهر حالة أكسدة +2 ، نادرًا +1 ؛ الكهربية الكهربية بولينج 1.00 ، نصف القطر الذري 180 م ، نصف قطر أيون Ca 2+ 114 م (رقم التنسيق 6). الكالسيوم معدن ناعم أبيض فضي ؛ حتى 443 درجة مئوية ، يكون التعديل بشبكة بلورية مكعبة محورها الوجه مستقرًا ، فوق 443 درجة مئوية - مع شبكة مكعبة محورها الجسم ؛ ر ر 842 درجة مئوية ، تي كيب 1484 درجة مئوية ، كثافة 1550 كجم / م 3 ؛ الموصلية الحرارية 125.6 واط / (م · ك).

الكالسيوم معدن ذو نشاط كيميائي عالي (مخزن في أوعية محكمة الغلق أو تحت طبقة من الزيت المعدني). في ظل الظروف العادية ، يتفاعل بسهولة مع الأكسجين (يتكون أكسيد الكالسيوم CaO) ، عند تسخينه - مع الهيدروجين (CaH 2 hydride) ، والهالوجينات (هاليدات الكالسيوم) ، والبورون (CaB 6 boride) ، والكربون (كربيد الكالسيوم CaC 2) ، والسيليكون (Ca silicides 2 Si، CaSi، CaSi 2، Ca 3 Si 4)، nitrogen (Ca 3 N 2 nitride)، phosphorus (Ca 3 P 2، CaP، CaP 5 phosphides)، chalcogens (CaX chalcogenides ، حيث X هي S ، سي ، هؤلاء). يتفاعل الكالسيوم مع معادن أخرى (Li ، Cu ، Ag ، Au ، Mg ، Zn ، Al ، Pb ، Sn ، إلخ) لتكوين مركبات بين المعادن. يتفاعل الكالسيوم المعدني مع الماء لتكوين هيدروكسيد الكالسيوم Ca (OH) 2 و H 2. يتفاعل بقوة مع معظم الأحماض ، ويشكل الأملاح المقابلة (على سبيل المثال ، نترات الكالسيوم ، كبريتات الكالسيوم ، فوسفات الكالسيوم). يذوب في الأمونيا السائلة لتشكيل محلول أزرق داكن مع توصيل معدني. عندما تتبخر الأمونيا ، يتم إطلاق الأمونيا من هذا المحلول. يتفاعل الكالسيوم تدريجيًا مع الأمونيا لتكوين أميد Ca (NH 2) 2. إنه يشكل مركبات معقدة مختلفة ، والمجمعات ذات الروابط المتعددة المحتوية على الأكسجين ، على سبيل المثال مركبات الكالسيوم ، لها أهمية قصوى.

الدور البيولوجي. يشير الكالسيوم إلى العناصر الحيوية. تبلغ احتياجات الإنسان اليومية من الكالسيوم حوالي 1 غرام ، وتشارك أيونات الكالسيوم في الكائنات الحية في عمليات تقلص العضلات ونقل النبضات العصبية.

إيصال. يتم الحصول على معدن الكالسيوم بطرق التحليل الكهربائي والمعدني. تعتمد طريقة التحليل الكهربائي على التحليل الكهربائي لكلوريد الكالسيوم المصهور باستخدام كاثود يعمل باللمس أو كاثود سائل من النحاس والكالسيوم. يتم تقطير الكالسيوم من سبائك النحاس والكالسيوم الناتجة عند درجة حرارة 1000-1080 درجة مئوية وضغط 13-20 كيلو باسكال. تعتمد الطريقة المعدنية الحرارية على اختزال الكالسيوم من أكسيده بالألمنيوم أو السيليكون عند درجة حرارة 1100-1200 درجة مئوية. ينتج عن ذلك سيليكات ألومينات أو الكالسيوم ، وكذلك الكالسيوم الغازي ، الذي يتم تكثيفه بعد ذلك. الإنتاج العالمي من مركبات الكالسيوم والمواد المحتوية على الكالسيوم حوالي 1 مليار طن / سنة (1998).

طلب. يستخدم الكالسيوم كعامل اختزال في إنتاج العديد من المعادن (Rb ، Cs ، Zr ، Hf ، V ، إلخ). تستخدم مبيدات سيليكات الكالسيوم ، وكذلك سبائك الكالسيوم مع الصوديوم والزنك ومعادن أخرى ، كمزيلات للأكسدة ومزيلات الكبريت لبعض السبائك والزيوت ، ولتنقية الأرجون من الأكسجين والنيتروجين ، وكممتص للغازات في الأجهزة الفراغية. يستخدم كلوريد CaCl 2 كعامل تجفيف في التخليق الكيميائي ، ويستخدم الجبس في الطب. سيليكات الكالسيوم هي المكونات الرئيسية للأسمنت.

مضاءة: Rodyakin VV Calcium ومركباته وسبائكه. م ، 1967 ؛ Spitsyn V.I. ، Martynenko L.I. الكيمياء غير العضوية. م ، 1994. الجزء 2 ؛ كيمياء غير عضوية / تحرير يو دي تريتياكوف. م ، 2004. ت 2.

L. N. Komissarova ، M. A. Ryumin.

الكالسيوم (الكالسيوم اللاتيني ، يُشار إليه بالرمز Ca) هو عنصر برقم ذري 20 وكتلة ذرية 40.078. إنه عنصر من المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة الثانية ، الفترة الرابعة من الجدول الدوري للعناصر الكيميائية لديمتري إيفانوفيتش مندليف. في ظل الظروف العادية ، فإن مادة بسيطة من الكالسيوم هي معدن خفيف (1.54 جم / سم 3) مرن ، ناعم ، قلوي أرضي متفاعل ذو لون أبيض فضي.

في الطبيعة ، يتم تقديم الكالسيوم كمزيج من ستة نظائر: 40Ca (96.97٪) ، 42Ca (0.64٪) ، 43Ca (0.145٪) ، 44Ca (2.06٪) ، 46Ca (0.0033٪) ، 48Ca (0.185٪). النظير الرئيسي للعنصر العشرين - الأكثر شيوعًا - هو 40Ca ، وتبلغ وفرة نظائره حوالي 97٪. من بين ستة نظائر الكالسيوم الطبيعية ، خمسة منها مستقرة ، والنظير السادس 48Ca ، وهو الأثقل من بين النظائر الستة ونادرًا جدًا (وفرة نظائره هي 0.185 ٪ فقط) ، وقد وجد مؤخرًا أنه يخضع لانحلال بيتا مزدوج مع عمر نصف يبلغ 5.3 ∙ 1019 سنة. تعتبر النظائر المنتجة صناعياً ذات الأعداد الكتلية 39 و 41 و 45 و 47 و 49 مشعة. في أغلب الأحيان ، يتم استخدامها كمتتبع للنظائر في دراسة عمليات التمثيل الغذائي للمعادن في الكائن الحي. 45Ca ، التي يتم الحصول عليها عن طريق تشعيع الكالسيوم المعدني أو مركباته بالنيوترونات في مفاعل اليورانيوم ، يلعب دورًا مهمًا في دراسة عمليات التمثيل الغذائي التي تحدث في التربة وفي دراسة عمليات امتصاص الكالسيوم بواسطة النباتات. بفضل نفس النظير ، كان من الممكن الكشف عن مصادر تلوث درجات مختلفة من الفولاذ والحديد عالي النقاوة بمركبات الكالسيوم أثناء عملية الصهر.

مركبات الكالسيوم - الرخام والجبس والحجر الجيري والجير (أحد منتجات الحجر الجيري المحترق) معروفة منذ العصور القديمة وكانت تستخدم على نطاق واسع في البناء والطب. استخدم المصريون القدماء مركبات الكالسيوم في بناء أهراماتهم ، واخترع سكان روما العظيمة الخرسانة - باستخدام مزيج من الحجر المكسر والجير والرمل. حتى نهاية القرن الثامن عشر ، كان الكيميائيون مقتنعين بأن الجير جسم بسيط. فقط في عام 1789 اقترح لافوازييه أن الجير والألومينا وبعض المركبات الأخرى هي مواد معقدة. في عام 1808 ، حصل ج. ديفي على الكالسيوم المعدني عن طريق التحليل الكهربائي.

يرتبط استخدام الكالسيوم المعدني بنشاطه الكيميائي العالي. يتم استخدامه للتعافي من مركبات بعض المعادن ، على سبيل المثال ، الثوريوم واليورانيوم والكروم والزركونيوم والسيزيوم والروبيديوم ؛ لإزالة الكبريت من الفولاذ وبعض السبائك الأخرى للأكسجين ؛ لتجفيف السوائل العضوية. لامتصاص بقايا الغازات في أجهزة التفريغ. بالإضافة إلى ذلك ، يعمل الكالسيوم المعدني كعنصر في صناعة السبائك في بعض السبائك. تستخدم مركبات الكالسيوم على نطاق واسع - فهي تستخدم في البناء والألعاب النارية وإنتاج الزجاج والطب والعديد من المجالات الأخرى.

الكالسيوم هو أحد أهم العناصر الحيوية ، فهو ضروري لمعظم الكائنات الحية للمسار الطبيعي لعمليات الحياة. يحتوي جسم الشخص البالغ على كيلوغرام ونصف من الكالسيوم. يوجد في جميع أنسجة وسوائل الكائنات الحية. العنصر العشرين ضروري لتكوين أنسجة العظام ، والحفاظ على معدل ضربات القلب ، وتخثر الدم ، والحفاظ على النفاذية الطبيعية لأغشية الخلايا الخارجية ، وتكوين عدد من الإنزيمات. قائمة الوظائف التي يؤديها الكالسيوم في الكائنات الحية النباتية والحيوانية كبيرة جدًا. يكفي أن نقول إن الكائنات الحية النادرة فقط هي القادرة على التطور في بيئة خالية من الكالسيوم ، بينما تتكون الكائنات الحية الأخرى من هذا العنصر بنسبة 38٪ (يحتوي جسم الإنسان على حوالي 2٪ فقط من الكالسيوم).

الخصائص البيولوجية

الكالسيوم هو أحد العناصر الحيوية ، توجد مركباته في جميع الكائنات الحية تقريبًا (القليل من الكائنات الحية قادرة على التطور في بيئة خالية من الكالسيوم) ، مما يضمن المسار الطبيعي لعمليات الحياة. العنصر العشرين موجود في جميع أنسجة وسوائل الحيوانات والنباتات ، ومعظمه (في الكائنات الفقارية - بما في ذلك البشر) يوجد في الهيكل العظمي والأسنان على شكل فوسفات (على سبيل المثال ، هيدروكسيباتيت Ca5 (PO4) 3OH أو 3Ca3 (PO4) 2 Ca (OH) 2). يرجع استخدام العنصر العشرين كمواد بناء للعظام والأسنان إلى حقيقة أن أيونات الكالسيوم لا تستخدم في الخلية. يتم التحكم في تركيز الكالسيوم عن طريق هرمونات خاصة ، حيث يحافظ عملهم المشترك على بنية العظام ويحافظ عليها. تتكون الهياكل العظمية لمعظم مجموعات اللافقاريات (الرخويات ، والشعاب المرجانية ، والإسفنج ، وغيرها) من أشكال مختلفة من كربونات الكالسيوم CaCO3 (الجير). تخزن العديد من اللافقاريات الكالسيوم قبل طرحها لبناء هيكل عظمي جديد أو لتوفير وظائف حيوية في الظروف المعاكسة. تتلقى الحيوانات الكالسيوم من الغذاء والماء ، وتنقسم النباتات من التربة وفيما يتعلق بهذا العنصر إلى كالسيفيل وكالسيفوبس.

تشترك أيونات هذا العنصر النزف المهم في عمليات تخثر الدم ، وكذلك في ضمان ضغط تناضحي ثابت للدم. بالإضافة إلى ذلك ، يعد الكالسيوم ضروريًا لتكوين عدد من الهياكل الخلوية ، والحفاظ على النفاذية الطبيعية لأغشية الخلايا الخارجية ، وتخصيب بيض الأسماك والحيوانات الأخرى ، وتنشيط عدد من الإنزيمات (ربما يرجع هذا الظرف إلى الحقيقة. أن الكالسيوم يحل محل أيونات المغنيسيوم). تنقل أيونات الكالسيوم الإثارة إلى الألياف العضلية ، مما يؤدي إلى انقباضها ، وزيادة قوة تقلصات القلب ، وزيادة وظيفة البلعمة للكريات البيض ، وتنشيط نظام بروتينات الدم الواقية ، وتنظيم خروج الخلايا ، بما في ذلك إفراز الهرمونات والناقلات العصبية. يؤثر الكالسيوم على سالكية الأوعية الدموية - بدون هذا العنصر ، ستستقر الدهون والدهون والكوليسترول على جدران الأوعية الدموية. يعزز الكالسيوم إفراز أملاح المعادن الثقيلة والنويدات المشعة من الجسم ، ويؤدي وظائف مضادة للأكسدة. يؤثر الكالسيوم على الجهاز التناسلي ، وله تأثير مضاد للإجهاد وله تأثير مضاد للحساسية.

يبلغ محتوى الكالسيوم في جسم شخص بالغ (وزنه 70 كجم) 1.7 كجم (بشكل أساسي في تكوين المادة بين الخلايا في أنسجة العظام). تعتمد الحاجة إلى هذا العنصر على العمر: بالنسبة للبالغين ، فإن البدل اليومي المطلوب هو من 800 إلى 1000 ملليجرام ، للأطفال من 600 إلى 900 ملليجرام. بالنسبة للأطفال ، من المهم بشكل خاص تناول الجرعة المطلوبة لنمو العظام وتطورها بشكل مكثف. المصدر الرئيسي للكالسيوم في الجسم هو الحليب ومنتجات الألبان ، ويأتي باقي الكالسيوم من اللحوم والأسماك وبعض المنتجات النباتية (خاصة البقوليات). يحدث امتصاص كاتيونات الكالسيوم في الأمعاء الغليظة والدقيقة ، وتسهل البيئة الحمضية والفيتامينات C و D واللاكتوز (حمض اللاكتيك) والأحماض الدهنية غير المشبعة الامتصاص. في المقابل ، يقلل الأسبرين وحمض الأكساليك ومشتقات الأستروجين بشكل كبير من امتصاص العنصر العشرين. لذلك ، بالاقتران مع حمض الأكساليك ، يعطي الكالسيوم مركبات غير قابلة للذوبان في الماء وهي مكونات حصوات الكلى. دور المغنيسيوم في استقلاب الكالسيوم عظيم - مع نقصه ، الكالسيوم "يُغسل" من العظام ويترسب في الكلى (حصوات الكلى) والعضلات. بشكل عام ، هناك نظام معقد لتخزين وإطلاق العنصر العشرين في الجسم ، ولهذا السبب يتم تنظيم محتوى الكالسيوم في الدم بدقة ، ومع التغذية السليمة ، لا يوجد نقص أو زيادة. يمكن أن يسبب نظام الكالسيوم الغذائي على المدى الطويل تقلصات ، وآلام المفاصل ، والإمساك ، والتعب ، والنعاس ، وتأخر النمو. يؤدي نقص الكالسيوم لفترات طويلة في النظام الغذائي إلى الإصابة بهشاشة العظام. النيكوتين والكافيين والكحول من أسباب نقص الكالسيوم في الجسم ، حيث تساهم في إفرازه بشكل مكثف في البول. ومع ذلك ، فإن فائض العنصر العشرين (أو فيتامين د) يؤدي إلى عواقب سلبية - يحدث فرط كالسيوم الدم ، ونتيجة لذلك تكلس مكثف للعظام والأنسجة (يؤثر بشكل رئيسي على الجهاز البولي). فائض الكالسيوم على المدى الطويل يعطل عمل العضلات والأنسجة العصبية ، ويزيد من تخثر الدم ويقلل من امتصاص الزنك بواسطة خلايا العظام. ربما ظهور هشاشة العظام وإعتام عدسة العين ومشاكل ضغط الدم. مما سبق ، يمكننا أن نستنتج أن خلايا الكائنات الحية النباتية والحيوانية تحتاج إلى نسب محددة بدقة من أيونات الكالسيوم.

في الصيدلة والطب ، تُستخدم مركبات الكالسيوم لتصنيع الفيتامينات ، والأقراص ، والحبوب ، والحقن ، والمضادات الحيوية ، وكذلك لتصنيع الأمبولات والأواني الطبية.

اتضح أن السبب الشائع لعقم الرجال هو نقص الكالسيوم في الجسم! الحقيقة هي أن رأس الحيوان المنوي له تكوين على شكل سهم ، والذي يتكون بالكامل من الكالسيوم ، مع وجود كمية كافية من هذا العنصر ، فإن الحيوانات المنوية قادرة على التغلب على الغشاء وتخصيب البويضة ، مع حدوث عقم غير كافٍ.

وجد علماء أمريكيون أن نقص أيونات الكالسيوم في الدم يؤدي إلى إضعاف الذاكرة وانخفاض الذكاء. على سبيل المثال ، من مجلة Science News الأمريكية المعروفة ، أصبح معروفًا عن التجارب التي أكدت أن القطط تطور رد فعل مشروط فقط إذا كانت خلايا دماغها تحتوي على الكالسيوم أكثر من الدم.

مركب سياناميد الكالسيوم ، ذو القيمة العالية في الزراعة ، لا يستخدم فقط كسماد نيتروجين ومصدر لليوريا ، وسماد ثمين ومواد خام لإنتاج الراتنجات الاصطناعية ، ولكن أيضًا كمادة يمكن من خلالها ميكنة حصاد حقول القطن. الحقيقة هي أنه بعد المعالجة بهذا المركب ، يسقط القطن أوراق الشجر على الفور ، مما يسمح للناس بترك قطف القطن للآلات.

عند الحديث عن الأطعمة الغنية بالكالسيوم ، يتم ذكر منتجات الألبان دائمًا ، لكن الحليب نفسه يحتوي على 120 مجم (بقرة) إلى 170 مجم (غنم) من الكالسيوم لكل 100 جرام ؛ الجبن القريش أكثر فقراً - 80 مجم فقط لكل 100 جرام. من منتجات الألبان ، يحتوي الجبن فقط من 730 مجم (جودة) إلى 970 مجم (إيمنتال) من الكالسيوم لكل 100 جرام من المنتج. ومع ذلك ، فإن صاحب الرقم القياسي لمحتوى العنصر العشرين هو الخشخاش - 100 جرام من بذور الخشخاش تحتوي على ما يقرب من 1500 مجم من الكالسيوم!

كلوريد الكالسيوم CaCl2 ، الذي يستخدم ، على سبيل المثال ، في محطات التبريد ، هو منتج نفايات للعديد من العمليات التكنولوجية الكيميائية ، على وجه الخصوص ، إنتاج الصودا على نطاق واسع. ومع ذلك ، على الرغم من الاستخدام الواسع لكلوريد الكالسيوم في مختلف المجالات ، فإن استهلاكه أقل بكثير من إنتاجه. لهذا السبب ، على سبيل المثال ، بالقرب من المصانع المنتجة للصودا ، تتكون البحيرات الكاملة من محلول كلوريد الكالسيوم. برك التخزين هذه ليست شائعة.

لفهم كمية مركبات الكالسيوم التي يتم استهلاكها ، يجدر ذكر بعض الأمثلة فقط. في إنتاج الفولاذ ، يستخدم الجير لإزالة الفوسفور والسيليكون والمنغنيز والكبريت ؛ وفي عملية تحويل الأكسجين ، يتم استهلاك 75 كجم من الجير لكل طن من الفولاذ! مثال آخر من منطقة مختلفة تمامًا - صناعة الأغذية. في إنتاج السكر ، لترسيب سكريات الكالسيوم ، يتفاعل شراب السكر الخام مع الجير. لذلك ، يتطلب سكر القصب عادة حوالي 3-5 كجم من الجير للطن ، وسكر البنجر - مائة مرة أكثر ، أي حوالي نصف طن من الجير لكل طن من السكر!

"عسر" الماء هو عدد من الخصائص التي تُعطى للماء بواسطة أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم المذابة فيه. الصلابة تنقسم إلى مؤقتة ودائمة. تحدث الصلابة المؤقتة أو الكربونية بسبب وجود بيكربونات قابلة للذوبان Ca (HCO3) 2 و Mg (HCO3) 2 في الماء. من السهل جدًا التخلص من عسر الكربونات - عند غليان الماء ، تتحول البيكربونات إلى كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم غير القابلة للذوبان في الماء ، مما يترسب. تنشأ الصلابة الدائمة عن طريق الكبريتات والكلوريدات من نفس المعادن ، ولكن التخلص منها أصعب بكثير. الماء العسر مروع ليس فقط لأنه يمنع تكوين رغوة الصابون وبالتالي يغسل الملابس بشكل أسوأ ، بل إنه يشكل طبقة من الحجم في الغلايات البخارية ومصانع الغلايات ، مما يقلل من كفاءتها ويؤدي إلى حالات الطوارئ. ومن المثير للاهتمام أنهم عرفوا كيفية تحديد عسر الماء في روما القديمة. تم استخدام النبيذ الأحمر ككاشف - تشكل أصباغه راسبًا مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم.

إن عملية تحضير الكالسيوم للتخزين ممتعة للغاية. يتم تخزين الكالسيوم المعدني لفترة طويلة على شكل قطع يتراوح وزنها من 0.5 إلى 60 كجم. تعبأ هذه "الخنازير" في أكياس ورقية ، ثم توضع في أوعية من الحديد المجلفن مع طبقات ملحومة ومصبوغة. توضع الحاويات المغلقة بإحكام في صناديق خشبية. لا يمكن تخزين القطع التي يقل وزنها عن نصف كيلوغرام لفترة طويلة - عندما تتأكسد ، فإنها تتحول بسرعة إلى أكسيد وهيدروكسيد وكربونات الكالسيوم.

قصة

تم الحصول على الكالسيوم المعدني مؤخرًا نسبيًا - في عام 1808 ، كانت البشرية على دراية بمركبات هذا المعدن لفترة طويلة جدًا. منذ العصور القديمة ، استخدم الناس الحجر الجيري والطباشير والرخام والمرمر والجبس وغيرها من المركبات المحتوية على الكالسيوم في البناء والطب. كان الحجر الجيري CaCO3 على الأرجح أول مادة بناء يستخدمها الإنسان. تم استخدامه في بناء الأهرامات المصرية وسور الصين العظيم. تم بناء العديد من المعابد والكنائس في روسيا ، وكذلك معظم مباني موسكو القديمة ، باستخدام الحجر الجيري - الحجر الأبيض. حتى في العصور القديمة ، عن طريق حرق الحجر الجيري ، تلقى الشخص الجير الحي (CaO) ، كما يتضح من أعمال بليني الأكبر (القرن الأول الميلادي) وديوسكوريدس ، وهو طبيب في الجيش الروماني ، قدمه لأكسيد الكالسيوم في مقالته. "على الأدوية" اسم "الجير الحي" ، الذي نجا حتى يومنا هذا. وكل هذا على الرغم من حقيقة وصف الكيميائي الألماني الأول لأكسيد الكالسيوم النقي. ثم ، فقط في عام 1746 ، وفي عام 1755 ، كشف الكيميائي ج. بسبب إطلاق غاز ثاني أكسيد الكربون:

كربونات الكالسيوم CaCO3 ↔ CO2 + CaO

اعتمدت المونة المصرية المستخدمة في أهرامات الجيزة على الجبس المجفف جزئيًا CaSO4 2H2O ، أو بعبارة أخرى المرمر 2CaSO4 ∙ H2O. كما أنه أساس كل الجبس الموجود في مقبرة توت عنخ آمون. استخدم المصريون الجبس المحروق (المرمر) كمواد رابطة في بناء مرافق الري. من خلال إطلاق الجبس الطبيعي في درجات حرارة عالية ، حقق البناة المصريون الجفاف الجزئي ، ولم ينفصل الماء فقط ، ولكن أيضًا أنهيدريد الكبريت عن الجزيء. في وقت لاحق ، عندما تم تخفيفه بالماء ، تم الحصول على كتلة قوية جدًا ، والتي لم تكن خائفة من تقلبات الماء ودرجة الحرارة.

يمكن تسمية الرومان بحق مخترعي الخرسانة ، لأنهم استخدموا في مبانيهم أحد أنواع مواد البناء هذه - خليط من الحجر المكسر والرمل والجير. هناك وصف من قبل بليني الأكبر لبناء صهاريج من هذه الخرسانة: "لبناء الصهاريج ، خمسة أجزاء من رمل الحصى النقي ، وجزءان من أفضل الجير المطفأ وشظايا السليكس (الحمم البركانية الصلبة) التي لا يزيد وزنها عن تؤخذ كل رطل ، بعد الخلط ، يتم ضغط الأسطح السفلية والجانبية بضربات من دك حديد ". في المناخ الرطب لإيطاليا ، كانت الخرسانة هي أكثر المواد استقرارًا.

اتضح أن مركبات الكالسيوم ، التي يستخدمونها على نطاق واسع ، معروفة منذ زمن بعيد للبشرية. ومع ذلك ، حتى نهاية القرن الثامن عشر ، اعتبر الكيميائيون الجير جسمًا بسيطًا ، فقط عشية القرن الجديد بدأت دراسة طبيعة الجير ومركبات الكالسيوم الأخرى. لذا اقترح ستال أن الجير عبارة عن جسم معقد يتكون من مبادئ ترابية ومائية ، وأنشأ بلاك فرقًا بين الجير الكاوي والجير الكربوني ، الذي يحتوي على "هواء ثابت". عزا أنطوان لوران لافوازييه التراب الجيري (CaO) إلى عدد العناصر ، أي إلى المواد البسيطة ، على الرغم من أنه اقترح في عام 1789 أن الجير والمغنيسيا والباريت والألومينا والسيليكا مواد معقدة ، ولكن سيكون من الممكن إثبات ذلك فقط عن طريق تحلل "الأرض المستعصية" (أكسيد الكالسيوم). وأول من نجح كان همفري ديفي. بعد التحلل الناجح لأكاسيد البوتاسيوم والصوديوم عن طريق التحليل الكهربائي ، قرر الكيميائي الحصول على المعادن الأرضية القلوية بنفس الطريقة. ومع ذلك ، لم تنجح المحاولات الأولى - حاول الرجل الإنجليزي تحلل الجير عن طريق التحليل الكهربائي في الهواء وتحت طبقة من الزيت ، ثم تكليس الجير بمعدن البوتاسيوم في أنبوب وأجرى العديد من التجارب الأخرى ، ولكن دون جدوى. أخيرًا ، في جهاز به كاثود زئبقي ، حصل على ملغم بالتحليل الكهربائي للجير ، ومنه الكالسيوم المعدني. في وقت قريب جدًا ، تم تحسين طريقة الحصول على المعدن هذه بواسطة I. Berzelius و M. Pontin.

حصل العنصر الجديد على اسمه من الكلمة اللاتينية "calx" (في الحالة المضافة calcis) - الجير ، الحجر الناعم. كان يُطلق على Calx (calx) الطباشير ، والحجر الجيري ، بشكل عام ، حجر حصى ، ولكن في أغلب الأحيان مدافع الهاون على أساس الجير. تم استخدام هذا المفهوم أيضًا من قبل المؤلفين القدامى (فيتروفيوس ، بليني الأكبر ، ديوسكوريدس) ، الذين يصفون حرق الحجر الجيري ، وتكسير الجير وتحضير الملاط. في وقت لاحق ، في دائرة الخيميائيين ، يشير مصطلح "calx" إلى منتج التحميص بشكل عام - المعادن على وجه الخصوص. لذلك ، على سبيل المثال ، كانت أكاسيد المعادن تسمى الجير المعدني ، وعملية الحرق نفسها كانت تسمى التكليس (calcinatio). في أدبيات الوصفات الطبية الروسية القديمة ، تم العثور على كلمة البراز (الطين ، الطين) ، لذلك في مجموعة Trinity-Sergius Lavra (القرن الخامس عشر) تقول: "خذ البراز ، منه يصنعون الذهب للفرن". في وقت لاحق فقط أصبحت كلمة كال ، التي ترتبط بلا شك بكلمة "كالكس" ، مرادفة لكلمة روث. في الأدب الروسي في أوائل القرن التاسع عشر ، كان يطلق على الكالسيوم أحيانًا قاعدة التراب الجيري (Shcheglov ، 1830) ، الكلسي (Iovsky) ، الكالسيوم ، الكالسيوم (Hess).

التواجد في الطبيعة

الكالسيوم هو أحد العناصر الأكثر شيوعًا على كوكبنا - الخامس من حيث المحتوى الكمي في الطبيعة (من غير المعادن ، الأكسجين فقط هو الأكثر شيوعًا - 49.5٪ والسيليكون - 25.3٪) والثالث بين المعادن (الألومنيوم فقط هو أكثر شيوعًا - 7.5٪ والحديد - 5.08٪). كلارك (متوسط ​​المحتوى في قشرة الأرض) من الكالسيوم ، وفقًا لتقديرات مختلفة ، يتراوح من 2.96٪ بالوزن إلى 3.38٪ ، يمكننا بالتأكيد أن نقول أن هذا الرقم يبلغ حوالي 3٪. في الغلاف الخارجي لذرة الكالسيوم ، يوجد إلكترونان تكافؤان ، يكون ارتباطهما بالنواة هشًا إلى حد ما. لهذا السبب فإن الكالسيوم له نشاط كيميائي عالي ولا يحدث في الطبيعة بشكل حر. ومع ذلك ، فإنها تهاجر بنشاط وتتراكم في أنظمة جيوكيميائية مختلفة ، وتشكل ما يقرب من 400 معدن: السيليكات ، والألومينوسيليكات ، والكربونات ، والفوسفات ، والكبريتات ، والبوروسيليكات ، والموليبدات ، والكلوريدات ، وغيرها ، وتحتل المرتبة الرابعة في هذا المؤشر. أثناء ذوبان الصهارة البازلتية ، يتراكم الكالسيوم في الذوبان ويدخل في تكوين المعادن الرئيسية المكونة للصخور ، وخلال التجزئة التي ينخفض ​​محتواها أثناء تمايز الصهارة من الصخور القاعدية إلى الصخور الحمضية. بالنسبة للجزء الأكبر ، يوجد الكالسيوم في الجزء السفلي من القشرة الأرضية ، ويتراكم في الصخور الرئيسية (6.72٪) ؛ يوجد القليل من الكالسيوم في غطاء الأرض (0.7٪) ، وربما أقل في لب الأرض (في النيازك الحديدية للعنصر العشرين المشابه لللب ، 0.02٪ فقط).

صحيح أن كلارك الكالسيوم في النيازك الصخرية هو 1.4٪ (تم العثور على كبريتيد الكالسيوم نادرًا) ، في الصخور المتوسطة - 4.65٪ ، تحتوي الصخور الحمضية على 1.58٪ كالسيوم بالوزن. الجزء الرئيسي من الكالسيوم موجود في تكوين السيليكات والألومينوسيليكات من الصخور المختلفة (الجرانيت ، النيسات ، إلخ) ، خاصة في الفلسبار - أنورثيت الكالسيوم ، وكذلك ديوبسيد CaMg ، ولاستونيت Ca3. في شكل صخور رسوبية ، يتم تمثيل مركبات الكالسيوم بالطباشير والحجر الجيري ، والتي تتكون أساسًا من معدن الكالسيت (CaCO3).

كربونات الكالسيوم CaCO3 هي واحدة من أكثر المركبات شيوعًا على الأرض - المعادن القائمة على كربونات الكالسيوم تغطي حوالي 40 مليون كيلومتر مربع من سطح الأرض. توجد في أجزاء كثيرة من سطح الأرض رواسب رسوبية كبيرة من كربونات الكالسيوم ، والتي تكونت من بقايا الكائنات البحرية القديمة - الطباشير والرخام والحجر الجيري وصخور الصدف - كل هذا عبارة عن كربونات الكالسيوم مع شوائب طفيفة ، والكالسيت هو كربونات الكالسيوم النقي. أهم هذه المعادن هو الحجر الجيري ، وبصورة أدق ، الحجر الجيري - بعد كل شيء ، يختلف كل رواسب في الكثافة والتركيب وكمية الشوائب. على سبيل المثال ، صخور القشرة عبارة عن حجر جيري من أصل عضوي ، وتشكل كربونات الكالسيوم ، التي تحتوي على شوائب أقل ، بلورات شفافة من الجير أو الصاري الأيسلندي. الطباشير هو نوع شائع آخر من كربونات الكالسيوم ، لكن الرخام ، الشكل البلوري من الكالسيت ، أقل شيوعًا في الطبيعة. من المقبول عمومًا أن الرخام قد تشكل من الحجر الجيري في العصور الجيولوجية القديمة. أثناء حركة القشرة الأرضية ، تم دفن الرواسب الفردية من الحجر الجيري تحت طبقات من الصخور الأخرى. تحت تأثير الضغط العالي ودرجة الحرارة ، حدثت عملية إعادة التبلور ، وتحول الحجر الجيري إلى صخرة بلورية أكثر كثافة - رخام. الهوابط والصواعد الغريبة - معدن الأراجونيت ، وهو نوع آخر من كربونات الكالسيوم. يتكون الأراجونيت المعوي الشكل في البحار الدافئة - تتكون جزر الباهاما وفلوريدا كيز وحوض البحر الأحمر من طبقات ضخمة من كربونات الكالسيوم على شكل أراجونيت. تنتشر أيضًا معادن الكالسيوم مثل الفلوريت CaF2 ، الدولوميت MgCO3 CaCO3 ، الأنهيدريت CaSO4 ، الفوسفوريت Ca5 (PO4) 3 (OH ، CO3) (بشوائب مختلفة) والأباتيت Ca5 (PO4) 3 (F ، Cl ، OH) - أشكال من فوسفات الكالسيوم ، المرمر CaSO4 0.5H2O والجبس CaSO4 2H2O (أشكال كبريتات الكالسيوم) وغيرها. في المعادن المحتوية على الكالسيوم ، هناك عناصر تحل محل العناصر - الشوائب (على سبيل المثال ، الصوديوم والسترونشيوم والأرض النادرة والعناصر المشعة وعناصر أخرى).

تم العثور على كمية كبيرة من العنصر العشرين في المياه الطبيعية نتيجة لوجود "توازن كربوني" عالمي بين كربونات الكالسيوم CaCO3 ضعيفة الذوبان ، و Ca (HCO3) 2 و CO2 عالية الذوبان في الماء والهواء:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca (HCO3) 2 = Ca2 + + 2HCO3-

هذا التفاعل قابل للانعكاس وهو الأساس لإعادة توزيع العنصر العشرين - مع وجود نسبة عالية من ثاني أكسيد الكربون في المياه ، والكالسيوم في محلول ، ومع المحتوى المنخفض من ثاني أكسيد الكربون ، يترسب معدن الكالسيوم CaCO3 ، مكونًا رواسب قوية من الحجر الجيري والطباشير والرخام.

يتم تضمين كمية كبيرة من الكالسيوم في تكوين الكائنات الحية ، على سبيل المثال ، هيدروكسيباتيت Ca5 (PO4) 3OH ، أو ، في مدخل آخر ، 3Ca3 (PO4) 2 Ca (OH) 2 - أساس النسيج العظمي للفقاريات ، بما في ذلك البشر. كربونات الكالسيوم CaCO3 هو المكون الرئيسي لأصداف وأصداف العديد من اللافقاريات وقشور البيض والشعاب المرجانية وحتى اللؤلؤ.

طلب

نادرًا ما يستخدم الكالسيوم المعدني. في الأساس ، يستخدم هذا المعدن (بالإضافة إلى هيدريده) في إنتاج المعادن الحرارية التي يصعب استردادها - اليورانيوم والتيتانيوم والثوريوم والزركونيوم والسيزيوم والروبيديوم وعدد من المعادن الأرضية النادرة من مركباتها (أكاسيد أو هاليدات ). يستخدم الكالسيوم كعامل اختزال في إنتاج النيكل والنحاس والفولاذ المقاوم للصدأ. أيضًا ، يتم استخدام العنصر العشرين لإزالة أكسدة الفولاذ والبرونز والسبائك الأخرى ، ولإزالة الكبريت من المنتجات البترولية ، وتجفيف المذيبات العضوية ، ولتنقية الأرجون من شوائب النيتروجين وكممتص للغاز في الفراغ الكهربائي الأجهزة. يستخدم الكالسيوم المعدني في إنتاج السبائك المضادة للاحتكاك لنظام Pb-Na-Ca (المستخدمة في المحامل) ، وكذلك سبيكة Pb-Ca المستخدمة في صناعة غلاف الكابلات الكهربائية. تُستخدم سبيكة السيليك كالسيوم (Ca-Si-Ca) كمزيل للأكسدة ومزيل للغازات في إنتاج الفولاذ عالي الجودة. يستخدم الكالسيوم كعنصر في صناعة السبائك لسبائك الألومنيوم وكمادة مضافة معدلة لسبائك المغنيسيوم. على سبيل المثال ، يزيد إدخال الكالسيوم من قوة محامل الألومنيوم. يستخدم الكالسيوم النقي أيضًا في تعاطي المنشطات بالرصاص ، والذي يستخدم في تصنيع لوحات البطاريات ، وبطاريات الرصاص الحمضية التي لا تحتاج إلى صيانة مع تفريغ ذاتي منخفض. أيضًا ، يتم استخدام الكالسيوم المعدني لإنتاج مواد عالية الجودة من الكالسيوم BKA. بمساعدة الكالسيوم ، يتم تنظيم محتوى الكربون في الحديد الزهر ويتم إزالة البزموت من الرصاص والأكسجين والكبريت والفوسفور من الفولاذ. يستخدم الكالسيوم ، وكذلك سبائكه مع الألمنيوم والمغنيسيوم ، في البطاريات الكهربائية الحرارية الاحتياطية كأنود (على سبيل المثال ، عنصر كرومات الكالسيوم).

ومع ذلك ، فإن مركبات العنصر العشرين تستخدم على نطاق واسع. وقبل كل شيء نتحدث عن مركبات الكالسيوم الطبيعية. كربونات CaCO3 هي واحدة من أكثر مركبات الكالسيوم شيوعًا على الأرض. كربونات الكالسيوم النقية هي معدن الكالسيت والحجر الجيري والطباشير والرخام والصخور الصخرية - كربونات الكالسيوم مع شوائب طفيفة. يسمى خليط من كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم الدولوميت. يستخدم الحجر الجيري والدولوميت بشكل أساسي كمواد بناء أو أسطح طرق أو مزيلات رطوبة التربة. كربونات الكالسيوم CaCO3 ضروري للحصول على أكسيد الكالسيوم (الجير الحي) CaO وهيدروكسيد الكالسيوم (الجير المطفأ) Ca (OH) 2. في المقابل ، فإن CaO و Ca (OH) 2 هما المادتان الرئيسيتان في العديد من مجالات الصناعات الكيميائية والمعدنية والهندسية - يستخدم أكسيد الكالسيوم ، في شكله الحر وكجزء من مخاليط السيراميك ، في إنتاج المواد المقاومة للحرارة ؛ تحتاج صناعة اللب والورق إلى كميات هائلة من هيدروكسيد الكالسيوم. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم Ca (OH) 2 في إنتاج المبيض (مبيض جيد ومطهر) ، وملح Berthollet ، والصودا ، وبعض المبيدات لمكافحة الآفات النباتية. يتم استهلاك كمية كبيرة من الجير في إنتاج الفولاذ - لإزالة الكبريت والفوسفور والسيليكون والمنغنيز. دور آخر للجير في علم المعادن هو إنتاج المغنيسيوم. يستخدم الجير أيضًا كمواد تشحيم في سحب الأسلاك الفولاذية وفي معادلة سوائل تخليل النفايات المحتوية على حامض الكبريتيك. بالإضافة إلى ذلك ، يعتبر الجير أكثر الكاشفات الكيميائية شيوعًا في معالجة مياه الشرب والمياه الصناعية (جنبًا إلى جنب مع الشب أو أملاح الحديد ، فإنه يخثر المعلقات ويزيل الرواسب ، كما يعمل على تليين الماء عن طريق إزالة مؤقت - هيدروكربونات - صلابة). في الحياة اليومية والطب ، تُستخدم كربونات الكالسيوم المترسبة كعامل معادل للأحماض ، ومادة كاشطة خفيفة في معاجين الأسنان ، ومصدر للكالسيوم الإضافي في الوجبات الغذائية ، ومكون في مضغ العلكة ، وحشو في مستحضرات التجميل. يستخدم كربونات الكالسيوم CaCO3 أيضًا كحشو في المطاط واللاتكس والدهانات والمينا والبلاستيك (حوالي 10٪ بالوزن) لتحسين مقاومتها للحرارة والصلابة والصلابة والتشغيل الآلي.

من الأهمية بمكان فلوريد الكالسيوم CaF2 ، لأنه في شكل معدن (الفلوريت) هو المصدر الصناعي الوحيد المهم للفلور! يستخدم فلوريد الكالسيوم (الفلوريت) في شكل بلورات مفردة في البصريات (الأهداف الفلكية ، العدسات ، المنشورات) وكمواد ليزر. الحقيقة هي أن زجاج فلوريد الكالسيوم فقط هو المنفذ إلى منطقة الطيف بأكملها. يتم استخدام تنغستات الكالسيوم (scheelite) على شكل بلورات مفردة في تكنولوجيا الليزر ، وأيضًا كمومض. لا يقل أهمية عن كلوريد الكالسيوم CaCl2 - وهو مكون من المحاليل الملحية لوحدات التبريد ولملء إطارات الجرارات والمركبات الأخرى. بمساعدة كلوريد الكالسيوم ، يتم تنظيف الطرق والأرصفة من الثلج والجليد ، ويستخدم هذا المركب لحماية الفحم والخام من التجمد أثناء النقل والتخزين ، ويتم تشريب الخشب بمحلوله لجعله مقاومًا للحريق. يستخدم CaCl2 في الخلطات الخرسانية لتسريع بداية الإعداد ، وزيادة القوة الأولية والنهائية للخرسانة.

يستخدم كربيد الكالسيوم الذي تم الحصول عليه صناعياً CaC2 (أثناء التكليس في الأفران الكهربائية لأكسيد الكالسيوم مع فحم الكوك) للحصول على الأسيتيلين وتقليل المعادن ، وكذلك في إنتاج سياناميد الكالسيوم ، والذي بدوره يطلق الأمونيا تحت تأثير بخار الماء . بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم سياناميد الكالسيوم لإنتاج اليوريا ، وهو سماد ثمين ومواد خام لإنتاج الراتنجات الاصطناعية. عن طريق تسخين الكالسيوم في جو هيدروجين ، يتم الحصول على CaH2 (هيدريد الكالسيوم) ، والذي يستخدم في علم المعادن (المعادن الحرارية) وفي إنتاج الهيدروجين في الحقل (يمكن الحصول على أكثر من متر مكعب من الهيدروجين من كيلوغرام واحد من هيدريد الكالسيوم ) ، والذي يستخدم لملء البالونات على سبيل المثال. في الممارسة المختبرية ، يتم استخدام هيدريد الكالسيوم كعامل اختزال نشط. زرنيخات الكالسيوم ، التي يتم الحصول عليها عن طريق تحييد حمض الزرنيخ بالجير ، تستخدم على نطاق واسع لمكافحة سوسة القطن ، وعثة الترميز ، ودودة التبغ ، وخنفساء البطاطس في كولورادو. مبيدات الفطريات المهمة هي بخاخات كبريتات الجير ومخاليط بوردو ، والتي يتم الحصول عليها من كبريتات النحاس وهيدروكسيد الكالسيوم.

إنتاج

أول من حصل على الكالسيوم المعدني كان الكيميائي الإنجليزي همفري ديفي. في عام 1808 ، أنتج تحليلًا كهربائيًا لمزيج من الجير المطفأ الرطب Ca (OH) 2 مع أكسيد الزئبق HgO على صفيحة بلاتينية كانت بمثابة أنود (سلك بلاتيني مغمور في الزئبق يعمل ككاثود) ، ونتيجة لذلك حصل ديفي على ملغم الكالسيوم عن طريق إخراج الزئبق منه ، واكتشف الكيميائي معدنًا جديدًا أطلق عليه الكالسيوم.

في الصناعة الحديثة ، يتم الحصول على الكالسيوم المعدني الحر عن طريق التحليل الكهربائي لذوبان كلوريد الكالسيوم CaCl2 ، وتتراوح نسبته 75-85٪ وكلوريد البوتاسيوم KCl (يمكن استخدام خليط من CaCl2 و CaF2) أو عن طريق الاختزال الحراري لأكسيد الكالسيوم CaO عند درجة حرارة 1170-1 200 درجة مئوية. يتم الحصول على كلوريد الكالسيوم اللامائي النقي المطلوب للتحليل الكهربائي عن طريق كلورة أكسيد الكالسيوم عن طريق التسخين في وجود الفحم أو عن طريق تجفيف CaCl2 ∙ 6H2O الناتج عن عمل حمض الهيدروكلوريك على الحجر الجيري. تتم عملية التحليل الكهربائي في حمام التحليل الكهربائي ، حيث يتم وضع ملح كلوريد الكالسيوم النقي الجاف وكلوريد البوتاسيوم ، وهو أمر ضروري لخفض درجة انصهار الخليط. يتم وضع كتل الجرافيت فوق حوض الاستحمام - يعمل الأنود ، أو حمام من الحديد الزهر أو الفولاذ المملوء بسبيكة كالسيوم والنحاس ، ككاثود. في عملية التحليل الكهربائي ، يمر الكالسيوم إلى سبائك النحاس والكالسيوم ، مما يثريها بشكل كبير ، ويتم إزالة جزء من السبيكة المخصبة باستمرار ، وبدلاً من ذلك يتم إضافة سبيكة مستنفدة في الكالسيوم (30-35٪ Ca) ، في نفس الوقت الكلور يشكل خليطًا من الكلور والهواء (غازات الأنود) ، والذي ينتقل لاحقًا إلى كلورة حليب الجير. يمكن استخدام سبائك النحاس والكالسيوم المخصب مباشرة كسبيكة أو إرسالها للتنقية (التقطير) ، حيث يتم تقطيرها في الفراغ (عند درجة حرارة 1000-1080 درجة مئوية وضغط متبقي من 13-20 كيلو باسكال) من المعدن منها يتم الحصول على الكالسيوم من النقاء النووي. للحصول على الكالسيوم عالي النقاوة ، يتم تقطيره مرتين. تتم عملية التحليل الكهربائي عند درجة حرارة 680-720 درجة مئوية. الحقيقة هي أن هذه هي درجة الحرارة المثلى لعملية التحليل الكهربائي - عند درجة حرارة منخفضة ، تطفو سبيكة الكالسيوم المخصب على سطح المنحل بالكهرباء ، وعند درجة حرارة أعلى ، يذوب الكالسيوم في المنحل بالكهرباء مع تكوين CaCl. أثناء التحليل الكهربائي باستخدام الكاثودات السائلة ، يتم استخدام الكالسيوم وسبائك الرصاص أو الكالسيوم وسبائك الزنك بشكل مباشر في الهندسة للحصول على سبائك الكالسيوم مع الرصاص (للمحامل) والزنك (لإنتاج الخرسانة الرغوية - عندما تتفاعل السبيكة مع الرطوبة ، يتم إطلاق الهيدروجين و يتم إنشاء هيكل مسامي). في بعض الأحيان يتم تنفيذ العملية باستخدام كاثود مبرد بالحديد ، والذي يكون على اتصال فقط بسطح المنحل بالكهرباء المصهور. عندما يتم إطلاق الكالسيوم ، يتم رفع الكاثود تدريجياً ، ويتم سحب قضيب (50-60 سم) من الكالسيوم من الذوبان ، محميًا من الأكسجين الجوي بطبقة من الإلكتروليت المتصلب. تستخدم "طريقة اللمس" للحصول على الكالسيوم الملوث بشدة بكلوريد الكالسيوم والحديد والألمنيوم والصوديوم ، ويتم التنقية عن طريق إعادة الصهر في جو الأرجون.

طريقة أخرى للحصول على الكالسيوم - المعدنية - تم إثباتها نظريًا في وقت مبكر من عام 1865 بواسطة الكيميائي الروسي الشهير ن. ن. بيكيتوف. تعتمد طريقة الألمنيوم الحراري على التفاعل:

6CaO + 2Al → 3CaO Al2O3 + 3Ca

يتم ضغط القوالب من خليط من أكسيد الكالسيوم مع مسحوق الألمنيوم ، وتوضع في معوجة من الصلب الكروم والنيكل ويتم تقطير الكالسيوم الناتج عند درجة حرارة 1170-1200 درجة مئوية وضغط متبقي من 0.7-2.6 باسكال. يتم الحصول على الكالسيوم في شكل بخار ، ثم يتم تكثيفه على سطح بارد. يتم استخدام طريقة الألمنيوم للحصول على الكالسيوم في الصين وفرنسا وعدد من البلدان الأخرى. على المستوى الصناعي ، كانت الطريقة المعدنية للحصول على الكالسيوم هي أول طريقة استخدمتها الولايات المتحدة خلال الحرب العالمية الثانية. بالطريقة نفسها ، يمكن الحصول على الكالسيوم عن طريق تقليل CaO باستخدام الحديدوزيليكون أو السيليكون الألمنيوم. يتم إنتاج الكالسيوم على شكل سبائك أو صفائح بنقاوة 98-99٪.

الإيجابيات والسلبيات موجودة في كلتا الطريقتين. طريقة التحليل الكهربائي متعددة العمليات ، وتستهلك الكثير من الطاقة (40-50 كيلوواط ساعة من الطاقة تستهلك لكل 1 كجم من الكالسيوم) ، بالإضافة إلى أنها ليست آمنة بيئيًا ، فهي تتطلب كمية كبيرة من الكواشف والمواد. ومع ذلك ، فإن مردود الكالسيوم بهذه الطريقة هو 70-80٪ ، بينما باستخدام طريقة الألمنيوم يكون العائد 50-60٪ فقط. بالإضافة إلى ذلك ، مع الطريقة المعدنية للحصول على الكالسيوم ، فإن الطرح هو أنه من الضروري إجراء التقطير المتكرر ، والإضافة في استهلاك منخفض للطاقة ، وفي حالة عدم وجود غازات وانبعاثات ضارة سائلة.

منذ وقت ليس ببعيد ، تم تطوير طريقة جديدة للحصول على الكالسيوم المعدني - وهي تعتمد على التفكك الحراري لكربيد الكالسيوم: يتم تسخينها في فراغ إلى 1750 درجة مئوية ، ويتحلل الكربيد مع تكوين بخار الكالسيوم والجرافيت الصلب.

حتى منتصف القرن العشرين ، كان الكالسيوم المعدني يُنتج بكميات صغيرة جدًا ، لأنه لم يستخدم أبدًا تقريبًا. على سبيل المثال ، في الولايات المتحدة الأمريكية خلال الحرب العالمية الثانية ، لم يتم استهلاك أكثر من 25 طنًا من الكالسيوم ، وفي ألمانيا فقط 5-10 أطنان. فقط في النصف الثاني من القرن العشرين ، عندما أصبح من الواضح أن الكالسيوم هو عامل اختزال نشط للعديد من المعادن النادرة والحرارية ، أدى إلى زيادة سريعة في الاستهلاك (حوالي 100 طن سنويًا) ، ونتيجة لذلك ، تم إنتاج يبدأ هذا المعدن. مع تطور الصناعة النووية ، حيث يستخدم الكالسيوم كعنصر من مكونات الاختزال الحراري المعدني لليورانيوم من رباعي فلوريد اليورانيوم (باستثناء الولايات المتحدة ، حيث يستخدم المغنيسيوم بدلاً من الكالسيوم) ، فإن الطلب (حوالي 2000 طن في السنة) ) للعنصر رقم عشرين ، بالإضافة إلى زيادة إنتاجه عدة مرات. في الوقت الحالي ، يمكن اعتبار الصين وروسيا وكندا وفرنسا المنتجين الرئيسيين للكالسيوم المعدني. يتم إرسال الكالسيوم من هذه البلدان إلى الولايات المتحدة الأمريكية والمكسيك وأستراليا وسويسرا واليابان وألمانيا وبريطانيا العظمى. ارتفعت أسعار معدن الكالسيوم بشكل مطرد إلى أن بدأت الصين في إنتاج المعدن بكميات كبيرة بحيث ظهر فائض من العنصر العشرين في السوق العالمية ، مما أدى إلى انخفاض حاد في السعر.

الخصائص الفيزيائية

ما هو الكالسيوم المعدني؟ ما هي خصائص هذا العنصر ، الذي حصل عليه الكيميائي الإنجليزي همفري ديفي عام 1808 ، وهو معدن يمكن أن تصل كتلته في جسم شخص بالغ إلى 2 كيلوجرام؟

مادة الكالسيوم البسيطة هي معدن خفيف أبيض فضي. كثافة الكالسيوم 1.54 جم / سم 3 فقط (عند درجة حرارة 20 درجة مئوية) ، وهي أقل بكثير من كثافة الحديد (7.87 جم / سم 3) والرصاص (11.34 جم / سم 3) والذهب (19.3 جم / سم 3) ) أو البلاتين (21.5 جم / سم 3). الكالسيوم أخف من المعادن "عديمة الوزن" مثل الألومنيوم (2.70 جم / سم 3) أو المغنيسيوم (1.74 جم / سم 3). قليل من المعادن يمكن أن "تفتخر" بكثافة أقل من تلك الموجودة في العنصر العشرين - الصوديوم (0.97 جم / سم 3) ، البوتاسيوم (0.86 جم / سم 3) ، الليثيوم (0.53 جم / سم 3). من حيث الكثافة ، يشبه الكالسيوم إلى حد كبير الروبيديوم (1.53 جم / سم 3). درجة انصهار الكالسيوم 851 درجة مئوية ، ودرجة الغليان 1480 درجة مئوية. انصهار مماثل (وإن كان أقل قليلاً) ونقاط الغليان للمعادن الأرضية القلوية الأخرى هي السترونشيوم (770 درجة مئوية و 1380 درجة مئوية) والباريوم (710 درجة مئوية و 1640 درجة مئوية).

يوجد الكالسيوم المعدني في تعديلين متآصلين: في درجات الحرارة العادية حتى 443 درجة مئوية ، يكون الكالسيوم ألفا مستقرًا مع شبكة شعرية مكعبة من النوع النحاسي ، مع المعلمات: a = 0.558 نانومتر ، z = 4 ، مجموعة الفضاء Fm3m ، نصف القطر الذري 1.97 أ ، نصف القطر الأيوني Ca2 + 1.04 A ؛ في نطاق درجة حرارة 443-842 درجة مئوية ، يكون الكالسيوم β مستقرًا مع شبكة مكعبة محورها الجسم من النوع α-iron ، مع المعلمات a = 0.448 نانومتر ، z = 2 ، مجموعة الفضاء Im3m. المحتوى الحراري القياسي للانتقال من تعديل α إلى تعديل β هو 0.93 كيلو جول / مول. معامل درجة حرارة التمدد الخطي للكالسيوم في نطاق درجة الحرارة 0-300 درجة مئوية هو 22 10-6. الموصلية الحرارية للعنصر العشرين عند 20 درجة مئوية هي 125.6 واط / (م · ك) أو 0.3 كال / (سم ثانية · درجة مئوية). السعة الحرارية النوعية للكالسيوم في النطاق من 0 إلى 100 درجة مئوية هي 623.9 جول / (كجم كلفن) أو 0.149 كالوري / (جم درجة مئوية). المقاومة الكهربائية للكالسيوم عند 20 درجة مئوية هي 4.6 10-8 أوم م أو 4.6 10-6 أوم سم ؛ معامل درجة الحرارة للمقاومة الكهربائية للعنصر رقم عشرين 4.57 10-3 (عند 20 درجة مئوية). معامل مرونة الكالسيوم 26 Gn / m2 أو 2600 kgf / mm2 ؛ قوة الشد القصوى 60 Mn / m2 (6 kgf / mm2) ؛ الحد المرن للكالسيوم هو 4 MN / m2 أو 0.4 kgf / mm2 ، وقوة الخضوع هي 38 MN / m2 (3.8 kgf / mm2) ؛ الاستطالة النسبية للعنصر العشرين 50٪ ؛ صلابة الكالسيوم برينل 200-300 MN / م 2 أو 20-30 كجم ق / مم 2. مع الزيادة التدريجية في الضغط ، يبدأ الكالسيوم في إظهار خصائص أشباه الموصلات ، لكنه لا يصبح واحدًا بالمعنى الكامل للكلمة (في الوقت نفسه ، لم يعد معدنًا أيضًا). مع زيادة أخرى في الضغط ، يعود الكالسيوم إلى الحالة المعدنية ويبدأ في إظهار خصائص فائقة التوصيل (درجة حرارة الموصلية الفائقة أعلى بست مرات من درجة حرارة الزئبق ، وتتجاوز بكثير جميع العناصر الأخرى في الموصلية). يتشابه السلوك الفريد للكالسيوم من نواحٍ عديدة مع السترونشيوم (أي ، يتم الحفاظ على المتوازيات في الجدول الدوري).

لا تختلف الخواص الميكانيكية للكالسيوم الأولي عن تلك الخاصة بالأعضاء الآخرين في عائلة المعادن ، وهي مواد هيكلية ممتازة: فالكالسيوم المعدني عالي النقاء مطيل ، ومضغوط جيدًا وملفوف ، ومسحوبًا في سلك ، ومزور وقابل للقطع - يمكن تشغيله على مخرطة. ومع ذلك ، على الرغم من كل هذه الصفات الممتازة للمادة الهيكلية ، فإن الكالسيوم ليس كذلك - والسبب في كل شيء هو نشاطه الكيميائي العالي. صحيح ، لا ينبغي لأحد أن ينسى أن الكالسيوم مادة هيكلية لا غنى عنها لنسيج العظام ، وأن معادنه كانت مادة بناء لآلاف السنين.

الخواص الكيميائية

تكوين غلاف الإلكترون الخارجي لذرة الكالسيوم هو 4s2 ، والذي يحدد تكافؤ 2 من العنصر العشرين في المركبات. يتم فصل إلكترونين من الطبقة الخارجية بسهولة نسبيًا عن الذرات ، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى أيونات موجبة مزدوجة الشحنة. لهذا السبب ، من حيث النشاط الكيميائي ، فإن الكالسيوم أقل قليلاً من الفلزات القلوية (البوتاسيوم ، الصوديوم ، الليثيوم). مثل الأخير ، حتى في درجة حرارة الغرفة العادية ، يتفاعل الكالسيوم بسهولة مع الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والهواء الرطب ، بينما يتم تغطيته بغشاء رمادي باهت من خليط من أكسيد الكالسيوم CaO (OH) 2 هيدروكسيد. لذلك ، يتم تخزين الكالسيوم في وعاء مغلق بإحكام تحت طبقة من الزيت المعدني أو البارافين السائل أو الكيروسين. عند تسخينه في الأكسجين والهواء ، يشتعل الكالسيوم ، ويحترق بلهب أحمر ساطع ، ويتشكل أكسيد قاعدي CaO ، وهو مادة بيضاء شديدة الاشتعال ، تبلغ درجة انصهارها 2600 درجة مئوية تقريبًا. يُعرف أكسيد الكالسيوم أيضًا في الفن باسم الجير الحي أو الجير المحترق. كما تم الحصول على بيروكسيدات الكالسيوم - CaO2 و CaO4 -. يتفاعل الكالسيوم مع الماء مع إطلاق الهيدروجين (في سلسلة الإمكانات القياسية ، يقع الكالسيوم على يسار الهيدروجين وهو قادر على إزاحته من الماء) وتكوين هيدروكسيد الكالسيوم Ca (OH) 2 ، وفي الماء البارد ينخفض ​​معدل التفاعل تدريجياً (بسبب تكوين طبقة من هيدروكسيد الكالسيوم الضعيف الذوبان):

Ca + 2H2O → Ca (OH) 2 + H2 + Q

يتفاعل الكالسيوم بقوة أكبر مع الماء الساخن ، مما يؤدي إلى إزاحة الهيدروجين بسرعة وتشكيل Ca (OH) 2. هيدروكسيد الكالسيوم Ca (OH) 2 هو قاعدة قوية ، قليل الذوبان في الماء. يسمى المحلول المشبع بهيدروكسيد الكالسيوم ماء الجير وهو قلوي. في الهواء ، يصبح ماء الجير سريعًا عكرًا بسبب امتصاص ثاني أكسيد الكربون وتكوين كربونات الكالسيوم غير القابلة للذوبان. على الرغم من هذه العمليات العنيفة التي تحدث أثناء تفاعل العنصر العشرين مع الماء ، ومع ذلك ، على عكس الفلزات القلوية ، فإن تفاعل تفاعل الكالسيوم مع الماء يحدث بشكل أقل قوة - بدون انفجارات واشتعال. بشكل عام ، يكون تفاعل الكالسيوم أقل من تفاعل المعادن الأرضية القلوية الأخرى.

يتحد الكالسيوم بشكل فعال مع الهالوجينات ، وبالتالي تكوين مركبات من نوع CaX2 - يتفاعل مع الفلور في البرد ، ومع الكلور والبروم عند درجات حرارة أعلى من 400 درجة مئوية ، مما يعطي CaF2 و CaCl2 و CaBr2 ، على التوالي. هذه الهاليدات في شكل الحالة المنصهرة مع الهاليدات الأحادية الكالسيوم من نوع CaX - CaF ، CaCl ، حيث يكون الكالسيوم أحادي التكافؤ بشكل رسمي. هذه المركبات مستقرة فقط فوق نقاط انصهار ثنائي الهاليدات (فهي غير متناسبة عند التبريد لتكوين Ca و CaX2). بالإضافة إلى ذلك ، يتفاعل الكالسيوم بنشاط ، خاصة عند تسخينه ، مع العديد من المعادن غير: عند تسخينه بالكبريت ، يتم الحصول على كبريتيد الكالسيوم CaS ، والأخير يعلق الكبريت ، ويشكل polysulfides (CaS2 ، CaS4 وغيرها) ؛ بالتفاعل مع الهيدروجين الجاف عند درجة حرارة 300-400 درجة مئوية ، يشكل الكالسيوم هيدروجين CaH2 - مركب أيوني يكون فيه الهيدروجين أنيون. هيدريد الكالسيوم CaH2 مادة شبيهة بالملح الأبيض تتفاعل بعنف مع الماء لإطلاق الهيدروجين:

CaH2 + 2H2O → Ca (OH) 2 + 2H2

عند تسخينه (حوالي 500 درجة مئوية) في جو من النيتروجين ، يشتعل الكالسيوم ويشكل نيتريد Ca3N2 ، المعروف في شكلين بلوريين - درجة حرارة عالية α ودرجة حرارة منخفضة β. تم الحصول على نيتريد Ca3N4 أيضًا عن طريق تسخين أميد الكالسيوم Ca (NH2) 2 في فراغ. عند تسخينه دون الوصول إلى الهواء باستخدام الجرافيت (الكربون) أو السيليكون أو الفوسفور ، يعطي الكالسيوم ، على التوالي ، كربيد الكالسيوم CaC2 ومبيدات السيليكون Ca2Si و Ca3Si4 و CaSi و CaSi2 والفوسفيدات Ca3P2 و CaP و CaP3. تتحلل معظم مركبات الكالسيوم مع اللافلزات بسهولة بواسطة الماء:

CaH2 + 2H2O → Ca (OH) 2 + 2H2

Ca3N2 + 6H2O → 3Ca (OH) 2 + 2NH3

مع البورون ، يشكل الكالسيوم بوريد الكالسيوم CaB6 ، مع المواد الكالكوجينية - chalcogenides CaS ، CaSe ، CaTe. تُعرف أيضًا Polychalcogenides CaS4 و CaS5 و Ca2Te3. يشكل الكالسيوم مركبات بين المعادن مع معادن مختلفة - الألمنيوم والذهب والفضة والنحاس والرصاص وغيرها. نظرًا لكونه عامل اختزال نشط ، فإن الكالسيوم يزيح جميع المعادن تقريبًا من أكاسيدها وكبريتيداتها وهاليداتها عند تسخينها. يذوب الكالسيوم جيدًا في الأمونيا السائلة NH3 بتكوين محلول أزرق ، يؤدي تبخره إلى إطلاق الأمونيا [Ca (NH3) 6] - مركب صلب ذهبي اللون ذو موصلية معدنية. عادة ما يتم الحصول على أملاح الكالسيوم عن طريق تفاعل أكاسيد الحمض مع أكسيد الكالسيوم ، وعمل الأحماض على Ca (OH) 2 أو CaCO3 ، وتبادل التفاعلات في محاليل إلكتروليت مائية. العديد من أملاح الكالسيوم قابلة للذوبان بدرجة عالية في الماء (كلوريد CaCl2 ، وبروميد CaBr2 ، و CaI2 يوديد و Ca (NO3) 2 نترات) ، وغالبًا ما تشكل هيدرات بلورية. فلوريد CaF2 ، كربونات CaCO3 ، كبريتات CaSO4 ، Ca3 (PO4) 2 أورثوفوسفات ، CaC2O4 أكسالات وبعضها الآخر غير قابل للذوبان في الماء.

الكالسيوم عنصر من المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة الثانية ، الفترة الرابعة من النظام الدوري للعناصر الكيميائية لـ D. I. Mendeleev ، برقم ذري 20. يتم تحديده بواسطة الرمز Ca (lat. الكالسيوم). مادة الكالسيوم البسيطة هي معدن أرضي قلوي ناعم ، متفاعل ، فضي أبيض.

الكالسيوم في البيئة

يوجد الكثير منه في الطبيعة: السلاسل الجبلية والصخور الطينية تتكون من أملاح الكالسيوم ، توجد في مياه البحر والأنهار ، وهي جزء من الكائنات الحية النباتية والحيوانية. يمثل الكالسيوم 3.38٪ من كتلة القشرة الأرضية (المرتبة الخامسة من حيث الوفرة بعد الأكسجين والسيليكون والألمنيوم والحديد).

نظائر الكالسيوم

يوجد الكالسيوم في الطبيعة كمزيج من ستة نظائر: 40 Ca و 42 Ca و 43 Ca و 44 Ca و 46 Ca و 48 Ca ، وأكثرها شيوعًا - 40 Ca - هو 96.97٪.

من أصل ستة نظائر طبيعية للكالسيوم ، هناك خمسة نظائر مستقرة. تم اكتشاف النظير السادس 48Ca ، وهو الأثقل من بين النظائر الستة ونادرًا جدًا (تبلغ وفرة نظائره 0.187 ٪ فقط) ، مؤخرًا ليخضع لاضمحلال بيتا المزدوج بعمر نصف يبلغ 5.3 × 10 19 عامًا.

محتوى الكالسيوم في الصخور والمعادن

يوجد معظم الكالسيوم في تكوين السيليكات والألومينوسيليكات من الصخور المختلفة (الجرانيت ، النيسات ، إلخ) ، خاصة في الفلسبار - الأنورثيت Ca.

في شكل صخور رسوبية ، يتم تمثيل مركبات الكالسيوم بالطباشير والحجر الجيري ، والتي تتكون أساسًا من معدن الكالسيت (CaCO 3). تم العثور على الشكل البلوري من الكالسيت - الرخام - في الطبيعة بشكل أقل تكرارًا.

معادن الكالسيوم مثل الكالسيوم CaCO 3 ، الأنهيدريت CaSO 4 ، المرمر CaSO 4 0.5H 2 O والجبس CaSO 4 2H 2 O ، فلوريت CaF 2 ، الأباتيت Ca 5 (PO 4) 3 (F ، Cl ، OH) ، الدولوميت MgCO 3 كربونات الكالسيوم 3. إن وجود أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم في المياه الطبيعية يحدد صلابتها.

الكالسيوم ، الذي يهاجر بقوة في قشرة الأرض ويتراكم في أنظمة جيوكيميائية مختلفة ، يشكل 385 معدنًا (الرابع من حيث عدد المعادن).

هجرة الكالسيوم في القشرة الأرضية

في الهجرة الطبيعية للكالسيوم ، يلعب "توازن الكربونات" دورًا مهمًا ، المرتبط بالتفاعل العكسي لتفاعل كربونات الكالسيوم مع الماء وثاني أكسيد الكربون مع تكوين بيكربونات قابلة للذوبان:

كربونات الكالسيوم 3 + H 2 O + CO 2 ↔ Ca (HCO 3) 2 ↔ Ca 2+ + 2HCO3 -

(يتحول التوازن إلى اليسار أو اليمين حسب تركيز ثاني أكسيد الكربون).

تلعب الهجرة الحيوية دورًا مهمًا.

محتوى الكالسيوم في المحيط الحيوي

توجد مركبات الكالسيوم في جميع الأنسجة الحيوانية والنباتية تقريبًا (انظر أيضًا أدناه). كمية كبيرة من الكالسيوم جزء من الكائنات الحية. لذلك ، هيدروكسيباتيت Ca 5 (PO 4) 3 OH ، أو ، في مدخل آخر ، 3Ca 3 (PO 4) 2 Ca (OH) 2 - أساس النسيج العظمي للفقاريات ، بما في ذلك البشر ؛ تتكون أصداف وقشور العديد من اللافقاريات وقشور البيض وما إلى ذلك من كربونات الكالسيوم CaCO 3. في الأنسجة الحية للإنسان والحيوان ، 1.4-2٪ Ca (بالجزء الكتلي) ؛ في جسم الإنسان الذي يزن 70 كجم ، يبلغ محتوى الكالسيوم حوالي 1.7 كجم (بشكل أساسي في تكوين المادة بين الخلايا في أنسجة العظام).

الحصول على الكالسيوم

حصل ديفي على الكالسيوم لأول مرة في عام 1808 عن طريق التحليل الكهربائي. ولكن ، مثل المعادن الأرضية القلوية والقلوية الأخرى ، لا يمكن الحصول على العنصر رقم 20 بالتحليل الكهربائي من المحاليل المائية. يتم الحصول على الكالسيوم عن طريق التحليل الكهربائي لأملاحه المنصهرة.

هذه عملية معقدة وتستهلك الكثير من الطاقة. يذوب كلوريد الكالسيوم في المحلل الكهربائي مع إضافة أملاح أخرى (هناك حاجة إليها من أجل خفض درجة انصهار CaCl 2).

يلامس الكاثود الفولاذي سطح المنحل بالكهرباء فقط ؛ يلتصق الكالسيوم المفرج عنه ويتجمد عليه. عندما يتم إطلاق الكالسيوم ، يتم رفع الكاثود تدريجياً ، وفي النهاية يتم الحصول على "قضيب" كالسيوم بطول 50 ... 60 سم ، ثم يتم إزالته وضربه من الكاثود الفولاذي وتبدأ العملية من جديد. تستخدم "طريقة اللمس" للحصول على الكالسيوم الملوث بشدة بكلوريد الكالسيوم والحديد والألمنيوم والصوديوم. يتم تنقيته عن طريق إعادة الصهر في جو الأرجون.

إذا تم استبدال الكاثود الفولاذي بقطب كاثود معدني قادر على صناعة السبائك بالكالسيوم ، فسيتم الحصول على السبيكة المقابلة أثناء التحليل الكهربائي. اعتمادًا على الغرض ، يمكن استخدامه كسبيكة ، أو يمكن الحصول على الكالسيوم النقي بالتقطير في الفراغ. هذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على سبائك الكالسيوم مع الزنك والرصاص والنحاس.

طريقة أخرى للحصول على الكالسيوم - المعدنية الحرارية - تم إثباتها نظريًا في وقت مبكر من عام 1865 بواسطة الكيميائي الروسي الشهير N.N. بيكيتوف. يتم تقليل الكالسيوم بالألمنيوم عند ضغط 0.01 مم زئبق فقط. درجة حرارة العملية 1100 ... 1200 درجة مئوية. وهكذا يتم الحصول على الكالسيوم في شكل بخار ، ثم يتم تكثيفه.

في السنوات الأخيرة ، تم تطوير طريقة أخرى للحصول على العنصر. يعتمد على التفكك الحراري لكربيد الكالسيوم: يتم تسخينه في فراغ إلى 1750 درجة مئوية ، ويتحلل الكربيد مع تكوين بخار الكالسيوم والجرافيت الصلب.

الخصائص الفيزيائية للكالسيوم

يوجد معدن الكالسيوم في تعديلين متآصلين. حتى 443 درجة مئوية ، تكون α-Ca مع شعرية مكعبة محورها الوجه مستقرة (المعلمة a = 0.558 نانومتر) ، فوق-Ca مستقرة مع شبكة مكعبة محورها الجسم من النوع α-Fe (المعلمة a = 0.448 نانومتر). المحتوى الحراري القياسي Δ ح 0 من الانتقال α → هو 0.93 كيلوجول / مول.

مع زيادة تدريجية في الضغط ، يبدأ في إظهار خصائص أشباه الموصلات ، ولا يصبح أشباه موصلات بالمعنى الكامل للكلمة (لم يعد معدنًا أيضًا). مع زيادة أخرى في الضغط ، يعود إلى الحالة المعدنية ويبدأ في إظهار خصائص فائقة التوصيل (درجة حرارة الموصلية الفائقة أعلى بست مرات من درجة حرارة الزئبق ، وتتجاوز بكثير جميع العناصر الأخرى في الموصلية). يشبه السلوك الفريد للكالسيوم من نواح كثيرة السترونشيوم.

على الرغم من انتشار هذا العنصر في كل مكان ، حتى الكيميائيين لم يروا جميعًا عنصر الكالسيوم. لكن هذا المعدن ، من الخارج وفي السلوك ، يختلف تمامًا عن المعادن القلوية ، التي يكون ملامستها محفوفًا بخطر الحرائق والحروق. يمكن تخزينه بأمان في الهواء ، فهو لا يشتعل من الماء. الخواص الميكانيكية لعنصر الكالسيوم لا تجعله "شاة سوداء" في عائلة المعادن: فالكالسيوم يتفوق على الكثير منها في القوة والصلابة. يمكن تشغيله على مخرطة ، وسحبها في سلك ، وتزويرها ، وضغطها.

ومع ذلك ، فإن عنصر الكالسيوم لا يستخدم أبدًا كمادة هيكلية. إنه نشط للغاية لذلك. يتفاعل الكالسيوم بسهولة مع الأكسجين والكبريت والهالوجينات. حتى مع النيتروجين والهيدروجين ، فإنه يتفاعل في ظل ظروف معينة. تعتبر بيئة أكاسيد الكربون ، الخاملة لمعظم المعادن ، عدوانية بالنسبة للكالسيوم. يحترق في جو من CO و CO 2.

بطبيعة الحال ، مع وجود مثل هذه الخصائص الكيميائية ، لا يمكن العثور على الكالسيوم في الطبيعة في حالة حرة. لكن مركبات الكالسيوم - الطبيعية والاصطناعية - أصبحت ذات أهمية قصوى.

الخصائص الكيميائية للكالسيوم

الكالسيوم معدن أرضي قلوي نموذجي. النشاط الكيميائي للكالسيوم مرتفع ، ولكنه أقل من نشاط جميع المعادن الأرضية القلوية الأخرى. يتفاعل بسهولة مع الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والرطوبة في الهواء ، ونتيجة لذلك يكون سطح معدن الكالسيوم عادةً رمادي باهت ، لذلك يتم تخزين الكالسيوم عادةً في المختبر ، مثل معادن الأرض القلوية الأخرى ، في جرة مغلقة بإحكام أسفل طبقة من الكيروسين أو البارافين السائل.

في سلسلة الكمون القياسية ، يقع الكالسيوم على يسار الهيدروجين. جهد القطب القياسي لزوج Ca 2+ / Ca 0 هو 2.84 V ، بحيث يتفاعل الكالسيوم بفعالية مع الماء ، ولكن بدون اشتعال:

Ca + 2H 2 O \ u003d Ca (OH) 2 + H 2 + Q.

مع المعادن غير النشطة (الأكسجين ، الكلور ، البروم) ، يتفاعل الكالسيوم في الظروف العادية:

2Ca + O 2 \ u003d 2CaO ، Ca + Br 2 \ u003d CaBr 2.

عند تسخينه في الهواء أو الأكسجين ، يشتعل الكالسيوم. مع المعادن غير المعدنية الأقل نشاطًا (الهيدروجين والبورون والكربون والسيليكون والنيتروجين والفوسفور وغيرها) ، يتفاعل الكالسيوم عند تسخينه ، على سبيل المثال:

Ca + H 2 \ u003d CaH 2 ، Ca + 6B \ u003d CaB 6 ،

3Ca + N 2 \ u003d Ca 3 N 2 ، Ca + 2C \ u003d CaC 2 ،

3Ca + 2P = Ca 3 P 2 (فوسفيد الكالسيوم) ، ومن المعروف أيضًا أن فوسيدات الكالسيوم لتركيبات CaP و CaP 5 ؛

2Ca + Si \ u003d Ca 2 Si (سيليكات الكالسيوم) معروفة أيضًا بمبيدات سيليكات الكالسيوم للتركيبات CaSi و Ca 3 Si 4 و CaSi 2.

مسار التفاعلات المذكورة أعلاه ، كقاعدة عامة ، مصحوب بإطلاق كمية كبيرة من الحرارة (أي أن هذه التفاعلات طاردة للحرارة). في جميع المركبات التي لا تحتوي على فلزات ، تكون حالة أكسدة الكالسيوم +2. تتحلل معظم مركبات الكالسيوم مع اللافلزات بسهولة بواسطة الماء ، على سبيل المثال:

CaH 2 + 2H 2 O \ u003d Ca (OH) 2 + 2H 2 ،

Ca 3 N 2 + 3H 2 O \ u003d 3Ca (OH) 2 + 2NH 3.

أيون Ca 2+ عديم اللون. عند إضافة أملاح الكالسيوم القابلة للذوبان إلى اللهب ، يتحول اللهب إلى اللون الأحمر.

أملاح الكالسيوم مثل CaCl 2 كلوريد ، CaBr 2 بروميد ، CaI 2 يوديد و Ca (NO 3) 2 نترات قابلة للذوبان في الماء بدرجة عالية. فلوريد CaF 2 ، كربونات CaCO 3 ، CaSO 4 كبريتات ، Ca 3 (PO 4) 2 أورثوفوسفات ، CaC 2 O 4 أكسالات وبعضها الآخر غير قابل للذوبان في الماء.

المهم هو حقيقة أنه على عكس كربونات الكالسيوم CaCO 3 ، فإن كربونات الكالسيوم الحمضية (هيدروكربونات) Ca (HCO 3) 2 قابلة للذوبان في الماء. في الطبيعة ، هذا يؤدي إلى العمليات التالية. عندما يخترق المطر البارد أو مياه الأنهار المشبعة بثاني أكسيد الكربون تحت الأرض ويسقط على الحجر الجيري ، يتم ملاحظة انحلالها:

CaCO 3 + CO 2 + H 2 O \ u003d Ca (HCO 3) 2.

في نفس الأماكن التي يصعد فيها الماء المشبع ببيكربونات الكالسيوم إلى سطح الأرض ويتم تسخينه بواسطة أشعة الشمس ، يحدث التفاعل العكسي:

Ca (HCO 3) 2 \ u003d CaCO 3 + CO 2 + H 2 O.

لذلك في الطبيعة هناك نقل للكتل الكبيرة من المواد. نتيجة لذلك ، يمكن أن تتشكل فجوات ضخمة تحت الأرض ، وتتشكل "رقاقات جليدية" - مقرنصات وصواعد - في الكهوف.

يحدد وجود بيكربونات الكالسيوم المذابة في الماء إلى حد كبير صلابة الماء المؤقتة. يطلق عليه مؤقتًا لأنه عند غليان الماء ، يتحلل البيكربونات ، ويترسب كربونات الكالسيوم 3. تؤدي هذه الظاهرة ، على سبيل المثال ، إلى حقيقة أن الميزان يتشكل في الغلاية بمرور الوقت.

طلب الكالسيوم

حتى وقت قريب ، لم يتم استخدام الكالسيوم المعدني تقريبًا. الولايات المتحدة ، على سبيل المثال ، قبل الحرب العالمية الثانية استهلكت فقط 10 ... 25 طنًا من الكالسيوم سنويًا ، ألمانيا - 5 ... 10 أطنان. ولكن لتطوير مجالات جديدة من التكنولوجيا ، فإن العديد من المعادن النادرة والحرارية هي بحاجة. اتضح أن الكالسيوم هو عامل اختزال مناسب للغاية ونشط للعديد منهم ، وبدأ استخدام العنصر في إنتاج الثوريوم والفاناديوم والزركونيوم والبريليوم والنيوبيوم واليورانيوم والتنتالوم وغيرها من المعادن المقاومة للحرارة. يستخدم الكالسيوم المعدني النقي على نطاق واسع في المعادن للحصول على المعادن النادرة.

يستخدم الكالسيوم النقي في صناعة سبائك الرصاص ، والتي تستخدم في تصنيع لوحات البطاريات ، وبطاريات الرصاص الحمضية التي لا تحتاج إلى صيانة مع تفريغ ذاتي منخفض. أيضًا ، يتم استخدام الكالسيوم المعدني لإنتاج مواد عالية الجودة من الكالسيوم BKA.

تطبيقات الكالسيوم المعدني

يعتبر الاستخدام الرئيسي لمعدن الكالسيوم كعامل اختزال في إنتاج المعادن ، وخاصة النيكل والنحاس والفولاذ المقاوم للصدأ. يستخدم الكالسيوم وهيدريده أيضًا للحصول على المعادن التي يصعب استعادتها مثل الكروم والثوريوم واليورانيوم. تستخدم سبائك الكالسيوم مع الرصاص في البطاريات وسبائك التحميل. تستخدم حبيبات الكالسيوم أيضًا لإزالة آثار الهواء من أجهزة الفراغ الكهربائي.

يتم تضمين الطباشير الطبيعي على شكل مسحوق في تركيبات تلميع المعادن. لكن من المستحيل تنظيف أسنانك بمسحوق الطباشير الطبيعي ، حيث يحتوي على بقايا قشور وقشور لأصغر الحيوانات ، مما زاد من صلابة وتدمير مينا الأسنان.

إستعمالالكالسيومفي الاندماج النووي

يعتبر نظير 48 Ca المادة الأكثر فاعلية والأكثر استخدامًا لإنتاج العناصر الثقيلة واكتشاف عناصر جديدة في الجدول الدوري. على سبيل المثال ، في حالة استخدام 48 Ca أيونات لإنتاج عناصر فائقة الثقل في المسرعات ، تتشكل نوى هذه العناصر بمئات وآلاف المرات بشكل أكثر كفاءة من استخدام "مقذوفات" أخرى (أيونات). يستخدم الكالسيوم المشع على نطاق واسع في علم الأحياء والطب كمتتبع للنظائر في دراسة عمليات التمثيل الغذائي للمعادن في الكائن الحي. بمساعدتها ، وجد أنه يوجد في الجسم تبادل مستمر لأيونات الكالسيوم بين البلازما والأنسجة الرخوة وحتى أنسجة العظام. لعب 45 Ca أيضًا دورًا مهمًا في دراسة عمليات التمثيل الغذائي التي تحدث في التربة وفي دراسة عمليات امتصاص الكالسيوم بواسطة النباتات. باستخدام نفس النظير ، كان من الممكن الكشف عن مصادر تلوث الفولاذ والحديد عالي النقاوة بمركبات الكالسيوم أثناء عملية الصهر.

جعلت قدرة الكالسيوم على ربط الأكسجين والنيتروجين من الممكن استخدامه لتنظيف الغازات الخاملة وكجهاز (A getter هي مادة تعمل على امتصاص الغازات وإنشاء فراغ عميق في الأجهزة الإلكترونية.) في معدات الراديو الفراغية.

استخدام مركبات الكالسيوم

أصبحت بعض مركبات الكالسيوم الاصطناعية أكثر شهرة ومألوفة من الحجر الجيري أو الجبس. وهكذا ، استخدم بناة العصور القديمة Ca (OH) 2 المطفأ وجير CaO ​​الجير.

الأسمنت هو أيضًا مركب كالسيوم يتم الحصول عليه صناعياً. أولاً ، يتم حرق خليط من الطين أو الرمل مع الحجر الجيري ويتم الحصول على الكلنكر ، والذي يتم بعد ذلك طحنه إلى مسحوق رمادي ناعم. يمكنك التحدث كثيرًا عن الأسمنت (أو بالأحرى ، عن الأسمنت) ، هذا هو موضوع مقال مستقل.

الأمر نفسه ينطبق على الزجاج ، والذي عادة ما يحتوي أيضًا على عنصر.

هيدريد الكالسيوم

عن طريق تسخين الكالسيوم في جو هيدروجين ، يتم الحصول على CaH 2 (هيدريد الكالسيوم) ، والذي يستخدم في علم المعادن (metallothermy) وفي إنتاج الهيدروجين في الحقل.

المواد البصرية والليزر

يستخدم فلوريد الكالسيوم (الفلوريت) في شكل بلورات مفردة في البصريات (الأهداف الفلكية ، العدسات ، المنشورات) وكمواد ليزر. يتم استخدام تنغستات الكالسيوم (scheelite) على شكل بلورات مفردة في تكنولوجيا الليزر ، وأيضًا كمومض.

كربيد الكالسيوم

كربيد الكالسيوم مادة يتم اكتشافها بالصدفة عند اختبار تصميم فرن جديد. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام كربيد الكالسيوم CaCl 2 بشكل أساسي في لحام الوقود بالأكسجين وقطع المعادن. عندما يتفاعل الكربيد مع الماء ، يتشكل الأسيتيلين ، ويتيح احتراق الأسيتيلين في نفاثة الأكسجين الحصول على درجة حرارة تقارب 3000 درجة مئوية. في الآونة الأخيرة ، يتم استخدام الأسيتيلين ومعه الكربيد بشكل أقل وأقل في اللحام وأكثر وأكثر - في الصناعة الكيميائية.

الكالسيوممصدر التيار الكيميائي

يستخدم الكالسيوم ، وكذلك سبائكه مع الألمنيوم والمغنيسيوم ، في البطاريات الكهربائية الحرارية الاحتياطية كأنود (على سبيل المثال ، عنصر كرومات الكالسيوم). كرومات الكالسيوم يستخدم في بطاريات مثل الكاثود. ميزة هذه البطاريات هي العمر الافتراضي الطويل للغاية (عقود) في حالة قابلة للاستخدام ، والقدرة على العمل في أي ظروف (الفضاء ، والضغوط العالية) ، والطاقة النوعية العالية من حيث الوزن والحجم. العيب هو قصر المدة. يتم استخدام هذه البطاريات عندما يكون من الضروري إنشاء طاقة كهربائية هائلة لفترة قصيرة (الصواريخ الباليستية ، بعض المركبات الفضائية ، إلخ).

مواد حرارية منالكالسيوم

يستخدم أكسيد الكالسيوم ، سواء في شكله الحر أو كجزء من مخاليط السيراميك ، في إنتاج المواد المقاومة للحرارة.

الأدوية

تستخدم مركبات الكالسيوم على نطاق واسع كمضادات للهستامين.

• كلوريد الكالسيوم
• جلوكونات الكالسيوم
• فوسفات الكالسيوم

بالإضافة إلى ذلك ، يتم إدخال مركبات الكالسيوم في مستحضرات الوقاية من هشاشة العظام ، في مجمعات الفيتامينات للنساء الحوامل وكبار السن.

الكالسيوم في جسم الإنسان

الكالسيوم من المغذيات الكبيرة الشائعة في النباتات والحيوانات والبشر. في البشر والفقاريات الأخرى ، يوجد معظمها في الهيكل العظمي والأسنان على شكل فوسفات. تتكون الهياكل العظمية لمعظم مجموعات اللافقاريات (الإسفنج ، والزوائد المرجانية ، والرخويات ، وما إلى ذلك) من أشكال مختلفة من كربونات الكالسيوم (الجير). تعتمد الحاجة إلى الكالسيوم على العمر. للبالغين ، البدل اليومي المطلوب هو من 800 إلى 1000 ملليجرام (مجم) ، وللأطفال من 600 إلى 900 ملليجرام ، وهو أمر مهم جدًا للأطفال بسبب النمو المكثف للهيكل العظمي. يوجد معظم الكالسيوم الذي يدخل جسم الإنسان مع الطعام في منتجات الألبان ، ويوجد الكالسيوم المتبقي في اللحوم والأسماك وبعض الأطعمة النباتية (البقوليات غنية بشكل خاص).

يتم منع امتصاص الكالسيوم عن طريق الأسبرين وحمض الأكساليك ومشتقات الإستروجين. بالاقتران مع حمض الأكساليك ، يعطي الكالسيوم مركبات غير قابلة للذوبان في الماء وهي مكونات حصوات الكلى.

الجرعات الزائدة من الكالسيوم وفيتامين د يمكن أن تسبب فرط كالسيوم الدم ، يليه تكلس شديد للعظام والأنسجة (يؤثر بشكل رئيسي على الجهاز البولي). الحد الأقصى للجرعة الآمنة اليومية للبالغين هو 1500 إلى 1800 ملليجرام.

الكالسيوم في الماء العسر

تُعطى مجموعة الخواص المحددة بكلمة واحدة "صلابة" للماء بواسطة أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم المذابة فيه. عسر الماء غير مناسب في كثير من حالات الحياة. إنه يشكل طبقة من الحجم في الغلايات البخارية ومصانع الغلايات ، مما يجعل من الصعب صبغ وغسل الأقمشة ، ولكنه مناسب لصنع الصابون والمستحلب في صناعة العطور. لذلك ، في الماضي ، عندما كانت طرق معالجة عسر الماء غير كاملة ، كانت شركات النسيج والعطور تقع عادةً بالقرب من مصادر المياه "الناعمة".

يميز بين الصلابة المؤقتة والدائمة. يتم إعطاء صلابة مؤقتة (أو كربونات) للماء بواسطة بيكربونات قابلة للذوبان Ca (HCO3) 2 و Mg (HCO 3) 2. يمكن التخلص منه عن طريق الغليان البسيط ، حيث يتم تحويل البيكربونات إلى كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم غير القابلة للذوبان في الماء.

يتم إنشاء الصلابة الدائمة بواسطة الكبريتات والكلوريدات من نفس المعادن. ويمكن القضاء عليه ، لكن القيام بذلك أصعب بكثير.

مجموع كل من القساوة هو مجموع عسر الماء. يتم تقييمها بشكل مختلف في مختلف البلدان. من المعتاد التعبير عن عسر الماء بعدد المليغرام المكافئ من الكالسيوم والمغنيسيوم في لتر واحد من الماء. إذا كان هناك أقل من 4 أمتار مكافئة في لتر من الماء ، فإن الماء يعتبر ناعمًا ؛ مع زيادة تركيزها ، تزداد صلابة أكثر فأكثر ، وإذا تجاوز المحتوى 12 وحدة ، يكون شديد الصلابة.

عادة ما يتم تحديد عسر الماء باستخدام محلول صابون. يضاف هذا المحلول (بتركيز معين) بالتنقيط إلى كمية مقاسة من الماء. طالما أن هناك أيونات Ca 2+ أو Mg 2+ في الماء ، فإنها ستتداخل مع تكوين الرغوة. وفقًا لتكاليف محلول الصابون قبل ظهور الرغوة ، يتم حساب محتوى أيونات Ca 2+ و Mg 2+.

ومن المثير للاهتمام ، أن عسر الماء تم تحديده بطريقة مماثلة في روما القديمة. كان النبيذ الأحمر فقط بمثابة كاشف - وتشكل مواد التلوين أيضًا راسبًا مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم.

تخزين الكالسيوم

يمكن تخزين الكالسيوم المعدني لفترة طويلة في قطع يتراوح وزنها بين 0.5 و 60 كجم. يتم تخزين هذه القطع في أكياس ورقية محاطة براميل من الحديد المجلفن مع طبقات ملحومة ومطلية. توضع البراميل المغلقة بإحكام في صناديق خشبية. لا يمكن تخزين القطع التي يقل وزنها عن 0.5 كجم لفترة طويلة - تتحول بسرعة إلى أكسيد وهيدروكسيد وكربونات الكالسيوم.

الكالسيوم عنصر كيميائي من المجموعة الثانية برقم ذري 20 في النظام الدوري ، يُشار إليه بالرمز Ca (لات. كالسيوم). الكالسيوم معدن أرضي قلوي ناعم ، رمادي فضي.

20 عنصر من الجدول الدوري اسم العنصر يأتي من خط العرض. calx (في الحالة المضافة calcis) - "الجير" ، "الحجر الناعم". اقترحه الكيميائي الإنجليزي همفري ديفي ، الذي عزل الكالسيوم المعدني في عام 1808.
تم استخدام مركبات الكالسيوم - الحجر الجيري والرخام والجبس (وكذلك الجير - أحد منتجات الحجر الجيري المحترق) في البناء منذ عدة آلاف من السنين.
الكالسيوم هو أحد أكثر العناصر وفرة على وجه الأرض. توجد مركبات الكالسيوم في جميع الأنسجة الحيوانية والنباتية تقريبًا. تمثل 3.38٪ من كتلة القشرة الأرضية (المرتبة الخامسة من حيث الوفرة بعد الأكسجين والسيليكون والألمنيوم والحديد).

إيجاد الكالسيوم في الطبيعة

بسبب النشاط الكيميائي العالي للكالسيوم في شكله الحر في الطبيعة غير موجود.
يمثل الكالسيوم 3.38٪ من كتلة القشرة الأرضية (المرتبة الخامسة من حيث الوفرة بعد الأكسجين والسيليكون والألمنيوم والحديد). محتوى العنصر في مياه البحر 400 ملغم / لتر.

النظائر

يحدث الكالسيوم في الطبيعة على شكل خليط من ستة نظائر: 40Ca ، 42Ca ، 43Ca ، 44Ca ، 46Ca و 48Ca ، من بينها الأكثر شيوعًا - 40Ca - 96.97٪. تحتوي نوى الكالسيوم على العدد السحري للبروتونات: Z = 20. نظائر
40
20
Ca20 و
48
20
Ca28 هما اثنان من نوى الأعداد السحرية المزدوجة الموجودة في الطبيعة.
من أصل ستة نظائر طبيعية للكالسيوم ، هناك خمسة نظائر مستقرة. نظير 48Ca السادس ، الأثقل من بين ستة ، ونادر جدًا (وفرة نظائره هي 0.187٪ فقط) ، ويخضع لاضمحلال بيتا المزدوج بعمر نصف يبلغ 1.6 1017 سنة.

في الصخور والمعادن

يوجد معظم الكالسيوم في تكوين السيليكات والألومينوسيليكات من الصخور المختلفة (الجرانيت ، النيسات ، إلخ) ، خاصة في الفلسبار - أنورثيت كاليفورنيا.
في شكل صخور رسوبية ، يتم تمثيل مركبات الكالسيوم بالطباشير والحجر الجيري ، والتي تتكون أساسًا من معدن الكالسيت (CaCO3). الشكل البلوري للكالسيت ، الرخام ، أقل شيوعًا في الطبيعة.
معادن الكالسيوم مثل الكالسيوم CaCO3 ، الأنهيدريت CaSO4 ، المرمر CaSO4 0.5H2O والجبس CaSO4 2H2O ، فلوريت CaF2 ، الأباتيت Ca5 (PO4) 3 (F ، Cl ، OH) ، الدولوميت MgCO3 CaCO3 منتشرة على نطاق واسع. إن وجود أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم في المياه الطبيعية يحدد صلابتها.
الكالسيوم ، الذي يهاجر بقوة في قشرة الأرض ويتراكم في أنظمة جيوكيميائية مختلفة ، يشكل 385 معدنًا (الرابع من حيث عدد المعادن).

الدور البيولوجي للكالسيوم

الكالسيوم من المغذيات الكبيرة الشائعة في النباتات والحيوانات والبشر. في البشر والفقاريات الأخرى ، يكون معظمها في الهيكل العظمي والأسنان. يوجد الكالسيوم في العظام على شكل هيدروكسيباتيت. تتكون "الهياكل العظمية" لمعظم مجموعات اللافقاريات (الإسفنج ، والزوائد المرجانية ، والرخويات ، وما إلى ذلك) من أشكال مختلفة من كربونات الكالسيوم (الجير). تشارك أيونات الكالسيوم في عمليات تخثر الدم ، وتعمل أيضًا كواحدة من الرسل الثاني العالمي داخل الخلايا وتنظم مجموعة متنوعة من العمليات داخل الخلايا - تقلص العضلات ، وإخراج الخلايا ، بما في ذلك إفراز الهرمونات والناقلات العصبية. يبلغ تركيز الكالسيوم في سيتوبلازم الخلايا البشرية حوالي 10−4 مليمول / لتر ، في السوائل بين الخلايا حوالي 2.5 مليمول / لتر.

تعتمد الحاجة إلى الكالسيوم على العمر. للبالغين الذين تتراوح أعمارهم بين 19-50 عامًا والأطفال الذين تتراوح أعمارهم بين 4-8 عامًا ، فإن المتطلبات اليومية (RDA) هي 1000 مجم (موجودة في حوالي 790 مل من الحليب مع نسبة دهون 1٪) ، وللأطفال الذين تتراوح أعمارهم بين 9 و 18 عامًا. - 1300 مجم في اليوم (يحتوي عليها حوالي 1030 ملل من الحليب بنسبة دهون 1٪). في مرحلة المراهقة ، يعتبر تناول الكالسيوم الكافي أمرًا مهمًا للغاية بسبب النمو المكثف للهيكل العظمي. ومع ذلك ، وفقًا لبحث في الولايات المتحدة ، فإن 11٪ فقط من الفتيات و 31٪ من الأولاد الذين تتراوح أعمارهم بين 12 و 19 عامًا يحققون احتياجاتهم. في نظام غذائي متوازن ، يدخل معظم الكالسيوم (حوالي 80٪) إلى جسم الطفل بمنتجات الألبان. يأتي الكالسيوم المتبقي من الحبوب (بما في ذلك خبز الحبوب الكاملة والحنطة السوداء) والبقوليات والبرتقال والخضر والمكسرات. لا تحتوي منتجات الألبان القائمة على دهون الحليب (الزبدة والقشدة والقشدة الحامضة والآيس كريم القائم على الكريمة) على أي كالسيوم عمليًا. كلما زادت دهون الحليب في منتج الألبان ، قل الكالسيوم الذي يحتوي عليه. يحدث امتصاص الكالسيوم في الأمعاء بطريقتين: عبر خلوي (عبر خلوي) وبين خلوي (جوار خلوي). يتم التوسط في الآلية الأولى من خلال عمل الشكل النشط لفيتامين د (كالسيتريول) ومستقبلاته المعوية. يلعب دورًا كبيرًا في تناول كميات منخفضة إلى معتدلة من الكالسيوم. مع ارتفاع نسبة الكالسيوم في النظام الغذائي ، يبدأ الامتصاص بين الخلايا في لعب الدور الرئيسي ، والذي يرتبط بتدرج كبير في تركيز الكالسيوم. بسبب الآلية العابرة للخلايا ، يتم امتصاص الكالسيوم إلى حد كبير في الاثني عشر (بسبب أعلى تركيز للمستقبلات في الكالسيتريول هناك). بسبب النقل السلبي بين الخلايا ، يكون امتصاص الكالسيوم أكثر نشاطًا في جميع الأقسام الثلاثة من الأمعاء الدقيقة. يتم تعزيز امتصاص الكالسيوم من خلال اللاكتوز (سكر الحليب).

يتم إعاقة امتصاص الكالسيوم بواسطة بعض الدهون الحيوانية (بما في ذلك دهن حليب البقر ودهن البقر ، ولكن ليس شحم الخنزير) وزيت النخيل. تنقسم الأحماض الدهنية البالميتية والذهنية الموجودة في هذه الدهون أثناء الهضم في الأمعاء ، وفي الشكل الحر ، ترتبط الكالسيوم بقوة ، وتشكل بالميتات الكالسيوم وستيرات الكالسيوم (الصابون غير القابل للذوبان). في شكل هذا الصابون مع كرسي ، يتم فقدان كل من الكالسيوم والدهون. هذه الآلية مسؤولة عن انخفاض امتصاص الكالسيوم ، وتقليل تمعدن العظام ، وتقليل المقاييس غير المباشرة لقوة العظام عند الرضع الذين يستخدمون حليب الأطفال الذي يعتمد على زيت النخيل (زيت النخيل). في هؤلاء الأطفال ، يرتبط تكوين صابون الكالسيوم في الأمعاء بتصلب البراز ، وانخفاض تواتره ، وكذلك زيادة القلس والمغص المتكرر.

تركيز الكالسيوم في الدم ، نظرًا لأهميته في عدد كبير من العمليات الحيوية ، يتم تنظيمه بدقة ، مع التغذية السليمة وتناول كميات كافية من منتجات الألبان قليلة الدسم وفيتامين د ، لا يحدث نقص. يؤدي النقص المطول في الكالسيوم و / أو فيتامين د في النظام الغذائي إلى زيادة خطر الإصابة بهشاشة العظام ويسبب الكساح في مرحلة الطفولة.

الجرعات الزائدة من الكالسيوم وفيتامين د يمكن أن تسبب فرط كالسيوم الدم. الحد الأقصى للجرعة الآمنة للبالغين الذين تتراوح أعمارهم بين 19 و 50 عامًا هو 2500 مجم يوميًا (حوالي 340 جرامًا من جبن إيدام).

توصيل حراري