Кальций

Шаблон:Перенаправление Шаблон:Карточка химического элемента Шаблон:Элемент периодической системы Ка́льций (химический символ — Ca, от Шаблон:Lang-la) — химический элемент 2-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы, IIA) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 20.

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

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

Кальций относится к числу жизненно важных элементов для организмов. Шаблон:-

История и происхождение названия

Название элемента происходит от Шаблон:Lang-la (в родительном падеже calcis) — «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Гемфри Дэви, в 1808 г. выделившим металлический кальций электролитическим методом. Дэви подверг электролизу смесь влажной гашёной извести с оксидом ртути HgO на платиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погружённая в жидкую ртуть. В результате электролиза получалась амальгама кальция. Отогнав из неё ртуть, Дэви получил металл, названный кальцием.

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

Нахождение в природе

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

На долю кальция приходится 3,38 % массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа). Содержание элемента в морской воде — Шаблон:Nobr.

Изотопы

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

Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп ⁴⁸Ca, самый тяжёлый из шести и весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0,187 %), испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада Шаблон:Nobr.

В горных породах и минералах

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

Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате — анортите Ca[Al₂Si₂O₈].

Кальцит

Довольно широко распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO₃, ангидрит CaSO₄, алебастр CaSO₄·0.5H₂O и гипс CaSO₄·2H₂O, флюорит CaF₂, апатиты Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH), доломит MgCO₃·CaCO₃. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется её жёсткость.

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

Миграция в земной коре

В естественной миграции кальция существенную роль играет «карбонатное равновесие», связанное с обратимой реакцией взаимодействия карбоната кальция с водой и углекислым газом с образованием растворимого гидрокарбоната:

$𝖢𝖺𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{+}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\rightleftarrows }𝖢𝖺\mathsf{(}𝖧𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}{\mathsf{)}}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\rightleftarrows }𝖢{𝖺}^{\mathrm{𝟤}\mathsf{+}}\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖧𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathsf{-}}$

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

Огромную роль играет биогенная миграция.

В биосфере

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях (см. ниже). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca₅(PO₄)₃OH, или, в другой записи, 3Ca₃(PO₄)₂·Са(OH)₂ — основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO₃ состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др. В живых тканях человека и животных 1,4—2 % Са (по массовой доле); в теле человека массой Шаблон:Nobr содержание кальция — около Шаблон:Nobr (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).

Физические свойства

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До Шаблон:Nobr устойчив Шаблон:Nobr с кубической гранецентрированной решёткой (параметр Шаблон:Nobr), выше устойчив Шаблон:Nobr с кубической объёмно-центрированной решёткой типа Шаблон:Nobr (параметр Шаблон:Nobr). Стандартная энтальпия $\mathrm{\Delta }{H}^0$ перехода Шаблон:Nobr составляет Шаблон:Nobr.

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

Химические свойства

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

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода. Стандартный электродный потенциал пары Шаблон:Nobr, так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:

$𝖢𝖺\mathsf{+}\mathrm{𝟤}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\to }𝖢𝖺\mathsf{(}𝖮𝖧{\mathsf{)}}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\uparrow }$

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

$\mathrm{𝟤}𝖢𝖺\mathsf{+}{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\to }\mathrm{𝟤}𝖢𝖺𝖮$

$𝖢𝖺\mathsf{+}𝖡{𝗋}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\to }𝖢𝖺𝖡{𝗋}_{\mathrm{𝟤}}$

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

$\mathrm{C}\mathrm{a}+\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2+\mathrm{F}\mathrm{e}$

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

$𝖢𝖺\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\to }𝖢𝖺{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}$

$𝖢𝖺\mathsf{+}\mathrm{𝟨}𝖡\mathsf{\to }𝖢𝖺{𝖡}_{\mathrm{𝟨}}$

$\mathrm{𝟥}𝖢𝖺\mathsf{+}{𝖭}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\to }𝖢{𝖺}_{\mathrm{𝟥}}{𝖭}_{\mathrm{𝟤}}$

$𝖢𝖺\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖢\mathsf{\to }𝖢𝖺{𝖢}_{\mathrm{𝟤}}$

$\mathrm{𝟥}𝖢𝖺\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖯\mathsf{\to }𝖢{𝖺}_{\mathrm{𝟥}}{𝖯}_{\mathrm{𝟤}}$

$\mathrm{𝟤}𝖢𝖺\mathsf{+}𝖲𝗂\mathsf{\to }𝖢{𝖺}_{\mathrm{𝟤}}𝖲𝗂$

Кроме получающихся в этих реакциях фосфида кальция CaШаблон:SubPШаблон:Sub и силицида кальция CaШаблон:SubSi, известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР₅ и силициды кальция составов CaSi, Ca₃Si₄ и CaSi₂.

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

$𝖢𝖺{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}\mathrm{𝟤}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\to }𝖢𝖺\mathsf{(}𝖮𝖧{\mathsf{)}}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}\mathrm{𝟤}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\uparrow }$

$𝖢{𝖺}_{\mathrm{𝟥}}{𝖭}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}\mathrm{𝟨}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\to }\mathrm{𝟥}𝖢𝖺\mathsf{(}𝖮𝖧{\mathsf{)}}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖭{𝖧}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{\uparrow }$

Ион Ca²⁺ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

Такие соли кальция, как хлорид CaCl₂, бромид CaBr₂, иодид CaI₂ и нитрат Ca(NO₃)₂, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF₂, карбонат CaCO₃, сульфат CaSO₄, ортофосфат Ca₃(PO₄)₂, оксалат СаС₂О₄ и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция СаСО₃, кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО₃)₂ в воде растворим. В природе это приводит к следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная углекислым газом, проникает под землю и попадает на известняки, то наблюдается их растворение, а в тех местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция

$𝖢𝖺𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\rightleftarrows }𝖢𝖺\mathsf{(}𝖧𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}{\mathsf{)}}_{\mathrm{𝟤}}$

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

Наличие в воде растворённого гидрокарбоната кальция во многом определяет вре́менную жёсткость воды. Вре́менной её называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО₃. Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь.

Получение

Свободный металлический кальций получают электролизом расплава, состоящего из CaCl₂ (75—80 %) и KCl или из CaCl₂ и CaF₂, а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170—1200 °C $\mathrm{𝟦}𝖢𝖺𝖮\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖠𝗅\mathsf{\to }𝖢𝖺𝖠{𝗅}_{\mathrm{𝟤}}{𝖮}_{\mathrm{𝟦}}\mathsf{+}\mathrm{𝟥}𝖢𝖺$

Применение

Кальций и его гидрид используются для получения трудно восстанавливаемых металлов, таких, как хром, торий, уран, титан, цирконий. Чистый металлический кальций применяется при получении редкоземельных элементов.

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

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

Биологическая роль

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

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

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

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

Избыточные дозы кальция и витамина D могут вызвать гиперкальцемию. Максимальная безопасная доза для взрослых в возрасте от 19 до Шаблон:Nobr включительно составляет Шаблон:Nobr в сутки (около Шаблон:Nobr сыра Эдам).

Основные источники кальция в пище

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

Продукты с наибольшим содержанием кальция

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

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

Литература

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

Ссылки

• Кальций на Webelements
• Кальций в Популярной библиотеке химических элементов
• Рекомендуемое потребление кальция
• UK Food Standards Agency: Calcium
• Nutrition fact sheet from the National Institutes of Health