Кальций — один из важнейших для человеческого организма микроэлементов, который необходим для построения костной ткани и регулирования процессов клеточного обмена. Находится это соединение во второй группе периодической таблицы Менделеева, а открыто оно в 1808 году химиком Гемфри Дэви. Химический элемент кальций в природе находится в горных породах и в земле, встречается в овощах и фруктах, содержится в продуктах питания животного происхождения.
История открытия
Считается, что кальций был известен человеку еще с древних времён. В Древнем Риме, в Месопотамии и других цивилизациях Востока с использованием гашеной и негашеной извести возводили массивные и долговечные здания и сооружения. Но в чистом виде этот микроэлемент удалось получить лишь в XIX веке. Английский химик Гемфри Дэви в 1808 году проводил опыты и путём электролизации гашеной извести получил оксиды ртути, из которой выплавил новый металл, названный кальцием.
Ученый смог определить молярную формулу, вычислить уравнение и степень валентности этого микроэлемента.
В последующем человек научился получать чистый кальций путем использования различных технологий. Проведенные в последующем исследования показали, что этот микроэлемент содержится в большом количестве в земле, причём по мере приближения к ядру его массовая доля увеличивается. Он находится в различных горных породах, но в чистом виде в природе не встречается.
Нахождение в природе
Считается, что кальций — это один из самых распространённых элементов на Земле. Его общая доля составляет 3,38% всей массы коры. Однако из-за высокой активности его большая часть содержится в составе различных оксидов. Также он встречается в горных породах, в том числе в граните, различных силикатах и алюмосиликатах. В осадочных породах это соединение представлено в виде известняка, мела и различных минералов.
Природными источниками являются:
- доломит;
- флюорит;
- кальцит;
- гипс;
- алебастр;
- апатиты.
Также широко распространены в природе минералы кальция, в том числе ангидрид, известняк, доломит, апатиты и флюорит. Соли этого элемента содержатся в пресной или морской воде, определяя её показатели жесткости.
Экспериментальным путем установлено, что кальций входит в состав различных живых организмов, в том числе в костную ткань позвоночных видов, к которым относится человек. Из карбоната состоят жёсткие панцири и раковины различных беспозвоночных, скорлупа яиц птиц с пресмыкающимися.
Характеристики вещества
В естественных условиях кальций представляет собой металл с характерным серебристо-белым цветом. Он имеет высокую химическую активность, поэтому часто образует множество различных классов и всевозможных соединений с оксидами. Этот элемент представляет большую ценность для промышленного и технического химического синтеза, он необходим для правильной жизнедеятельности большинства живых видов на планете Земля. По своим физическим свойствам кальций относится к категории щелочноземельных, он отлично растворяется в воде, в особенности много этого соединения содержится в морской воде.
Его химические и физические характеристики зависят от особенностей схемы кристаллической решетки этого элемента. Строение атома кальция стандартно и отличается простотой. В зависимости от содержащихся в нем примесей, строение решетки этого микроэлемента может быть объемно-центрическим или кубическо-гранецентрическим. За счёт наличия металлического типа связи в молекуле обеспечивается максимально возможная прочность такого соединения.
Основные свойства:
- способность быстро окисляться на воздухе;
- образует многочисленные оксиды;
- применяется в восстановительных реакциях редкоземельных металлов.
Характеристики и химические свойства кальция могут изменяться в зависимости от наличия примесей и температуры окружающей среды. В обычных условиях этот металл имеет агрегатное твердое состояние. Его температура плавления составляет 842 градусов по Цельсию. Он является отличным тепло и электропроводником. Он реагирует на изменения показателей давления, которое модифицирует конфигурацию и положение его атомной решетки. При нагревании выше температуры плавления металл становится жидким, в последующем теряет свои свойства и переходит в парообразное состояние. Температура кипения составляет 1448 градусов.
Опытным путем установлена крайне интересная способность этого элемента. Под воздействием высокого давления это соединение теряет свою способность электропроводимости и другие характеристики кальция.
Однако в последующем после остывания все параметры восстанавливаются при этом отмечаются признаки сверхпроводника, которые в несколько раз превышают аналогичные показатели других элементов. Подобное делает кальций перспективным материалом при изготовлении микрочипов и изделий точной электроники.
Основные способы получения
Кальций обладает повышенной активностью, поэтому часто входит в различные соединения с другими элементами. Именно по этой причине длительное время не удавалось получить чистый материал без содержания различных примесей. Только лишь в начале XIX века англичанину Гемфри Дэви удалось путем электролиза синтезировать металл без содержания примесей. Ученый смог обнаружить взаимодействие электрического тока и расплавов солей с твердыми минералами.
Даже сегодня по прошествии стольких лет технология электролиза солей является наиболее востребованной, что объясняется её простотой и эффективностью. В металлургии применяется способ алюминотермии, который позволяет получить металл с чистотой порядка 98%. Развитие технологий и методов получения этого металла ограничено тем фактом, что такой процесс является ресурсоемким, требуя большого количества тепловой энергии и электрического тока огромной мощности.
Чистый металл хранят в герметичных емкостях с ограниченным доступом кислорода. Для предупреждения реакции с кислородом и водой кальций заливают слоем специальной жидкости (керосином или жидким парафином), что позволяет осуществлять транспортировку и длительное хранение этого металла, предупреждая его окисление и потерю химической чистоты.
На открытом воздухе кальций быстро начинает взаимодействовать с углекислым газом и кислородом, покрываясь характерным темным налетом.
Применение кальция
В чистом виде металл кальций применяют в качестве восстановителя при химических реакциях изготовления редкоземельных сплавов. Также этот элемент незаменим как раскислитель для бронзы, стали и других различных соединений. В химической промышленности он применяется при производстве бензина, позволяя удалять из топлива лишнюю серу. Из оксидов этого элемента изготавливают оболочки электрических кабелей, также из него выполняют антифрикционные материалы, которые незаменимы в радиоэлектронике и электронной промышленности.
Кальций — это биогенный элемент, необходимый для правильного протекания всех жизненных процессов в организме человека. Он присутствует в жидкостях и тканях растений и животных, поэтому играет важнейшую роль в правильной регенерации клеток. Польза и значение этого элемента для организма была установлена в начале прошлого века, а сегодня выводы ученых подтверждены многочисленными исследованиями. У человека содержание кальция достигает 2%, а у некоторых микроорганизмов — до 38%. Ученым известно лишь несколько видов простейших животных, жизнедеятельность которых может происходить без этого микроэлемента.
Большинство растений насыщаются кальцием из почвы, потребляя чистые микроэлементы с помощью специальных окислителей, выделяемых их клетками. Животные, в том числе человек, получают этот минерал с водой и пищей. Кальций необходим для образования клеточных мембран, также этот микроэлемент требуется для правильного обмена веществ. Его нехватка в организме приводит к развитию различных опасных заболеваний, вплоть до смерти человека.
Отдельные виды беспозвоночных научились запасаться кальцием, который необходим им для построения нового скелета и защитного панциря. К сожалению, у высших животных такой способности нет, поэтому им требуется постоянно получать этот микроэлемент извне, в том числе употребляя в пищу различные овощи и фрукты. Последние исследования показали, что обеспечить правильное всасывание кальция в организме человека можно лишь при наличии большого количества витамина D и других различных ферментов.
