Кальций

Группа веществ: Катионы, Ионы

Ca2+

Ион щелочноземельного металла 2-ой группы. При определении в воде ион кальция входит в группу индифферентных веществ. Никакой пользы они не несут, впрочем, и вредными в малых количествах они тоже не являются. Количество таких веществ допускается до пределов вкусовой ощутимости. Это такие ионы, как калий, натрий, кальций и магний. При этом ионы кальция и магния являются основными ионами, создающими так называемую жесткость воды.

Различают временную, постоянную и общую жесткость воды. Временная жесткость обусловлена ионами кальция и магния, находящимися в соединении с гидрокарбонатными анионами. Временной она называется потому, что при кипячении воды происходит разрушение гидрокарбонатов с образованием карбонатов кальция и магния, которые очень плохо растворимы в воде и выпадают в осадок с образованием накипи. Постоянная жесткость обусловлена соединениями кальция и магния со всеми другими анионами, кроме гидрокарбонатного. Она не уменьшается при кипячении. Общая жесткость складывается из временной и постоянной.

Кальций (от лат. calx, родительный падеж calcis - известь), Са, химический элемент II группы периодической системы, относится к щелочноземельным элементам, атомный номер 20, атомная масса 40,08. Уже в глубокой древности применялись в строительном деле. Вплоть до конца XVIII в. химики считали известь простым телом. В 1789 году А.Лавуазье предположил, что известь, магнезия, барит, глинозём и кремнезём - вещества сложные. В 1808 году Г.Дэви, подвергая электролизу с ртутным катодом смесь влажной гашёной извести с окисью ртути, приготовил амальгаму Ca, а отогнав из неё ртуть, получил металл, названный "кальций".

Природный кальций состоит из шести стабильных изотопов - 40Са (96,94%), 44Са (2,09%), 42Са (0,667%), 48Са (0,187%), 43Са (0,135%) и 46Са (0,003%). Поперечные сечения (10-28 м2) захвата тепловых нейтронов изотопов с массовой частью 40, 42, 44, 46 и 48 равны соответственно 0,22, 40, 0,63, 0,25 и 1,1. Конфигурация внешней электронной оболочки 4s2; степень окисления +2, очень редко +1; энергии ионизации Са0:Са+:Са2+ соответственно равны 6,11308 и 11,8714 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,0; атомный радиус 0,197 нм, ионный радиус (в скобках указано координационное число) Са2+ 0,114 нм (6), 0,126 нм (8), 0,137 нм (10), 0,148 нм (12). По распространенности в земной коре кальций занимает пятое место (после О, Si, Al, Fe), его содержание в земной коре составляет 3,38% по массе. Встречается только в виде соединений в основном солей кислородсодержащих кислот; известно около 400 минералов, содержащих кальций. Очень распространены различные силикаты и алюмосиликаты, например, анортит Са[Al2Si2O8], диопсид CaMg[Si2O6], волластонит Са3[Si3O9]. Кроме них промышленное значение имеют кальцит СаСО3 (природные формы – известняк, мел, мрамор), доломит CaMg(CO3)2, фосфорит Са5(РО4)3(ОН, СО3) (с различными примесями), апатиты Са5(PO4)3(F, Cl), гипс CaSO4·2H2O, флюорит CaF2 и др. Большое количество кальция находится в природных водах вследствие существования глобального карбонатного равновесия между практически нерастворимым СаСО3, хорошо растворимым Са(НСО3)2 и находящимся в воде и воздухе СО2. Значительное количество кальция содержится в организмах многих животных, например, гидроксилапатит – в костной ткани позвоночных, СаСО3 – в раковинах моллюсков, яичной скорлупе.

Кальций – серебристо-белый металл. Существует в двух аллотропных модификациях: до 443 °С устойчив α-Са с кубической гранецентрированной решеткой типа Сu, а = 0,558 нм, z = 4, пространственная группа Fm3m, плотность 1,54 г/см3; в интервале 443-842 °С – β-Са с кубической объемноцентрированной решеткой типа α-Fe, а = 0,448 нм, z = 2, пространственная группа Im3m; ∆Ho перехода αβ 0,93 кДж/моль, t пл. 842 °С, t кип. 1495 °С, ∆Hoпл 8,54 кДж/моль, ∆Hoисп 151,9 кДж/моль; для α-Са: С0р 25,9 Дж/(моль·К), S0298 41,6 Дж/(моль·К); для β-Са: С0p [Дж/(моль·К)] = 6,276 + 32,384·10-3T + 10,460·105T-2 (716-1115 К); для жидкого кальция С0р 31 Дж/(моль·К); температурный коэффициент линейного расширения 22·10-6 К-1 (273-573 К); r 4,6·10-8Ом·м (293 К); теплопроводность 125,6 Вт/(м·К) при 293 К. Пластичен; модуль упругости 26 ГПа, spаст 60 МПа, sсж 4 МПа, предел текучести 38 МПа, твердость по Бринеллю 200-300 МПа.

На воздухе, содержащем пары воды, кальций быстро покрывается слоем смеси оксида СаО и гидроксида Са(ОН)2. Он интенсивно окисляется кислородом до СаО; при нагревании в кислороде и на воздухе воспламеняется. С водой кальций реагирует с выделением Н2 и образованием Са(ОН)2, причем в холодной воде скорость реакции постепенно уменьшается вследствие образования на поверхности металла слоя малорастворимого Са(ОН)2. Интенсивно реагирует с галогенами, давая СаХ2. С Н2 при нагревании кальций дает гидрид СаН2, в котором водород является анионом. При нагревании в атмосфере азота загорается и образует нитрид Ca3N2. Нитрид Ca3N4 получен при нагревании в вакууме амида Ca(NH2)2. С углеродом кальций образует карбид кальция СаС2, с бором – борид кальция СаВ6 (температура плавления 2235 °С), с кремнием – силициды Ca2Si (температура плавления ~ 900 °С, с разложением), CaSi (1245 °С), Ca3Si4 (1020 °С, с разложением) и CaSi2 (1000 °С), с фосфором – фосфиды Са3Р2, СаР и СаР3, с халькогенами – халькогениды CaS (2525 °С), CaSe (1470 °С), СаТе (1510 °С). Известны также полихалькогениды CaS4, CaS5, Са2Те3. Кальций образует соединения со многими металлами, в частности с Ag, Au, Al, Cu, Mg, Rb. Металлический кальций вытесняет из расплавов солей большинство других металлов. Кальций хорошо растворим в жидком NH3 с образованием синего раствора, при испарении которого выделяется аммиакат [Са(NН3)6] – твердое соединение золотистого цвета с металлической проводимостью; разлагается на Са и NH3 при 12 °С; воспламеняется на воздухе. Кальций медленно реагирует с жидким NH3 (быстро – в присутвии Pt) с выделением Н2 и образованием амида Ca(NH2)2. Соли кальция обычно получают взаимодействием кислотных оксидов с СаО, действием кислот на Са(ОН)2 или СаСО3, обменными реакциями в водных рстворах электролитов. Многие соли хорошо растворимы в воде, они почти всегда образуют кристаллогидраты. В структуре богатых водой кристаллогидратов ион Са2+ обычно окружен 6, иногда 7-9 молекулами Н2О, расстояние Са–Н2О равно 0,233-0,241 нм. Соли кальция бесцветны (если бесцветен анион). Комплексы, содержащие ион Са2+, образуются в водных растворах, преимущественно с кислородсодержащими хелатообразующими лигандами, в частности комплексонами, например [Са(ЭДТА)]2- (ЭДТА – анион этилендиаминотетрауксусной кислоты). На образовании хелатных комплексов ионов Са2+ с анионами полифосфорных кислот основано действие полифосфатов Na как умягчителей воды. В неводных растворителях ион Са2+ образует комплексы с молекулами растворителя; из таких растворов часто кристаллизуются сольваты солей кальция. В водной среде сольватокомплексы обычно разрушаются и превращаются в аквакомплексы.

Кальций в организме. Кальций – один из биогенных элементов необходимых для нормального протекания жизненных процессов. Он присутствует во всех тканях и жидкостях животных и растений. Лишь редкие организмы могут развиваться в среде, лишённой кальция у некоторых организмов содержание кальция достигает 38%; у человека - 1,4-2%. Клетки растительных и животных организмов нуждаются в строго определённых соотношениях ионов Ca2+, Na+ и К+ во внеклеточных средах. Растения получают кальций из почвы. По их отношению к кальцию растения делят на кальцефилов и кальцефобов. Животные получают кальций с пищей и водой. Кальций необходим для образования ряда клеточных структур, поддержания нормальной проницаемости наружных клеточных мембран, для оплодотворения яйцеклеток рыб и других животных, активации ряда ферментов. Ионы Ca2+ передают возбуждение на мышечное волокно, вызывая его сокращение, увеличивают силу сердечных сокращений, повышают фагоцитарную функцию лейкоцитов, активируют систему защитных белков крови, участвуют в её свертывании. В клетках почти весь кальций находится в виде соединений с белками, нуклеиновыми кислотами, фосфолипидами, в комплексах с неорганическими фосфатами и органическими кислотами. В плазме крови человека и высших животных только 20-40% кальция может быть связано с белками. У животных, обладающих скелетом, до 97-99% всего кальция используется в качестве строительного материала: у беспозвоночных в основном в виде CaCO3 (раковины моллюсков, кораллы), у позвоночных - в виде фосфатов. Многие беспозвоночные запасают кальций перед линькой для построения нового скелета или для обеспечения жизненных функции в неблагоприятных условиях.

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

В медицине применение препаратов кальция устраняет нарушения, связанные с недостатком ионов Ca2+ в организме (при тетании, спазмофилии, рахите). Препараты Ca снижают повышенную чувствительность к аллергенам и используются для лечения аллергических заболеваний (сывороточная болезнь, крапивница, ангионевротический отёк, сенная лихорадкаи др.). Препараты кальция уменьшают повышенную проницаемость сосудов и оказывают противовоспалительное действие. Их применяют при геморрагическом васкулите, лучевой болезни, воспалительных и экссудативных процессах (пневмония, плеврит, эндометрит и др.) и некоторых кожных заболеваниях. Назначают как кровоостанавливающие средства, для улучшения деятельности сердечной мышцы и усиления действия препаратов наперстянки; как слабые мочегонные и как противоядия при отравлении солями магния. К препаратам кальция относится также гипс (CaSO4), применяемый в хирургии для гипсовых повязок, и мел (СаСО3), назначаемый внутрь при повышенной кислотности желудочного сока и для приготовления зубного порошка.


Хроматограммы образцов, содержащих это вещество

Метод Название Колонка
ИХ Стандартная смесь катионов Shodex YK-421 125x4.6 мм
ИХ Стандартная смесь катионов 2 Shodex YS-50 125x4.6 мм
ИХ Стандартная смесь катионов II группы Аквилайн C2 50х4.6 мм
Copyright © АО "Аквилон"