Най-важните калциеви съединения, тяхното значение и употреба. Калций (Ca, калций)

калций

КАЛЦИЙ-аз; м.[от лат. calx (calcis) - вар] Химичен елемент (Ca), сребристобял метал, влизащ в състава на варовик, мрамор и др.

◁ Калций, о, о. K соли.

калций

(лат. Calcium), химичен елемент от група II на периодичната таблица, принадлежи към алкалоземните метали. Име от лат. calx, генитив calcis - вар. Сребристо-бял метал, плътност 1,54 g/cm 3, t pl 842ºC. При обикновени температури лесно се окислява във въздуха. По отношение на разпространението в земната кора се нарежда на 5-то място (минерали калцит, гипс, флуорит и др.). Като активен редуциращ агент се използва за получаване на U, Th, V, Cr, Zn, Be и други метали от техните съединения, за деоксидиране на стомани, бронз и др. Влиза в състава на антифрикционни материали. Калциевите съединения се използват в строителството (вар, цимент), калциевите препарати се използват в медицината.

КАЛЦИЙ

КАЛЦИЙ (лат. Calcium), Ca (чете се „калций“), химичен елемент с атомен номер 20, се намира в четвъртия период в група IIA на периодичната система от елементи на Менделеев; атомна маса 40.08. Принадлежи към алкалоземните елементи (cm.АЛКАЛНОЗЕМНИ МЕТАЛИ).
Естественият калций се състои от смес от нуклиди (cm.НУКЛИД)с масови числа 40 (в смес от маса 96,94%), 44 (2,09%), 42 (0,667%), 48 (0,187%), 43 (0,135%) и 46 (0,003%). Конфигурация на външен електронен слой 4 s 2 . В почти всички съединения степента на окисление на калция е +2 (валентност II).
Радиусът на неутралния калциев атом е 0,1974 nm, радиусът на Ca 2+ йона е от 0,114 nm (за координационно число 6) до 0,148 nm (за координационно число 12).
Енергиите на последователна йонизация на неутрален калциев атом са съответно 6,133, 11,872, 50,91, 67,27 и 84,5 eV. Според скалата на Полинг електроотрицателността на калция е около 1,0. В свободната си форма калцият е сребристо-бял метал.
История на откритието (cm.Калциевите съединения се срещат навсякъде в природата, така че човечеството е запознато с тях от древни времена. Варът отдавна се използва в строителствотоЛАЙМ) (cm.(негасена и гасена вар), която отдавна се счита за просто вещество, „земя“. Въпреки това, през 1808 г. английският учен Г. Дейвиуспя да получи нов метал от вар. За да направи това, Дейви подложи на електролиза смес от леко навлажнена гасена вар с живачен оксид и изолира нов метал от амалгамата, образувана върху живачния катод, който той нарече калций (от латински calx, род calcis - вар). В Русия известно време този метал се наричаше „варуване“.
Да бъдеш сред природата
Калцият е един от най-често срещаните елементи на Земята. Той представлява 3,38% от масата на земната кора (5-то място по разпространение след кислород, силиций, алуминий и желязо). Поради високата си химична активност калцият не се среща в природата в свободна форма. Повечето калций се съдържат в силикатите (cm.СИЛИКАТИ)и алумосиликати (cm.АЛУМИНИЕВИ СИЛИКАТИ)различни скали (гранити (cm.ГРАНИТ), гнайси (cm.ГНАЙС)и т.н.). Под формата на седиментни скали калциевите съединения са представени от креда и варовици, състоящи се главно от минерала калцит (cm.КАЛЦИТ)(CaCO3). Кристалната форма на калцита - мрамор - се среща много по-рядко в природата.
Калциевите минерали като варовика са доста често срещани (cm.ВАРОВИК) CaCO3, анхидрит (cm.АНХИДРИТ) CaSO 4 и гипс (cm.ГИПС) CaSO 4 2H 2 O, флуорит (cm.ФЛУОРИТ) CaF 2, апатити (cm.АПАТИТ) Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl, OH), доломит (cm.ДОЛОМИТ) MgCO3 ·CaCO3. Наличието на калциеви и магнезиеви соли в естествената вода определя нейната твърдост (cm.ТВЪРДОСТ НА ВОДАТА). Значително количество калций се съдържа в живите организми. По този начин хидроксиапатитът Ca 5 (PO 4) 3 (OH) или в друг запис 3Ca 3 (PO 4) 2 ·Ca (OH) 2 е основата на костната тъкан на гръбначните животни, включително хората; Черупките и черупките на много безгръбначни, яйчени черупки и др. са направени от калциев карбонат CaCO 3.
разписка
Металният калций се получава чрез електролиза на стопилка, състояща се от CaCl 2 (75-80%) и KCl или от CaCl 2 и CaF 2, както и алуминотермична редукция на CaO при 1170-1200 ° C:
4CaO + 2Al = CaAl 2 O 4 + 3Ca.
Физични и химични свойства
Калциевият метал съществува в две алотропни модификации (виж Алотропия (cm.АЛОТРОПИЯ)). До 443 °C a-Ca с кубична лицево-центрирана решетка (параметър a = 0,558 nm) е стабилна; по-стабилен. Точката на топене на калция е 839 ° C, точката на кипене е 1484 ° C, плътността е 1,55 g / cm3.
Химическата активност на калция е висока, но по-ниска от тази на всички други алкалоземни метали. Той лесно реагира с кислорода, въглеродния диоксид и влагата във въздуха, поради което повърхността на металния калций обикновено е тъмно сива, така че в лабораторията калцият обикновено се съхранява, подобно на други алкалоземни метали, в плътно затворен буркан под слой на керосин.
В серията от стандартни потенциали калцият е разположен отляво на водорода. Стандартният електроден потенциал на двойката Ca 2+ /Ca 0 е –2,84 V, така че калцият активно реагира с водата:
Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2.
Калцият реагира с активни неметали (кислород, хлор, бром) при нормални условия:
2Ca + O 2 = 2CaO; Ca + Br 2 = CaBr 2.
При нагряване във въздух или кислород калцият се запалва. Калцият реагира с по-малко активни неметали (водород, бор, въглерод, силиций, азот, фосфор и други) при нагряване, например:
Ca + H 2 = CaH 2 (калциев хидрид),
Ca + 6B = CaB 6 (калциев борид),
3Ca + N 2 = Ca 3 N 2 (калциев нитрид)
Ca + 2C = CaC 2 (калциев карбид)
3Ca + 2P = Ca 3 P 2 (калциев фосфид), известни са и калциевите фосфиди от съставите CaP и CaP 5;
2Ca + Si = Ca 2 Si (калциев силицид); известни са и калциевите силициди от състава CaSi, Ca 3 Si 4 и CaSi 2.
Появата на горните реакции, като правило, е придружена от отделяне на голямо количество топлина (т.е. тези реакции са екзотермични). Във всички съединения с неметали степента на окисление на калция е +2. Повечето от калциевите съединения с неметали лесно се разграждат от вода, например:
CaH 2 + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + 2H 2,
Ca3N2 + 3H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3.
Калциевият оксид обикновено е основен. В лабораторията и технологията се получава чрез термично разлагане на карбонати:
CaCO 3 = CaO + CO 2.
Техническият калциев оксид CaO се нарича негасена вар.
Той реагира с вода, за да образува Ca(OH) 2 и отделя голямо количество топлина:
CaO + H 2 O = Ca(OH) 2.
Полученият по този начин Ca(OH)2 обикновено се нарича гасена вар или варно мляко (cm.ЛАЙМОВО МЛЯКО)поради факта, че разтворимостта на калциевия хидроксид във вода е ниска (0,02 mol/l при 20°C) и когато се добави към вода, се образува бяла суспензия.
При взаимодействие с киселинни оксиди CaO образува соли, например:
CaO + CO 2 = CaCO 3; CaO + SO 3 = CaSO 4.
Ca 2+ йонът е безцветен. Когато към пламъка се добавят калциеви соли, пламъкът става керемиденочервен.
Калциевите соли като CaCl2 хлорид, CaBr2 бромид, CaI2 йодид и Ca(NO3)2 нитрат са силно разтворими във вода. Неразтворими във вода са флуорид CaF 2, карбонат CaCO 3, сулфат CaSO 4, среден ортофосфат Ca 3 (PO 4) 2, оксалат CaC 2 O 4 и някои други.
Важно е, че за разлика от средния калциев карбонат CaCO 3, киселият калциев карбонат (бикарбонат) Ca (HCO 3) 2 е разтворим във вода. В природата това води до следните процеси. Когато студена дъждовна или речна вода, наситена с въглероден диоксид, прониква под земята и пада върху варовик, се наблюдава тяхното разтваряне:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2.
На същите места, където водата, наситена с калциев бикарбонат, излиза на повърхността на земята и се нагрява от слънчевите лъчи, възниква обратна реакция:
Ca(HCO 3) 2 = CaCO 3 + CO 2 + H 2 O.
Така се пренасят големи маси от вещества в природата. В резултат на това под земята могат да се образуват огромни дупки (виж Карст (cm.КАРСТ (природен феномен)), а в пещерите се образуват красиви каменни „ледени висулки” – сталактити (cm.СТАЛАКТИТИ (минерални образувания))и сталагмити (cm.СТАЛАГМИТИ).
Наличието на разтворен калциев бикарбонат във водата до голяма степен определя временната твърдост на водата. (cm.ТВЪРДОСТ НА ВОДАТА). Нарича се временен, защото когато водата заври, бикарбонатът се разлага и CaCO 3 се утаява. Това явление води например до факта, че с времето в чайника се образува котлен камък.
Приложение на калций и неговите съединения
Калциевият метал се използва за металотермично производство на уран (cm.УРАН (химичен елемент), торий (cm.ТОРИЙ), титан (cm.ТИТАН (химичен елемент), цирконий (cm.ЦИРКОНИЙ), цезий (cm.ЦЕЗИЙ)и рубидий (cm.РУБИДИЙ).
Естествените калциеви съединения се използват широко в производството на свързващи вещества (цимент (cm.ЦИМЕНТ), гипс (cm.ГИПС), вар и др.). Свързващият ефект на гасената вар се основава на факта, че с времето калциевият хидроксид реагира с въглеродния диоксид във въздуха. В резултат на протичащата реакция се образуват игловидни кристали от калцит CaCO3, които растат в съседни камъни, тухли и други строителни материали и като че ли ги спояват в едно цяло. Кристалният калциев карбонат - мрамор - е отличен довършителен материал. За варосване се използва креда. Големи количества варовик се консумират при производството на чугун, тъй като те позволяват да се превърнат огнеупорните примеси от желязна руда (например кварц SiO 2) в относително ниско топими шлаки.
Белината е много ефективна като дезинфектант. (cm.БЕЛИНА)- “белина” Ca(OCl)Cl - смесен хлорид и калциев хипохлорид (cm.КАЛЦИЕВ ХИПОХЛОРИТ), с висока окислителна способност.
Калциевият сулфат също се използва широко, съществува както под формата на безводно съединение, така и под формата на кристални хидрати - така нареченият "полу-воден" сулфат - алабастър (cm.АЛЕВИЗ ФРЯЗИН (Милане) CaSO 4 ·0,5H 2 O и дихидратен сулфат - гипс CaSO 4 ·2H 2 O. Гипсът се използва широко в строителството, в скулптурата, за производството на мазилка и различни художествени продукти. Гипсът се използва и в медицината за фиксиране на кости по време на фрактури.
Калциевият хлорид CaCl 2 се използва заедно с готварска сол за борба със заледяването на пътните настилки. Калциевият флуорид CaF 2 е отличен оптичен материал.
Калций в тялото
Калцият е биогенен елемент (cm.БИОГЕННИ ЕЛЕМЕНТИ), постоянно присъстващи в тъканите на растенията и животните. Важен компонент на минералния метаболизъм на животните и хората и минералното хранене на растенията, калцият изпълнява различни функции в организма. Състои се от апатит (cm.АПАТИТ), както и сулфат и карбонат, калцият образува минералния компонент на костната тъкан. Човешкото тяло с тегло 70 kg съдържа около 1 kg калций. Калцият участва във функционирането на йонните канали (cm.ЙОННИ КАНАЛИ)транспортиране на вещества през биологични мембрани при предаване на нервни импулси (cm.НЕРВЕН ИМПУЛС), в процесите на кръвосъсирване (cm.КЪРВОСЪСИРВАНЕ)и торене. Калциферолите регулират метаболизма на калция в организма (cm.КАЛЦИФЕРОЛИ)(витамин D). Липсата или излишъкът на калций води до различни заболявания - рахит (cm.РАХИТ), калциноза (cm.КАЛЦИНОЗА)и т.н. Следователно човешката храна трябва да съдържа калциеви съединения в необходимите количества (800-1500 mg калций на ден). Съдържанието на калций е високо в млечните продукти (като извара, сирене, мляко), някои зеленчуци и други храни. Калциевите препарати се използват широко в медицината.

Енциклопедичен речник. 2009 .

Синоними:

Калцият (на латински Calcium, символизирано Ca) е елемент с атомен номер 20 и атомна маса 40,078. Той е елемент от главната подгрупа на втората група, четвъртия период от периодичната таблица на химичните елементи на Дмитрий Иванович Менделеев. При нормални условия простото вещество калций е лек (1,54 g/cm3) ковък, мек, химически активен алкалоземен метал със сребристо-бял цвят.

В природата калцият се представя като смес от шест изотопа: 40Ca (96,97%), 42Ca (0,64%), 43Ca (0,145%), 44Ca (2,06%), 46Ca (0,0033%) и 48Ca (0,185%). Основният изотоп на двадесетия елемент - най-често срещаният - е 40Ca, изотопното му изобилие е около 97%. От шестте естествени изотопа на калций, пет са стабилни, шестият изотоп 48Ca, най-тежкият от шестте и доста рядък (неговото изотопно изобилие е само 0,185%), наскоро беше установено, че претърпява двойно β-разпадане с полуживот от 5.3∙1019 години. Изотопите, получени по изкуствен път с масови числа 39, 41, 45, 47 и 49 са радиоактивни. Най-често те се използват като изотопен индикатор при изследване на процесите на минерална обмяна в живия организъм. 45Ca, получен чрез облъчване на метален калций или неговите съединения с неутрони в уранов реактор, играе важна роля в изследването на метаболитните процеси, протичащи в почвите, и в изследването на процесите на усвояване на калций от растенията. Благодарение на същия изотоп беше възможно да се открият източници на замърсяване на различни видове стомана и свръхчисто желязо с калциеви съединения по време на процеса на топене.

Калциевите съединения - мрамор, гипс, варовик и вар (продукт от изпичане на варовик) са известни от древността и са били широко използвани в строителството и медицината. Древните египтяни са използвали калциеви съединения при строежа на своите пирамиди, а жителите на великия Рим са изобретили бетона – използвайки смес от трошен камък, вар и пясък. До самия край на 18 век химиците са били убедени, че варът е просто твърдо вещество. Едва през 1789 г. Лавоазие предполага, че варът, алуминиевият оксид и някои други съединения са сложни вещества. През 1808 г. металният калций е получен от Г. Дейви чрез електролиза.

Използването на металния калций се свързва с неговата висока химическа активност. Използва се за възстановяване от съединения на определени метали, например торий, уран, хром, цирконий, цезий, рубидий; за отстраняване на кислород и сяра от стомана и някои други сплави; за обезводняване на органични течности; за абсорбиране на остатъчни газове във вакуумни устройства. В допълнение, калциевият метал служи като легиращ компонент в някои сплави. Калциевите съединения намират много по-широко приложение - намират приложение в строителството, пиротехниката, производството на стъкло, медицината и много други области.

Калцият е един от най-важните биогенни елементи, необходим е на повечето живи организми за нормалното протичане на жизнените процеси. Тялото на възрастен съдържа до един и половина килограма калций. Той присъства във всички тъкани и течности на живите организми. Двадесетият елемент е необходим за образуването на костната тъкан, поддържането на сърдечната честота, съсирването на кръвта, поддържането на нормална пропускливост на външните клетъчни мембрани и образуването на редица ензими. Списъкът от функции, които калцият изпълнява в телата на растенията и животните, е много дълъг. Достатъчно е да се каже, че само редки организми могат да се развиват в среда, лишена от калций, а други организми се състоят от 38% от този елемент (човешкото тяло съдържа само около 2% калций).

Биологични свойства

Калцият е един от биогенните елементи, неговите съединения се намират в почти всички живи организми (малко организми могат да се развиват в среда, лишена от калций), осигурявайки нормалното протичане на жизнените процеси. Двадесетият елемент присъства във всички тъкани и течности на животни и растения; по-голямата част от него (в гръбначните организми, включително хората) се съдържа в скелета и зъбите под формата на фосфати (например хидроксиапатит Ca5(PO4)3OH или 3Ca3 (PO4)2Ca (OH)2). Използването на двадесетия елемент като строителен материал за костите и зъбите се дължи на факта, че в клетката не се използват калциеви йони. Концентрацията на калций се контролира от специални хормони, тяхното комбинирано действие запазва и поддържа костната структура. Скелетите на повечето групи безгръбначни (мекотели, корали, гъби и други) са изградени от различни форми на калциев карбонат CaCO3 (вар). Много безгръбначни съхраняват калций преди линеене, за да изградят нов скелет или да осигурят жизнени функции при неблагоприятни условия. Животните получават калций от храната и водата, а растенията от почвата и по отношение на този елемент се делят на калцифили и калцефоби.

Йоните на този важен микроелемент участват в процесите на кръвосъсирване, както и в осигуряването на постоянно осмотично налягане на кръвта. В допълнение, калцият е необходим за образуването на редица клетъчни структури, поддържане на нормалната пропускливост на външните клетъчни мембрани, за оплождане на яйца на риби и други животни и активиране на редица ензими (може би това обстоятелство се дължи на факта, че че калцият замества магнезиевите йони). Калциевите йони предават възбуждането на мускулните влакна, което ги кара да се свиват, увеличават силата на сърдечните контракции, повишават фагоцитната функция на левкоцитите, активират системата на защитните кръвни протеини, регулират екзоцитозата, включително секрецията на хормони и невротрансмитери. Калцият влияе върху пропускливостта на кръвоносните съдове - без този елемент мазнините, липидите и холестеролът биха се утаили по стените на кръвоносните съдове. Калцият подпомага отделянето на соли на тежки метали и радионуклиди от организма и изпълнява антиоксидантни функции. Калцият влияе върху репродуктивната система, действа антистресово и има антиалергичен ефект.

Съдържанието на калций в тялото на възрастен (с тегло 70 kg) е 1,7 kg (главно в междуклетъчното вещество на костната тъкан). Нуждата от този елемент зависи от възрастта: за възрастни необходимият дневен прием е от 800 до 1000 милиграма, за деца от 600 до 900 милиграма. За децата е особено важно да приемат необходимата доза за интензивен растеж и развитие на костите. Основният източник на калций в организма е млякото и млечните продукти; останалата част от калция идва от месото, рибата и някои растителни продукти (особено бобови). Абсорбцията на калциевите катиони се осъществява в дебелите и тънките черва; абсорбцията се улеснява от кисела среда, витамини С и D, лактоза (млечна киселина) и ненаситени мастни киселини. От своя страна аспиринът, оксаловата киселина и производните на естрогена значително намаляват смилаемостта на двадесетия елемент. Така, когато се комбинира с оксалова киселина, калцият произвежда неразтворими във вода съединения, които са компоненти на камъните в бъбреците. Ролята на магнезия в калциевия метаболизъм е голяма - с неговия дефицит калцият се "отмива" от костите и се отлага в бъбреците (бъбречни камъни) и мускулите. Като цяло тялото има сложна система за съхранение и освобождаване на двадесетия елемент, поради което съдържанието на калций в кръвта е точно регулирано и при правилно хранене не се получава дефицит или излишък. Дългосрочната диета с калций може да причини спазми, болки в ставите, запек, умора, сънливост и забавяне на растежа. Продължителната липса на калций в храната води до развитие на остеопороза. Никотинът, кофеинът и алкохолът са едни от причините за недостиг на калций в организма, тъй като допринасят за интензивното му отделяне с урината. Излишъкът от двадесетия елемент (или витамин D) обаче води до негативни последици - развива се хиперкалцемия, следствие от което е интензивна калцификация на костите и тъканите (засягаща главно пикочната система). Дългосрочният излишък на калций нарушава функционирането на мускулните и нервните тъкани, повишава съсирването на кръвта и намалява усвояването на цинк от костните клетки. Може да възникнат остеоартрит, катаракта и проблеми с кръвното налягане. От горното можем да заключим, че клетките на растителните и животинските организми изискват строго определени съотношения на калциевите йони.

Във фармакологията и медицината калциевите съединения се използват за производството на витамини, таблетки, хапчета, инжекции, антибиотици, както и за производството на ампули и медицински прибори.

Оказва се, че доста често срещана причина за мъжкото безплодие е липсата на калций в организма! Факт е, че главата на спермата има стреловидна формация, която се състои изцяло от калций, с достатъчно количество от този елемент, спермата е в състояние да преодолее мембраната и да оплоди яйцеклетката; ако няма достатъчно количество, безплодие възниква.

Американски учени установиха, че липсата на калциеви йони в кръвта води до отслабена памет и намален интелект. Например, от известното американско списание Science News стана известно за експерименти, които потвърдиха, че котките развиват условен рефлекс само ако мозъчните им клетки съдържат повече калций, отколкото кръвта.

Съединението калциев цианамид, високо ценено в селското стопанство, се използва не само като азотен тор и източник на урея - ценен тор и суровина за производството на синтетични смоли, но и като вещество, с което е възможно да се механизира прибиране на памучни ниви. Факт е, че след третиране с това съединение памуковото растение мигновено се разлиства, което позволява на хората да оставят брането на памук на машините.

Когато се говори за храни, богати на калций, винаги се споменават млечните продукти, но самото мляко съдържа от 120 mg (краве) до 170 mg (овче) калций на 100 g; изварата е още по-бедна - само 80 мг на 100 грама. От млечните продукти само сиренето съдържа от 730 mg (гауда) до 970 mg (ементал) калций на 100 g продукт. Рекордьорът по съдържание на двадесетия елемент обаче е макът – в 100 грама маково семе се съдържат почти 1500 мг калций!

Калциевият хлорид CaCl2, използван например в хладилни агрегати, е отпадъчен продукт от много химични процеси, по-специално от широкомащабното производство на сода. Въпреки това, въпреки широкото използване на калциев хлорид в различни области, потреблението му е значително по-ниско от производството му. Поради тази причина, например, в близост до заводите за сода се образуват цели езера от калциев хлорид саламура. Такива езера за съхранение не са необичайни.

За да разберете колко калциеви съединения се консумират, струва си да дадем само няколко примера. При производството на стомана вар се използва за отстраняване на фосфор, силиций, манган и сяра; при кислородно-конверторния процес се изразходват 75 килограма вар на тон стомана! Друг пример идва от съвсем друга област - хранително-вкусовата промишленост. При производството на захар, суровият захарен сироп реагира с вар, за да се утаи калциева захароза. Така че тръстиковата захар обикновено изисква около 3-5 кг вар на тон, а захарта от цвекло - сто пъти повече, тоест около половин тон вар на тон захар!

„Твърдостта“ на водата е редица свойства, които калциевите и магнезиевите соли, разтворени в нея, придават на водата. Сковаността се дели на временна и постоянна. Временната или карбонатна твърдост се причинява от наличието на разтворими хидрокарбонати Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2 във водата. Много е лесно да се отървете от карбонатната твърдост - когато водата се вари, бикарбонатите се превръщат във водонеразтворими калциеви и магнезиеви карбонати, като се утаяват. Постоянната твърдост се създава от сулфати и хлориди на същите метали, но да се отървете от нея е много по-трудно. Твърдата вода е опасна не толкова, защото предотвратява образуването на сапунена пяна и следователно изпира дрехите, а много по-лошото е, че образува слой котлен камък в парните котли и бойлерни системи, като по този начин намалява тяхната ефективност и води до аварийни ситуации. Интересното е, че още в Древен Рим са знаели как да определят твърдостта на водата. Като реагент е използвано червено вино - неговите оцветители образуват утайка с калциеви и магнезиеви йони.

Процесът на подготовка на калций за съхранение е много интересен. Калциевият метал се съхранява дълго време под формата на парчета с тегло от 0,5 до 60 kg. Тези „слитъци“ се опаковат в хартиени торби, след което се поставят в контейнери от галванизирано желязо със запоени и боядисани шевове. Плътно затворените контейнери се поставят в дървени кутии. Парчетата с тегло под половин килограм не могат да се съхраняват дълго време - когато се окисляват, те бързо се превръщат в оксид, хидроксид и калциев карбонат.

История

Калциевият метал е получен сравнително наскоро - през 1808 г., но човечеството е запознато със съединенията на този метал от много дълго време. От древни времена хората са използвали варовик, креда, мрамор, алабастър, гипс и други съединения, съдържащи калций, в строителството и медицината. Варовикът CaCO3 най-вероятно е първият строителен материал, използван от хората. Използван е при изграждането на египетските пирамиди и Великата китайска стена. Много храмове и църкви в Русия, както и повечето сгради на древна Москва, са построени с помощта на варовик - бял камък. Още в древни времена човек чрез изгаряне на варовик е получавал негасена вар (CaO), както свидетелстват произведенията на Плиний Стари (1 век сл. Хр.) и Диоскорид, лекар в римската армия, на когото той въвежда калциев оксид в своите есе “За лекарствата.” името “негасена вар”, което е оцеляло и до днес. И всичко това въпреки факта, че чистият калциев оксид е описан за първи път от немския химик I. След това едва през 1746 г. и през 1755 г. химикът J. Black, изучавайки процеса на изпичане, разкрива, че загубата на варовикова маса по време на изпичане се дължи на до отделянето на газ въглероден диоксид:

CaCO3 ↔ CO2 + CaO

Египетските хоросани, използвани в пирамидите в Гиза, са базирани на частично дехидратиран гипс CaSO4 2H2O или, с други думи, алабастър 2CaSO4∙H2O. Той е и основата на цялата мазилка в гробницата на Тутанкамон. Египтяните са използвали изгорен гипс (алабастър) като свързващо вещество при изграждането на напоителни съоръжения. Чрез изгаряне на естествен гипс при високи температури египетските строители постигнаха частичното му дехидратиране и не само водата, но и серен анхидрид беше отделен от молекулата. По-късно, когато се разрежда с вода, се получава много силна маса, която не се страхува от вода и температурни колебания.

Римляните с право могат да бъдат наречени изобретатели на бетона, тъй като в своите сгради те са използвали една от разновидностите на този строителен материал - смес от натрошен камък, пясък и вар. Има описание на Плиний Стари за изграждането на цистерни от такъв бетон: „За да построите цистерни, вземете пет части чист пясък от чакъл, две части от най-добрата гасена вар и фрагменти от силикс (твърда лава) с тегло не повече от един удряйте всяка, след смесване уплътнете дъното и страничните повърхности с ударите на железен трамбовка " Във влажния климат на Италия бетонът беше най-устойчивият материал.

Оказва се, че човечеството отдавна е наясно с калциевите съединения, които масово консумират. Въпреки това до края на 18-ти век химиците смятат, че варът е просто твърдо вещество, едва на прага на новия век започва изучаването на природата на варовик и други съединения на калция. Така Щал предполага, че варът е сложно тяло, състоящо се от земни и воднисти принципи, а Блек установява разликата между вар каустик и газирана вар, която съдържа „фиксиран въздух“. Антоан Лоран Лавоазие класифицира варовитата пръст (CaO) като елемент, тоест като просто вещество, въпреки че през 1789 г. той предположи, че вар, магнезий, барит, алуминиев оксид и силициев диоксид са сложни вещества, но ще бъде възможно да се докаже това само чрез разлагане на „упоритата пръст“ (калциев оксид). И първият човек, който успя, беше Хъмфри Дейви. След успешното разлагане на калиеви и натриеви оксиди чрез електролиза, химикът решава да получи алкалоземни метали по същия начин. Първите опити обаче са неуспешни - англичанинът се опитва да разложи вар чрез електролиза във въздуха и под слой масло, след това калцинира вар с метален калий в епруветка и провежда много други експерименти, но без резултат. Накрая, в устройство с живачен катод, той получава амалгама чрез електролиза на вар, а от нея метален калций. Съвсем скоро този метод за получаване на метал е подобрен от И. Берцелиус и М. Понтин.

Новият елемент получи името си от латинската дума "calx" (в родителен падеж calcis) - вар, мек камък. Calx е името, дадено на креда, варовик, обикновено чакълест камък, но най-често хоросан на основата на вар. Тази концепция е използвана и от древни автори (Витрувий, Плиний Стари, Диоскорид), описвайки изгарянето на варовик, гасенето на вар и приготвянето на хоросан. По-късно, в кръга на алхимиците, "calx" обозначава продукта от изпичане като цяло - в частност метали. Например металните оксиди се наричат ​​метални варовици, а самият процес на изпичане се нарича калциниране. В древната руска рецептурна литература се среща думата кал (мръсотия, глина), така че в сборника на Троице-Сергиевата лавра (XV век) се казва: „намерете изпражнения, от него създават златото на тигела“. Едва по-късно думата фекалии, която несъмнено е свързана с думата "calx", става синоним на думата тор. В руската литература от началото на 19 век калцият понякога се нарича основа на варовикова пръст, варуване (Щеглов, 1830), калцификация (Йовски), калций, калций (Хес).

Да бъдеш сред природата

Калцият е един от най-разпространените елементи на нашата планета - пети по количествено съдържание в природата (от неметалите по-често се срещат само кислородът - 49,5% и силиций - 25,3%) и трети сред металите (само алуминият е по-разпространен - 7,5% и желязо - 5,08%). Кларк (средното съдържание в земната кора) на калций, според различни оценки, варира от 2,96% от масата до 3,38%, определено можем да кажем, че тази цифра е около 3%. Външната обвивка на калциевия атом има два валентни електрона, чиято връзка с ядрото е доста слаба. Поради тази причина калцият е силно химически реактивен и не се среща в свободна форма в природата. Въпреки това той активно мигрира и се натрупва в различни геохимични системи, образувайки около 400 минерала: силикати, алумосиликати, карбонати, фосфати, сулфати, боросиликати, молибдати, хлориди и други, заемайки четвърто място по този показател. При топенето на базалтови магми калцият се натрупва в стопилката и се включва в състава на основните скалообразуващи минерали, при чието фракциониране съдържанието му намалява при диференциацията на магмата от основни към киселинни скали. В по-голямата си част калцият се намира в долната част на земната кора, натрупвайки се в основни скали (6,72%); има малко калций в земната мантия (0,7%) и вероятно още по-малко в земното ядро ​​(в железни метеорити, подобни на ядрото, двадесетият елемент е само 0,02%).

Вярно е, че кларкът на калция в каменистите метеорити е 1,4% (намира се рядък калциев сулфид), в средно големи скали е 4,65%, а киселинните скали съдържат 1,58% калций от теглото. Основната част от калция се съдържа в силикати и алумосиликати от различни скали (гранити, гнайси и др.), Особено във фелдшпат - анортит Ca, както и диопсид CaMg, воластонит Ca3. Под формата на седиментни скали калциевите съединения са представени от креда и варовици, състоящи се главно от минерала калцит (CaCO3).

Калциевият карбонат CaCO3 е едно от най-разпространените съединения на Земята - калциевите карбонатни минерали покриват приблизително 40 милиона квадратни километра от земната повърхност. В много части на земната повърхност има значителни седиментни отлагания на калциев карбонат, които са се образували от останките на древни морски организми - креда, мрамор, варовик, раковини - всичко това е CaCO3 с незначителни примеси, а калцитът е чист CaCO3. Най-важният от тези минерали е варовикът или по-скоро варовиците - защото всяко находище се различава по плътност, състав и количество примеси. Например черупката е варовик от органичен произход, а калциевият карбонат, който има по-малко примеси, образува прозрачни кристали от варовик или исландски шпат. Кредата е друг често срещан вид калциев карбонат, но мраморът, кристална форма на калцит, е много по-рядко срещан в природата. Общоприето е, че мраморът се е образувал от варовик в древни геоложки епохи. Докато земната кора се движи, отделни отлагания от варовик се заравят под слоеве други скали. Под въздействието на високо налягане и температура настъпва процесът на рекристализация и варовикът се превръща в по-плътна кристална скала - мрамор. Причудливите сталактити и сталагмити са минералът арагонит, който е друг вид калциев карбонат. Орторомбичният арагонит се образува в топли морета - огромни слоеве калциев карбонат под формата на арагонит се образуват на Бахамите, Флорида Кийс и басейна на Червено море. Също така доста широко разпространени са калциевите минерали като флуорит CaF2, доломит MgCO3 CaCO3, анхидрит CaSO4, фосфорит Ca5(PO4)3(OH,CO3) (с различни примеси) и апатити Ca5(PO4)3(F,Cl,OH) - форми на калциев фосфат, алабастър CaSO4 0.5H2O и гипс CaSO4 2H2O (форми на калциев сулфат) и др. Калций-съдържащите минерали съдържат изоморфно заместващи примесни елементи (например натрий, стронций, редкоземни, радиоактивни и други елементи).

Голямо количество от двадесетия елемент се намира в естествените води поради съществуването на глобално „карбонатно равновесие“ между слабо разтворим CaCO3, силно разтворим Ca(HCO3)2 и CO2, намиращи се във вода и въздух:

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

Тази реакция е обратима и е в основата на преразпределението на двадесетия елемент - при високо съдържание на въглероден диоксид във водите калцият е в разтвор, а при ниско съдържание на CO2 минералът калцит CaCO3 се утаява, образувайки дебели отлагания от варовик, креда , и мрамор.

Значително количество калций е част от живите организми, например хидроксиапатит Ca5(PO4)3OH или, в друг запис, 3Ca3(PO4)2 Ca(OH)2 - основата на костната тъкан на гръбначните животни, включително хората. Калциевият карбонат CaCO3 е основният компонент на черупките и черупките на много безгръбначни, яйчени черупки, корали и дори перли.

Приложение

Калциевият метал се използва доста рядко. По принцип този метал (както и неговият хидрид) се използва в металотермичното производство на трудно редуцируеми метали - уран, титан, торий, цирконий, цезий, рубидий и редица редкоземни метали от техните съединения (оксиди или халогениди). ). Калцият се използва като редуциращ агент при производството на никел, мед и неръждаема стомана. Двадесетият елемент се използва и за деоксидиране на стомани, бронз и други сплави, за отстраняване на сяра от петролни продукти, за дехидратиране на органични разтворители, за пречистване на аргон от азотни примеси и като газов абсорбер в електрически вакуумни устройства. Калциевият метал се използва при производството на антифрикционни сплави от системата Pb-Na-Ca (използвани в лагери), както и Pb-Ca сплав, използвана за производството на обвивки на електрически кабели. Силикокалциевата сплав (Ca-Si-Ca) се използва като дезоксидиращ агент и дегазиращ агент при производството на качествени стомани. Калцият се използва както като легиращ елемент за алуминиеви сплави, така и като модифицираща добавка за магнезиеви сплави. Например, въвеждането на калций увеличава здравината на алуминиевите лагери. Чистият калций се използва и за легиране на олово, което се използва за производството на акумулаторни пластини и необслужваеми стартерни оловно-киселинни батерии с нисък саморазряд. Също така металният калций се използва за производството на висококачествени калциеви бабити BKA. С помощта на калций съдържанието на въглерод в чугуна се регулира и бисмутът се отстранява от оловото, а стоманата се пречиства от кислород, сяра и фосфор. Калцият, както и неговите сплави с алуминий и магнезий, се използват в топлинни електрически резервни батерии като анод (например калциев хроматен елемент).

Въпреки това, съединенията на двадесетия елемент се използват много по-широко. И на първо място говорим за естествени калциеви съединения. Едно от най-често срещаните калциеви съединения на Земята е CaCO3 карбонатът. Чистият калциев карбонат е минералът калцит, а варовикът, тебеширът, мраморът и черупчестите скали са CaCO3 с незначителни примеси. Смесеният калциев и магнезиев карбонат се нарича доломит. Варовикът и доломитът се използват главно като строителни материали, пътни настилки или разкислители на почвата. Калциевият карбонат CaCO3 е необходим за производството на калциев оксид (негасена вар) CaO и калциев хидроксид (гасена вар) Ca(OH)2. От своя страна CaO и Ca(OH)2 са основните вещества в много области на химическата, металургичната и машиностроителната промишленост - калциевият оксид, както в свободна форма, така и като част от керамични смеси, се използва в производството на огнеупорни материали; Колосални количества калциев хидроксид са необходими на целулозно-хартиената промишленост. Освен това Ca(OH)2 се използва в производството на белина (добър избелващ и дезинфектант), бертолетова сол, сода и някои пестициди за борба с вредителите по растенията. При производството на стомана се изразходва огромно количество вар - за отстраняване на сяра, фосфор, силиций и манган. Друга роля на вар в металургията е производството на магнезий. Варът се използва и като смазка при изтегляне на стоманена тел и неутрализиране на отпадъчни течности за ецване, съдържащи сярна киселина. В допълнение, варът е най-разпространеният химически реагент при обработката на питейна и промишлена вода (заедно със стипца или железни соли, той коагулира суспензиите и премахва утайката, а също така омекотява водата, като премахва временната - бикарбонатна - твърдост). В ежедневието и медицината утаеният калциев карбонат се използва като киселинен неутрализатор, мек абразив в пастите за зъби, източник на допълнителен калций в диети, компонент на дъвки и пълнител в козметиката. CaCO3 се използва също като пълнител в каучуци, латекси, бои и емайллакове, както и в пластмаси (около 10% от теглото) за подобряване на тяхната устойчивост на топлина, твърдост, твърдост и обработваемост.

Калциевият флуорид CaF2 е от особено значение, тъй като под формата на минерал (флуорит) той е единственият промишлено важен източник на флуор! Калциевият флуорид (флуорит) се използва под формата на монокристали в оптиката (астрономически обективи, лещи, призми) и като лазерен материал. Факт е, че очилата, направени само от калциев флуорид, са пропускливи за целия диапазон на спектъра. Калциевият волфрамат (шеелит) под формата на монокристали се използва в лазерната технология, а също и като сцинтилатор. Не по-малко важен е калциевият хлорид CaCl2 - компонент на разсолите за хладилни агрегати и за пълнене на гуми на трактори и други превозни средства. С помощта на калциев хлорид пътищата и тротоарите се почистват от сняг и лед; това съединение се използва за защита на въглища и руда от замръзване по време на транспортиране и съхранение; дървото се импрегнира с неговия разтвор, за да стане огнеустойчиво. CaCl2 се използва в бетонови смеси за ускоряване на втвърдяването и увеличаване на началната и крайната якост на бетона.

Изкуствено полученият калциев карбид CaC2 (чрез калциниране на калциев оксид с кокс в електрически пещи) се използва за получаване на ацетилен и редуциране на метали, както и за производство на калциев цианамид, който от своя страна отделя амоняк под действието на водни пари. Освен това калциевият цианамид се използва за производството на урея - ценен тор и суровина за производството на синтетични смоли. Чрез нагряване на калций във водородна атмосфера се получава CaH2 (калциев хидрид), който се използва в металургията (металотермия) и при производството на водород в полето (от 1 килограм калциев хидрид може да се получи повече от кубичен метър водород ), който се използва например за пълнене на балони. В лабораторната практика калциевият хидрид се използва като енергиен редуциращ агент. Инсектицидът калциев арсенат, който се получава чрез неутрализиране на арсеновата киселина с вар, се използва широко за борба с памуковия дългоносик, зъбния молец, тютюневия червей и колорадския бръмбар. Важни фунгициди са пръсканията с варов сулфат и смесите от Бордо, които са направени от меден сулфат и калциев хидроксид.

производство

Първият човек, получил метален калций, е английският химик Хъмфри Дейви. През 1808 г. той електролизира смес от мокра гасена вар Ca(OH)2 с живачен оксид HgO върху платинена плоча, която служи като анод (платинова жица, потопена в живак, действа като катод), в резултат на което Дейви получава калций амалгама, като премахна живака от нея, химикът получи нов метал, който нарече калций.

В съвременната индустрия свободният метален калций се получава чрез електролиза на стопилка от калциев хлорид CaCl2, чийто дял е 75-85%, и калиев хлорид KCl ​​(възможно е да се използва смес от CaCl2 и CaF2) или чрез алуминотермична редукция калциев оксид CaO при температура 1170-1200 °C. Чистият безводен калциев хлорид, необходим за електролиза, се получава чрез хлориране на калциев оксид при нагряване в присъствието на въглища или чрез дехидратиране на CaCl2∙6H2O, получен чрез действието на солна киселина върху варовик. Електролитният процес се извършва в електролизна вана, в която се поставя суха калциева хлоридна сол, без примеси, и калиев хлорид, който е необходим за понижаване на точката на топене на сместа. Над ваната се поставят графитни блокове - анодът, чугунена или стоманена вана, пълна с медно-калциева сплав, действа като катод. По време на процеса на електролиза калцият преминава в медно-калциевата сплав, като се отстранява значително част от обогатената сплав, вместо това се добавя сплав, обеднена на калций (30-35% Ca), като в същото време се образува хлор; хлорно-въздушна смес (анодни газове), която впоследствие отива за хлориране на варно мляко. Обогатената медно-калциева сплав може да се използва директно като сплав или да се изпрати за пречистване (дестилация), където се получава метален калций с ядрена чистота чрез дестилация във вакуум (при температура 1000-1080 ° C и остатъчно налягане от 13-20 kPa). За да се получи калций с висока чистота, той се дестилира два пъти. Процесът на електролиза се извършва при температура 680-720 °C. Факт е, че това е най-оптималната температура за електролитния процес - при по-ниска температура обогатената с калций сплав изплува на повърхността на електролита, а при по-висока температура калцият се разтваря в електролита с образуването на CaCl. При електролиза с течни катоди от сплави на калций и олово или калций и цинк, сплави на калций с олово (за лагери) и с цинк (за производство на пенобетон - когато сплавта реагира с влага, се отделя водород и се създава пореста структура ) се получават директно. Понякога процесът се извършва с охладен железен катод, който влиза в контакт само с повърхността на разтопения електролит. Тъй като калцият се освобождава, катодът постепенно се повдига, пръчка (50-60 cm) калций, защитена от атмосферния кислород чрез слой втвърден електролит, се изважда от стопилката. „Методът на допир“ произвежда калций, силно замърсен с калциев хлорид, желязо, алуминий и натрий; пречистването се извършва чрез топене в аргонова атмосфера.

Друг метод за получаване на калций - металотермичен - е теоретично обоснован още през 1865 г. от известния руски химик Н. Н. Бекетов. Алуминотермичният метод се основава на реакцията:

6CaO + 2Al → 3CaO Al2O3 + 3Ca

Брикетите се пресоват от смес от калциев оксид и алуминий на прах, поставят се в реторта от хром-никелова стомана и полученият калций се дестилира при 1170-1200 °C и остатъчно налягане 0,7-2,6 Pa. Калцият се получава под формата на пара, която след това се кондензира върху студена повърхност. Алуминотермичният метод за производство на калций се използва в Китай, Франция и редица други страни. САЩ са първите, които използват металотермичния метод за производство на калций в индустриален мащаб по време на Втората световна война. По същия начин калций може да се получи чрез редуциране на CaO с феросилиций или силикоалуминий. Калцият се произвежда под формата на слитъци или листове с чистота 98-99%.

Плюсове и минуси има и в двата метода. Електролитният метод е многооперационен, енергоемък (40-50 kWh енергия се консумира на 1 kg калций), а също така не е екологичен, изисква голямо количество реагенти и материали. Въпреки това, добивът на калций при този метод е 70-80%, докато при алуминотермичния метод добивът е само 50-60%. В допълнение, при металотермичния метод за получаване на калций, недостатъкът е, че е необходимо да се извърши многократна дестилация, а предимството е ниската консумация на енергия и липсата на газови и течни вредни емисии.

Неотдавна беше разработен нов метод за производство на калциев метал - той се основава на термичната дисоциация на калциевия карбид: карбидът, нагрят във вакуум до 1750 °C, се разлага, за да образува калциеви пари и твърд графит.

До средата на 20-ти век калциевият метал се произвежда в много малки количества, тъй като почти не намира приложение. Например в Съединените американски щати по време на Втората световна война не са консумирани повече от 25 тона калций, а в Германия само 5-10 тона. Едва през втората половина на 20-ти век, когато стана ясно, че калцият е активен редуциращ агент за много редки и огнеупорни метали, бързо нараства потреблението (около 100 тона годишно) и, като следствие, производството на този метал започна. С развитието на ядрената индустрия, където калцият се използва като компонент на металотермичната редукция на уран от ураниев тетрафлуорид (с изключение на Съединените щати, където се използва магнезий вместо калций), търсенето (около 2000 тона годишно) за елемент номер двадесет, както и производството му, се увеличи многократно. В момента Китай, Русия, Канада и Франция могат да се считат за основни производители на калциев метал. От тези страни калцият се изпраща в САЩ, Мексико, Австралия, Швейцария, Япония, Германия и Обединеното кралство. Цените на металния калций се покачваха стабилно, докато Китай започна да произвежда метала в такива количества, че имаше излишък от двадесетия елемент на световния пазар, което доведе до рязко падане на цената.

Физични свойства

Какво представлява калциевият метал? Какви свойства има този елемент, получен през 1808 г. от английския химик Хъмфри Дейви, метал, чиято маса в тялото на възрастен може да достигне до 2 килограма?

Простото вещество калций е сребристо-бял лек метал. Плътността на калция е само 1,54 g/cm3 (при температура 20 °C), което е значително по-малко от плътността на желязото (7,87 g/cm3), оловото (11,34 g/cm3), златото (19,3 g/cm3). ) или платина (21,5 g/cm3). Калцият е дори по-лек от такива „безтегловни“ метали като алуминий (2,70 g/cm3) или магнезий (1,74 g/cm3). Малко метали могат да се „похвалят“ с плътност, по-ниска от тази на двадесетия елемент – натрий (0,97 g/cm3), калий (0,86 g/cm3), литий (0,53 g/cm3). Плътността на калция е много подобна на тази на рубидия (1,53 g/cm3). Точката на топене на калция е 851 °C, точката на кипене е 1480 °C. Други алкалоземни метали имат подобни точки на топене (макар и малко по-ниски) и точки на кипене: стронций (770 °C и 1380 °C) и барий (710 °C и 1640 °C).

Металният калций съществува в две алотропни модификации: при нормални температури до 443 ° C, α-калцият е стабилен с кубична лицево-центрирана решетка като медта, с параметри: a = 0,558 nm, z = 4, пространствена група Fm3m, атомен радиус 1.97 A, йонен Ca2+ радиус 1.04 A; в температурния диапазон 443-842 °C стабилен е β-калций с обемно-центрирана кубична решетка от типа α-желязо, с параметри a = 0,448 nm, z = 2, пространствена група Im3m. Стандартната енталпия на преход от α-модификация към β-модификация е 0,93 kJ/mol. Температурният коефициент на линейно разширение за калций в температурния диапазон 0-300 °C е 22 10-6. Топлопроводимостта на двадесетия елемент при 20 °C е 125,6 W/(m K) или 0,3 cal/(cm sec °C). Специфичният топлинен капацитет на калция в диапазона от 0 до 100 ° C е 623,9 J/(kg K) или 0,149 cal/(g °C). Електрическото съпротивление на калций при температура 20 ° C е 4,6 10-8 ohm m или 4,6 10-6 ohm cm; температурният коефициент на електрическо съпротивление на елемент номер двадесет е 4,57·10-3 (при 20 °C). Калциев еластичен модул 26 H/m2 или 2600 kgf/mm2; якост на опън 60 MN/m2 (6 kgf/mm2); границата на еластичност за калция е 4 MN/m2 или 0,4 kgf/mm2, границата на провлачване е 38 MN/m2 (3,8 kgf/mm2); относително удължение на двадесетия елемент 50%; Калциевата твърдост по Бринел е 200-300 MN/m2 или 20-30 kgf/mm2. С постепенно повишаване на налягането калцият започва да проявява свойствата на полупроводник, но не става такъв в пълния смисъл на думата (в същото време вече не е метал). При по-нататъшно повишаване на налягането калцият се връща в метално състояние и започва да проявява свръхпроводими свойства (температурата на свръхпроводимост е шест пъти по-висока от тази на живака и далеч надвишава всички други елементи по проводимост). Уникалното поведение на калция е подобно в много отношения на стронция (т.е. паралелите в периодичната таблица остават).

Механичните свойства на елементарния калций не се различават от свойствата на другите членове на семейството метали, които са отлични структурни материали: калциевият метал с висока чистота е пластичен, лесно се пресова и валцува, изтегля се на тел, кова се и се поддава на рязане - може да се стругова на струг. Но въпреки всички тези отлични качества на строителен материал, калцият не е такъв - причината за това е високата му химична активност. Вярно е, че не трябва да забравяме, че калцият е незаменим структурен материал на костната тъкан, а неговите минерали са строителен материал в продължение на много хилядолетия.

Химични свойства

Конфигурацията на външната електронна обвивка на калциевия атом е 4s2, което определя валентността 2 на двадесетия елемент в съединенията. Два електрона от външния слой сравнително лесно се отделят от атомите, които се превръщат в положителни двойно заредени йони. Поради тази причина, по отношение на химическата активност, калцият е само малко по-нисък от алкалните метали (калий, натрий, литий). Подобно на последния, калцият, дори при обикновена стайна температура, лесно взаимодейства с кислород, въглероден диоксид и влажен въздух, като се покрива с матово сив филм от смес от CaO оксид и Ca (OH) 2 хидроксид. Следователно калцият се съхранява в херметически затворен съд под слой минерално масло, течен парафин или керосин. При нагряване в кислород и въздух калцият се запалва, гори с яркочервен пламък, образувайки основния оксид CaO, който е бяло, силно огнеустойчиво вещество с точка на топене приблизително 2600 °C. Калциевият оксид е известен също в инженерството като негасена или изгорена вар. Получават се и калциеви пероксиди - CaO2 и CaO4. Калцият реагира с вода за освобождаване на водород (в поредица от стандартни потенциали калцият е разположен отляво на водорода и е способен да го измести от водата) и образуването на калциев хидроксид Ca(OH)2, а в студена вода реакцията скоростта постепенно намалява (поради образуването на слабо разтворим слой върху металната повърхност калциев хидроксид):

Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2 + Q

Калцият реагира по-енергично с гореща вода, като бързо измества водорода и образува Ca(OH)2. Калциевият хидроксид Ca(OH)2 е силна основа, слабо разтворима във вода. Наситен разтвор на калциев хидроксид се нарича варова вода и е алкален. Във въздуха варовиковата вода бързо става мътна поради абсорбцията на въглероден диоксид и образуването на неразтворим калциев карбонат. Въпреки такива бурни процеси, протичащи по време на взаимодействието на двадесетия елемент с водата, все пак, за разлика от алкалните метали, реакцията между калция и водата протича по-малко енергично - без експлозии или пожари. Като цяло химическата активност на калция е по-ниска от тази на другите алкалоземни метали.

Калцият активно се свързва с халогени, образувайки съединения от типа CaX2 - той реагира с флуор на студено и с хлор и бром при температури над 400 ° C, давайки съответно CaF2, CaCl2 и CaBr2. Тези халогениди в разтопено състояние образуват с калциеви монохалиди от типа CaX - CaF, CaCl, в които калцият формално е едновалентен. Тези съединения са стабилни само над температурите на топене на дихалидите (те диспропорционират при охлаждане, за да образуват Ca и CaX2). В допълнение, калцият активно взаимодейства, особено при нагряване, с различни неметали: със сяра, при нагряване се получава калциев сулфид CaS, последният добавя сяра, образувайки полисулфиди (CaS2, CaS4 и други); взаимодействайки със сух водород при температура 300-400 °C, калцият образува хидрида CaH2 - йонно съединение, в което водородът е анион. Калциевият хидрид CaH2 е бяло вещество, подобно на сол, което реагира бурно с вода, за да освободи водород:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

При нагряване (около 500° C) в азотна атмосфера калцият се запалва и образува нитрид Ca3N2, известен в две кристални форми - високотемпературна α и нискотемпературна β. Нитрид Ca3N4 също се получава чрез нагряване на калциев амид Ca(NH2)2 във вакуум. При нагряване без достъп на въздух с графит (въглерод), силиций или фосфор, калцият дава съответно калциев карбид CaC2, силициди Ca2Si, Ca3Si4, CaSi, CaSi2 и фосфиди Ca3P2, CaP и CaP3. Повечето от калциевите съединения с неметали лесно се разграждат от вода:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Ca3N2 + 6H2O → 3Ca(OH)2 + 2NH3

С бор калцият образува калциев борид CaB6, с халкогени - халкогениди CaS, CaSe, CaTe. Известни са и полихалкогениди CaS4, CaS5, Ca2Te3. Калцият образува интерметални съединения с различни метали – алуминий, злато, сребро, мед, олово и др. Като енергиен редуциращ агент, калцият измества почти всички метали от техните оксиди, сулфиди и халогениди при нагряване. Калцият се разтваря добре в течен амоняк NH3, за да образува син разтвор, при изпаряването на който се отделя амоняк [Ca(NH3)6] - златисто оцветено твърдо съединение с метална проводимост. Калциевите соли обикновено се получават чрез взаимодействие на киселинни оксиди с калциев оксид, действието на киселини върху Ca (OH) 2 или CaCO 3 и обменни реакции във водни разтвори на електролити. Много калциеви соли са силно разтворими във вода (CaCl2 хлорид, CaBr2 бромид, CaI2 йодид и Ca(NO3)2 нитрат), те почти винаги образуват кристални хидрати. Неразтворими във вода са флуорид CaF2, карбонат CaCO3, сулфат CaSO4, ортофосфат Ca3(PO4)2, оксалат CaC2O4 и някои други.

Въведение

Свойства и употреба на калций

1 Физични свойства

2 Химични свойства

3 Приложение

Получаване на калций

1 Електролитно производство на калций и неговите сплави

2 Термично производство

3 Вакуумно-термичен метод за получаване на калций

3.1 Алуминотермичен метод за редукция на калций

3.2 Силикотермичен метод за редукция на калций

Практическа част

Списък на използваната литература

Въведение

Химичен елемент от група II на периодичната система на Менделеев, атомен номер 20, атомна маса 40,08; сребристо-бял лек метал. Естественият елемент е смес от шест стабилни изотопа: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca и 48Ca, от които най-често срещаният е 40 Ca (96, 97%).

Ca съединения - варовик, мрамор, гипс (както и вар - продукт от калциниране на варовик) са били използвани в строителството още в древността. До края на 18-ти век химиците смятат вар за просто твърдо вещество. През 1789 г. А. Лавоазие предполага, че вар, магнезий, барит, алуминиев оксид и силициев диоксид са сложни вещества. През 1808 г. Г. Дейви, подлагайки смес от мокра гасена вар с живачен оксид на електролиза с живачен катод, приготвя Ca амалгама и чрез дестилиране на живак от нея получава метал, наречен "калций" (от латински calx, пол calcis - вар) .

Способността на калция да свързва кислород и азот направи възможно използването му за пречистване на инертни газове и като геттер (Гетерът е вещество, използвано за абсорбиране на газове и създаване на дълбок вакуум в електронни устройства.) във вакуумно радио оборудване.

Калцият се използва и в металургията на мед, никел, специални стомани и бронз; те свързват вредните примеси от сяра, фосфор и излишния въглерод. За същите цели се използват калциеви сплави със силиций, литий, натрий, бор и алуминий.

В промишлеността калцият се получава по два начина:

) Чрез нагряване на брикетираната смес от CaO и Al прах при 1200 °C във вакуум от 0,01 - 0,02 mm. Hg чл.; отличава се с реакция:

CaO + 2Al = 3CaO Al2O3 + 3Ca

Калциевите пари кондензират върху студена повърхност.

) Чрез електролиза на стопилка от CaCl2 и KCl с течен медно-калциев катод се получава Cu - Ca сплав (65% Ca), от която калцият се дестилира при температура 950 - 1000 ° C във вакуум от 0,1 - 0,001 mm Hg.

) Разработен е и метод за получаване на калций чрез термична дисоциация на калциев карбид CaC2.

Калцият е много разпространен в природата под формата на различни съединения. В земната кора се нарежда на пето място, което представлява 3,25% и най-често се среща под формата на варовик CaCO 3, доломит CaCO 3Mg CO 3, гипс CaSO 42H 2O, фосфорит Ca 3(П.О. 4)2 и флуорипат CaF 2, без да се брои значителният дял калций в състава на силикатните скали. Морската вода съдържа средно 0,04% (тегл.) калций.

В тази курсова работа се изучават свойствата и приложението на калция, както и теорията и технологията на вакуумно-термичните методи за неговото производство.

. Свойства и употреба на калций

.1 Физични свойства

Калцият е сребристо-бял метал, но избледнява, когато е изложен на въздух поради образуването на оксид на повърхността му. Това е пластичен метал, по-твърд от оловото. Кристална решетка ?-Ca форма (стабилна при обикновена температура) гранецентрирана кубична, a = 5,56 Å . Атомен радиус 1,97 Å , йонен радиус Ca 2+, 1,04Å . Плътност 1,54 g/cm 3(20°C). Над 464 °C шестоъгълна ?-форма. точка на топене 851 °C, точка на кипене 1482 °C; температурен коефициент на линейно разширение 22·10 -6 (0-300 °C); топлопроводимост при 20 °C 125,6 W/(m K) или 0,3 cal/(cm sec °C); специфичен топлинен капацитет (0-100 °C) 623,9 J/(kg K) или 0,149 cal/(g °C); електрическо съпротивление при 20 °C 4,6 10 -8ом m или 4,6 10 -6 ом cm; температурният коефициент на електрическо съпротивление е 4,57·10-3 (20 °C). Модул на еластичност 26 Gn/m 2(2600 kgf/mm 2); якост на опън 60 MN/m 2(6 kgf/mm 2); граница на еластичност 4 MN/m 2(0,4 kgf/mm 2), граница на провлачване 38 MN/m 2(3,8 kgf/mm 2); относително удължение 50%; Твърдост по Бринел 200-300 Mn/m 2(20-30 kgf/mm 2). Калцият с достатъчно висока чистота е пластичен, лесно се пресова, навива и се поддава на рязане.

1.2 Химични свойства

Калцият е активен метал. Така че при нормални условия той лесно взаимодейства с атмосферния кислород и халогени:

Ca + O 2= 2 CaO (калциев оксид) (1)

Ca + Br 2= CaBr 2(калциев бромид). (2)

Калцият реагира с водород, азот, сяра, фосфор, въглерод и други неметали при нагряване:

Ca + H 2= SaN 2(калциев хидрид) (3)

Ca + N 2= Ca 3Н 2(калциев нитрид) (4)

Ca + S = CaS (калциев сулфид) (5)

Ca + 2 P = Ca 3Р 2(калциев фосфид) (6)

Ca + 2 C = CaC 2 (калциев карбид) (7)

Калцият реагира бавно със студена вода, но много енергично с гореща вода, давайки силната основа Ca(OH)2 :

Са + 2 Н 2O = Ca(OH)2 + Н 2 (8)

Като енергиен редуциращ агент, калцият може да отстранява кислород или халогени от оксиди и халогениди на по-малко активни метали, т.е. има редуциращи свойства:

Ca + Nb 2O5 = CaO + 2 Nb; (9)

Ca + 2 NbCl 5= 5 CaCl2 + 2 Nb (10)

Калцият реагира енергично с киселини, за да освободи водород, реагира с халогени и сух водород, за да образува CaH хидрид 2. Когато калцият се нагрява с графит, се образува CaC карбид. 2. Калцият се получава чрез електролиза на разтопен CaCl 2или алуминотермична редукция във вакуум:

6CaO + 2Al = 3Ca + 3CaO Al2 ЗА 3 (11)

Чистият метал се използва за редуциране на съединения на Cs, Rb, Cr, V, Zr, Th, U до метали и за дезоксидиране на стомани.

1.3 Приложение

Калцият все повече се използва в различни индустрии. Напоследък той придоби голямо значение като редуциращ агент при получаването на редица метали.

Чист метал. Уранът се получава чрез редукция на уранов флуорид с метален калций. Калцият или неговите хидриди могат да се използват за редуциране на титанови оксиди, както и оксиди на цирконий, торий, тантал, ниобий и други редки метали.

Калцият е добър дезоксидант и дегазатор при производството на мед, никел, хром-никелови сплави, специални стомани, никелови и калаени бронзи; премахва сярата, фосфора и въглерода от метали и сплави.

Калцият образува огнеупорни съединения с бисмут, така че се използва за пречистване на оловото от бисмут.

Калцият се добавя към различни леки сплави. Помага за подобряване на повърхността на блока, финия размер на зърното и намаляване на окисляването.

Лагерните сплави, съдържащи калций, са широко използвани. Оловни сплави (0,04% Ca) могат да се използват за направата на кабелни обвивки.

В технологията се използват антифрикционни сплави от калций и олово. Калциевите минерали са широко използвани. Така варовикът се използва в производството на вар, цимент, пясъчно-варови тухли и директно като строителен материал, в металургията (флюс), в химическата промишленост за производството на калциев карбид, сода, сода каустик, белина, торове, в производството на захар, стъкло.

Практическо значение имат креда, мрамор, исландски шпат, гипс, флуорит и др. Благодарение на способността си да свързва кислород и азот, калцият или калциевите сплави с натрий и други метали се използват за пречистване на благородни газове и като геттер във вакуумно радио оборудване. Калцият се използва и за производството на хидрид, който е източник на водород в областта.

2. Набавяне на калций

Има няколко начина за получаване на калций, това са електролитни, термични, вакуумно-термични.

.1 Електролитно производство на калций и неговите сплави

Същността на метода е, че катодът първоначално докосва разтопения електролит. В точката на контакт се образува течна капка метал, която добре намокря катода, която при бавно и равномерно повдигане на катода се отделя от стопилката заедно с нея и се втвърдява. В този случай втвърдената капка е покрита с твърд филм от електролит, предпазващ метала от окисляване и азотиране. Чрез непрекъснато и внимателно повдигане на катода, калцият се изтегля в пръчки.

2.2 Топлинно производство

калций химически електролитен термичен

· Процес на хлорид: Технологията се състои от топене и дехидратиране на калциев хлорид, топене на олово, производство на двойна оловно-натриева сплав, производство на тройна олово-натриево-калциева сплав и разреждане на тройната сплав с олово след отстраняване на солите. Реакцията с калциев хлорид протича по уравнението

CaCl 2 +На 2Pb 5=2NaCl + PbCa + 2Pb (12)

· Карбиден процес: Основата за производството на оловно-калциева сплав е реакцията между калциев карбид и разтопено олово съгласно уравнението

CaC 2+ 3Pb = Pb3 Ca+2C. (13)

2.3 Вакуумно-термичен метод за получаване на калций

Суровини за вакуумно-термичен метод

Суровината за термичната редукция на калциевия оксид е вар, получен чрез калциниране на варовик. Основните изисквания към суровините са следните: варът трябва да бъде възможно най-чист и да съдържа минимум примеси, които могат да бъдат редуцирани и превърнати в метал заедно с калций, особено алкални метали и магнезий. Варовикът трябва да се изпича, докато карбонатът се разложи напълно, но не преди да бъде синтерован, тъй като редуцируемостта на синтерования материал е по-ниска. Изгореният продукт трябва да бъде защитен от абсорбиране на влага и въглероден диоксид, отделянето на които по време на възстановяването намалява ефективността на процеса. Технологията за калциниране на варовик и обработката на калцинирания продукт е подобна на обработката на доломит за силикотермичен метод за производство на магнезий.

.3.1 Алуминотермичен метод за намаляване на калция

Диаграмата на температурната зависимост на промяната на свободната енергия на окисление на редица метали (фиг. 1) показва, че калциевият оксид е един от най-трайните и трудно редуцируеми оксиди. Не може да се редуцира от други метали по обичайния начин - при относително ниска температура и атмосферно налягане. Напротив, самият калций е отличен редуциращ агент за други трудни за редуциране съединения и дезоксидиращ агент за много метали и сплави. Редукцията на калциев оксид с въглерод обикновено е невъзможна поради образуването на калциеви карбиди. Въпреки това, поради факта, че калцият има относително високо налягане на парите, неговият оксид може да бъде редуциран във вакуум от алуминий, силиций или техни сплави според реакцията

CaO + Аз? Ca + MeO (14).

Досега само алуминотермичният метод за производство на калций е намерил практическо приложение, тъй като е много по-лесно да се намали CaO с алуминий, отколкото със силиций. Съществуват различни гледни точки относно химията на редукцията на калциев оксид с алуминий. L. Pidgeon и I. Atkinson смятат, че реакцията протича с образуването на калциев моноалуминат:

CaO + 2Al = CaO Al 2O3 + 3Ca. (15)

V. A. Pazukhin и A. Ya Fischer показват, че процесът протича с образуването на трикалциев алуминат:

CaO + 2Al = 3CaO Al 2O 3+ 3Ca. (16)

Според А. И. Войницки в реакцията преобладава образуването на пентакалциев триалуминат:

CaO + 6Al = 5CaO 3Al 2O3 + 9Ca. (17)

Последните изследвания на А. Ю. Тайтс и А. И. Войницки установяват, че алуминотермичната редукция на калция става стъпаловидно. Първоначално освобождаването на калций се придружава от образуването на 3CaO·AI 2О 3, който след това реагира с калциев оксид и алуминий, за да образува 3CaO 3AI 2О 3. Реакцията протича по следната схема:

CaO + 6Al = 2 (3CaO Al 2О 3)+ 2CaO + 2Al + 6Ca

(3CaO Al 2О 3) + 2CaO + 2Al = 5CaO 3Al 2O 3+ 3Ca

CaO+ 6A1 = 5CaO 3Al 2O 3+ 9Ca

Тъй като редукцията на оксида става с отделянето на парообразен калций, а останалите продукти на реакцията са в кондензирано състояние, лесно е да се отдели и кондензира в охладените зони на пещта. Основните условия, необходими за вакуумно-термична редукция на калциев оксид, са висока температура и ниско остатъчно налягане в системата. По-долу е показана връзката между температурата и равновесното налягане на калциевите пари. Изразява се свободната енергия на реакцията (17), изчислена за температури 1124-1728° К

Е Т = 184820 + 6.95T-12.1 T lg T.

Следователно логаритмичната зависимост на равновесното налягане на калциевите пари (mm Hg)

Lg p = 3,59 - 4430\T.

Л. Пиджън и И. Аткинсън експериментално определят равновесното налягане на парите на калций. Подробен термодинамичен анализ на реакцията на редукция на калциев оксид с алуминий е извършен от И. И. Матвеенко, който дава следните температурни зависимости на равновесното налягане на калциевите пари:

Lgp Ca(1) =8,64 - 12930\T mmHg.

Lgp Ca (2) =8,62 - 11780\T mmHg.

Lgp Ca (3 )=8,75 - 12500\T mmHg.

Изчислените и експерименталните данни са сравнени в табл. 1.

Таблица 1 - Ефект на температурата върху промяната на равновесната еластичност на калциевите пари в системи (1), (2), (3), (3), mm Hg.

Температура °С Експериментални данни Изчислено в системи(1)(2)(3)(3) )1401 1451 1500 1600 17000,791 1016 - - -0,37 0,55 1,2 3,9 11,01,7 3,2 5,6 18,2 492,7 3,5 4,4 6,6 9,50,66 1,4 2,5 8,5 25,7

От представените данни става ясно, че най-благоприятните условия са за взаимодействия в системи (2) и (3) или (3"). Това съответства на наблюденията, тъй като пентакалциевият триалуминат и трикалциевият алуминат преобладават в остатъците от заряда след редукция на калциев оксид с алуминий.

Данните за равновесната еластичност показват, че редукцията на калциев оксид с алуминий е възможна при температура 1100-1150 ° C. За да се постигне практически приемлива скорост на реакцията, остатъчното налягане в системата за растеж трябва да бъде под равновесното P равни , т.е. трябва да се спазва неравенството P равни >P ост и процесът трябва да се извършва при температури от порядъка на 1200°. Изследванията установяват, че при температура 1200-1250° се постига високо оползотворяване (до 70-75%) и нисък специфичен разход на алуминий (около 0,6-0,65 kg на kg калций).

Съгласно горната интерпретация на химията на процеса, оптималният състав е заряд, предназначен да образува 5CaO 3Al в остатъка 2О 3. За да се увеличи степента на използване на алуминий, е полезно да се даде известен излишък от калциев оксид, но не твърде много (10-20%), в противен случай това ще се отрази негативно на други показатели на процеса. С увеличаване на степента на смилане на алуминий от частици от 0,8-0,2 mm до минус 0,07 mm (според V. A. Pazukhin и A. Ya. Fischer), използването на алуминий в реакцията се увеличава от 63,7 до 78%.

Използването на алуминий също се влияе от режима на брикетиране на заряда. Смес от вар и алуминий на прах трябва да се брикетира без свързващи вещества (за да се избегне отделянето на газ във вакуум) при налягане от 150 kg/cm3 2. При по-ниски налягания употребата на алуминий намалява поради сегрегацията на стопения алуминий в прекалено порьозни брикети, а при високи налягания - поради лоша газопропускливост. Пълнотата и скоростта на възстановяване зависят и от плътността на брикетите в ретортата. При полагането им без пропуски, когато газопропускливостта на цялата клетка е ниска, използването на алуминий е значително намалено.

Фигура 2 - Схема за получаване на калций чрез вакуумно-термичен метод.

Технология на алуминотермичния метод

Технологичната схема за производство на калций по алуминотермичен метод е показана на фиг. 2. Като изходна суровина се използва варовик, а като редуциращ агент се използва алуминиев прах, направен от първичен (по-добър) или вторичен алуминий. Алуминият, използван като редуциращ агент, както и суровините, не трябва да съдържат примеси от силно летливи метали: магнезий, цинк, основи и др., Които могат да се изпарят и да се превърнат в кондензат. Това трябва да се вземе предвид при избора на класове рециклиран алуминий.

Според описанието на S. Loomis и P. Staub, в САЩ, в завода New England Lime Co. в Ханаан (Кънектикът), калцият се произвежда по алуминотермичен метод. Използва се вар със следния типичен състав,%: 97,5 CaO, 0,65 MgO, 0,7 SiO 2, 0,6 Fe 2Oz + AlOz, 0,09 Na 2О+К 2О, 0,5 е останалото. Калцинираният продукт се смила в мелница Raymond с центробежен сепаратор, фиността на смилане е (60%) минус 200 меша. Алуминиевият прах, който е отпадъчен продукт от производството на алуминиев прах, се използва като редуциращ агент. Изгоряла вар от затворени контейнери и алуминий от варели се подават към дозиращите везни и след това към миксера. След смесване сместа се брикетира по сух метод. В споменатия завод калцият се редуцира в ретортни пещи, които преди това са били използвани за производство на магнезий по силикотермичен метод (фиг. 3). Пещите се отопляват с генераторен газ. Всяка пещ има 20 хоризонтални реторти, изработени от топлоустойчива стомана, съдържаща 28% Cr и 15% Ni.

Фигура 3 - Ретортна пещ за производство на калций

Дължина на ретортата 3м, диаметър 254мм, дебелина на стената 28мм. В нагрятата част на ретортата се получава редукция, а в охладения край, излизащ от речта, се получава кондензация. Брикетите се въвеждат в ретортата в хартиени торби, след което се поставят кондензаторите и ретортата се затваря. Въздухът се изпомпва с помощта на механични вакуумни помпи в началото на цикъла. След това се свързват дифузионни помпи и остатъчното налягане се намалява до 20 микрона.

Ретортите се нагряват до 1200°. След 12 часа. След зареждане ретортите се отварят и разтоварват. Полученият калций е под формата на кух цилиндър от плътна маса от големи кристали, отложени върху повърхността на стоманена втулка. Основният примес в калция е магнезият, който първо се редуцира и се концентрира главно в слоя, съседен на обвивката. Средното съдържание на примеси е; 0,5-1% Mg, около 0,2% Al, 0,005-0,02% Mn, до 0,02% N, други примеси - Cu, Pb, Zn, Ni, Si, Fe - срещат се в диапазона 0,005-0,04%. A. Yu. Taits и A. I. Voinitsky използваха полузаводска електрическа вакуумна пещ с въглищни нагреватели за производство на калций по алуминотермичен метод и постигнаха степен на използване на алуминий от 60%, специфична консумация на алуминий от 0,78 kg, специфична консумация на заряд от 4,35 kg, и специфичен разход на електроенергия 14 kW/h за 1 kg метал.

Полученият метал, с изключение на добавката на магнезий, се отличава с относително висока чистота. Средно съдържанието на примеси в него е: 0,003-0,004% Fe, 0,005-0,008% Si, 0,04-0,15% Mn, 0,0025-0,004% Cu, 0,006-0,009% N, 0,25% Al.

2.3.2 Силикотермичен метод за възстановяване калций

Силикотермичният метод е много изкусителен; редукторът е феросилиций, реагент, който е много по-евтин от алуминия. Силикотермичният процес обаче е по-труден за изпълнение от алуминотермичния. Редукцията на калциев оксид от силиций протича съгласно уравнението

CaO + Si = 2CaO SiO2 + 2Ca. (18)

Равновесното налягане на парите на калция, изчислено от стойностите на свободната енергия, е:

°С1300140015001600Р, mm Hg. st0.080.150.752.05

Следователно във вакуум от порядъка на 0,01 mm Hg. Чл. редукцията на калциев оксид е термодинамично възможна при температура от 1300°. На практика, за да се осигури приемлива скорост, процесът трябва да се проведе при температура 1400-1500°.

Реакцията на редукция на калциев оксид със силикоалуминий протича малко по-лесно, при което както алуминиеви, така и силициеви сплави служат като редуциращи агенти. Експериментите са установили, че в началото преобладава редукцията с алуминий; и реакцията протича с окончателното образуване на bCaO 3Al 2Oz по описаната по-горе схема (фиг. 1). Редукцията от силиций става значителна при по-високи температури, когато по-голямата част от алуминия е реагирала; реакцията протича с образуването на 2CaO SiO 2. В обобщение, реакцията на редукция на калциев оксид със силикоалуминий се изразява със следното уравнение:

mSi + n Al + (4m +2 ?) CaO = m(2CaO ·SiO 2) + ?n(5CaO Al 2O3 ) + (2m +1, 5n) Ca.

Изследванията на А. Ю. Тайц и А. И. Войницки установяват, че калциевият оксид се редуцира с 75% феросилиций с добив на метал 50-75% при температура 1400-1450 ° във вакуум 0,01-0,03 mm Hg. чл.; силикоалуминий, съдържащ 60-30% Si и 32-58% Al (останалото е желязо, титан и др.), редуцира калциев оксид с добив на метал от приблизително 70% при температури от 1350-1400° във вакуум от 0,01-0,05 mm Hg. Чл. Експерименти в полузаводски мащаб са доказали фундаменталната възможност за производство на калций от вар с помощта на феросилиций и силикоалуминий. Основната хардуерна трудност е изборът на стойка при условията на този процес на облицовка.

При решаването на този проблем методът може да се приложи в индустрията. Разлагане на калциев карбид Получаване на калциев метал чрез разлагане на калциев карбид

CaC2 = Ca + 2C

трябва да се счита за обещаващ метод. В този случай графитът се получава като втори продукт. V. Mauderli, E. Moser и V. Treadwell, след като изчислиха свободната енергия на образуване на калциев карбид от термохимични данни, получиха следния израз за налягането на калциевите пари върху чист калциев карбид:

ок = 1,35 - 4505\T (1124-1712° K),

lgp ок = 6,62 - 13523\Т (1712-2000° К).

Очевидно търговският калциев карбид се разлага при много по-високи температури, отколкото следва от тези изрази. Същите автори съобщават за термично разлагане на калциев карбид в компактни парчета при 1600-1800 ° във вакуум от 1 mm Hg. Чл. Добивът на графит е 94%, калцият се получава под формата на плътно покритие върху хладилника. A. S. Mikulinsky, F. S. Morii, R. Shklyar за определяне на свойствата на графита, получен чрез разлагане на калциев карбид, последният се нагрява във вакуум от 0,3-1 mm Hg. Чл. при температура 1630-1750°. Полученият графит се различава от графита на Acheson по това, че има по-големи зърна, по-голяма електропроводимост и по-ниско обемно тегло.

3. Практическа част

Дневният разряд на магнезий от електролизатор при ток 100 kA е 960 kg при захранване на банята с магнезиев хлорид. Напрежението в електролизера е 0,6 V. Определете:

)Токов изход на катода;

)Количеството хлор, произведено на ден, при условие че мощността на тока на анода е равна на мощността на тока на анода;

)Ежедневно попълване на MgCl 2в електролизера, при условие че загубата на MgCl 2 възникват главно с утайки и сублимация. Количеството утайка е 0,1 на 1 t Mg, съдържащ MgCl 2 в сублимат 50%. Количеството сублимация е 0,05 t на 1 t Mg. Състав на изливания магнезиев хлорид,%: 92 MgCl2 и 8 NaCl.

.Определете изходния ток на катода:

м пр =Аз ?·k Mg · ?

?=m пр \I· ?к Mg =960000\100000·0,454·24=0,881 или 88,1%

.Определете количеството Cl, получено на ден:

x=960000g\24g\mol=40000 mol

Преобразуване в обем:

x=126785,7 m3

3.а) Намерете чист MgCl 2, за да произведе 960 kg Mg.

х=95·960\24,3=3753 кг=37,53 т.

б) загуби с утайки. От състава на магнезиевите електролизатори, %: 20-35 MgO, 2-5 Mg, 2-6 Fe, 2-4 SiO 20,8-2 TiO 20.4-1.0°С, 35 MgCl2 .

кг - 1000 кг

м уау =960 kg - маса на утайката на ден.

На ден 96 kg утайка: 96·0,35 (MgCl2 с утайка).

в) загуби със сублимати:

кг - 1000 кг

kg сублимации: 48·0,5=24 kg MgCl 2 със сублимати.

Общо Mg, което трябва да попълните:

33,6+24=3810,6 kg MgCl2 на ден

Списък на използваната литература

Основи на металургията III

<#"justify">металургия на Al и Mg. Ветюков М.М., Циплоков А.М.

Обучение

Нуждаете се от помощ при изучаване на тема?

Нашите специалисти ще съветват или предоставят услуги за обучение по теми, които ви интересуват.
Изпратете вашата кандидатурапосочване на темата точно сега, за да разберете за възможността за получаване на консултация.

Калциеви съединения.

SaO– калциев оксид или негасена вар, получена при разлагането на варовик: CaCO 3 = CaO + CO 2 е оксид на алкалоземен метал, така че активно взаимодейства с вода: CaO + H 2 O = Ca (OH) 2

Ca(OH) 2 – калциев хидроксид или гасена вар, поради което реакцията CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 се нарича гасене на вар. Ако разтворът се филтрира, резултатът е варовита вода - това е алкален разтвор, така че променя цвета на фенолфталеина на пурпурен.

Гасената вар намира широко приложение в строителството. Неговата смес с пясък и вода е добър свързващ материал. Под въздействието на въглероден диоксид сместа се втвърдява Ca (OH) 2 + CO 2 = CaCO3 + H 2 O.

В същото време част от пясъка и сместа се превръщат в силикат Ca(OH) 2 + SiO 2 = CaSiO 3 + H 2 O.

Уравненията Ca (OH) 2 + CO 2 = CaCO 2 + H 2 O и CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca (HCO 3) 2 играят голяма роля в природата и във формирането на облика на нашата планета. Въглеродният диоксид под формата на скулптор и архитект създава подземни дворци в слоевете на карбонатни скали. Той е в състояние да премести стотици и хиляди тонове варовик под земята. През пукнатини в скали водата, съдържаща разтворен в нея въглероден диоксид, навлиза във варовиковия слой, образувайки кухини - кастерни пещери. Калциевият бикарбонат съществува само в разтвор. Подземните води се движат в земната кора, изпарявайки водата при подходящи условия: Ca(HCO3) 2 = CaCO3 + H2O + CO 2 , Така се образуват сталактити и сталагмити, чиято схема на образуване е предложена от известния геохимик A.E. Ферсман. В Крим има много каструмови пещери. Науката ги изучава спелеология.

Калциев карбонат, използван в строителството CaCO3- креда, варовик, мрамор. Всички сте виждали нашата гара: тя е украсена с бял мрамор, донесен от чужбина.

опит:духнете през тръба в разтвор на варовита вода, тя става мътна .

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + Н 2 ЗА

Към образуваната утайка се добавя оцетна киселина, наблюдава се кипене, т.к отделя се въглероден диоксид.

CaCO 3 +2CH 3 COOH = Ca(CH 3 SOO) 2 +З 2 O + CO 2

ПРИКАЗКАТА ЗА КАРБОНАТНИТЕ БРАТЯ.

Трима братя живеят на земята
От семейство Карбонатни.
По-големият брат е красив МРАМОР,
Славен в името на Карара,
Отличен архитект. той
Построил Рим и Партенона.
Всеки знае ВАРОВИК,
Затова е и кръстен така.
Известен с работата си
Изграждане на къща зад къщата.
Хем можещи, хем можещи
Малък мек брат MEL.
Вижте как рисува,
Този CaCO 3!
Братята обичат да се забавляват
Загрейте в гореща фурна,
След това се образуват CaO и CO 2 .
Това е въглероден диоксид
Всеки от вас го познава,
Издишваме го.
Е, това е SaO -
Гореща негасена вар.
Добавете вода към него,
Разбъркайте старателно
За да няма проблеми,
Защитаваме ръцете си
Добре омесен ЛАЙМ, ама НАЩЪРШЕН!
Варно мляко
Стените се варосат лесно.
Светлата къща стана весела,
Превръщане на вар в тебешир.
Фокус покус за хората:
Просто трябва да духаш през водата,
Колко е лесно
Превърнал се в мляко!
И сега е доста умно
Получавам сода:
Мляко плюс оцет. ай!
Пяна се излива над ръба!
Всичко е в грижи, всичко е в работа
От зори до зори -
Тези братя карбонати,
Тези CaCO 3!

повторение: CaO– калциев оксид, негасена вар;
Ca(OH) 2 – калциев хидроксид (гасена вар, варна вода, варно мляко в зависимост от концентрацията на разтвора).
Общото нещо е същата химична формула Ca(OH) 2. Разлика: варовата вода е прозрачен наситен разтвор на Ca(OH) 2, а варното мляко е бяла суспензия на Ca(OH) 2 във вода.
CaCl 2 - калциев хлорид, калциев хлорид;
CaCO 3 – калциев карбонат, креда, черупчести мрамор, варовик.
L/R: колекции.След това демонстрираме колекция от минерали, налични в училищната лаборатория: варовик, креда, мрамор, раковина.
CaS0 4 ∙ 2H 2 0 - калциев сулфат кристален хидрат, гипс;
CaCO 3 - калцитът, калциевият карбонат е част от много минерали, които покриват 30 милиона km 2 на земята.

Най-важният от тези минерали е варовик. Раковини, варовици от органичен произход. Използва се в производството на цимент, калциев карбид, сода, всички видове вар, както и в металургията. Варовикът е в основата на строителната индустрия, от него се правят много строителни материали.

ТебеширТова не е само прах за зъби и тебешир за училище. Също така е ценна добавка при производството на хартия (с покритие - най-високо качество) и каучук; при строителство и саниране на сгради - като варосване.

Мраморът е плътна кристална скала. Има цветен - бял, но най-често различни примеси го оцветяват в различни цветове. Чистият бял мрамор е рядък и се използва главно от скулптори (статуи на Микеланджело, Роден. В строителството цветният мрамор се използва като облицовъчен материал (Московското метро) или дори като основен строителен материал на дворци (Тадж Махал).

В света на интересните неща „МАВЗОЛЕЯТ Тадж Махал“

Шах Джахан от династията на Великите Моголи държеше в страх и подчинение почти цяла Азия. През 1629 г. Мумзат Махал, любимата съпруга на Шах Джахан, умира на 39-годишна възраст по време на раждане на поход (това е 14-тото им дете, всичките момчета). Тя беше необичайно красива, ярка, умна, императорът й се подчиняваше във всичко. Преди смъртта си тя помоли съпруга си да построи гробница, да се грижи за децата и да не се жени. Натъженият цар изпратил пратениците си във всички големи градове, столиците на съседните държави - в Бухара, Самарканд, Багдад, Дамаск, за да намерят и поканят най-добрите майстори - в памет на съпругата си царят решил да издигне най-хубавата сграда в света. В същото време пратеници изпратиха планове за всички най-добри сгради в Азия и най-добрите строителни материали в Агра (Индия). Те дори донесоха малахит от Русия и Урал. Главните масони идват от Делхи и Кандахар; архитекти – от Истанбул, Самарканд; декоратори - от Бухара; градинари - от Бенгалия; художниците бяха от Дамаск и Багдад, а известният майстор Устад-Иса беше начело.

Заедно, в продължение на 25 години, е построена структура от тебеширен мрамор, заобиколена от зелени градини, сини фонтани и джамия от червен пясъчник. 20 000 роби издигат това чудо от 75 м (25 етажна сграда). Наблизо исках да построя втори мавзолей от черен мрамор за себе си, но нямах време. Той беше свален от трона от собствения си син (2-ри, а също така уби всичките си братя).

Владетелят и господарят на Агра прекарва последните години от живота си, гледайки през тесния прозорец на своя затвор. В продължение на 7 години баща ми се възхищаваше на творението си. Когато бащата ослепял, синът му направил система от огледала, за да може бащата да се любува на мавзолея. Той е погребан в Тадж Махал, до неговия Мумтаз.

Влизащите в мавзолея виждат кенотафи - фалшиви гробници. Местата за вечна почивка на Великия хан и съпругата му се намират долу в мазето. Всичко там е инкрустирано със скъпоценни камъни, които светят като живи, а клоните на приказни дървета, преплетени с цветя, красят стените на гробницата в сложни шарки. Изработени от най-добрите резбари, тюркоазено-син лапис лазули, зелено-черни нефрити и червени аметисти празнуват любовта на Шах Джахал и Мумзат Махал.

Всеки ден туристите се втурват към Агра, които искат да видят истината чудото на света - мавзолеят Тадж Махал, сякаш се носи над земята.

CaCO 3 е строителен материал за екзоскелета на мекотели, корали, раковини и др., както и черупки от яйца. (илюстрации или Животни от кораловата биоценоза” и показване на колекция от морски корали, гъби, миди).

Естествените калциеви съединения (креда, мрамор, варовик, гипс) и продуктите от тяхната най-проста обработка (вар) са известни на хората от древни времена. През 1808 г. английският химик Хъмфри Дейви електролизира мокра гасена вар (калциев хидроксид) с живачен катод и получава калциева амалгама (сплав от калций и живак). От тази сплав, след като дестилира живака, Дейви получава чист калций.
Той също така предложи името на нов химичен елемент, от латинското "calx", което означава името на варовик, креда и други меки камъни.

Намиране в природата и получаване на:

Калцият е петият най-разпространен елемент в земната кора (повече от 3%), образува много скали, много от които са базирани на калциев карбонат. Някои от тези скали са с органичен произход (раковини), което показва важната роля на калция в живата природа. Естественият калций е смес от 6 изотопа с масови числа от 40 до 48, като 40 Ca представлява 97% от общото количество. Ядрените реакции са произвели и други изотопи на калций, например радиоактивен 45 Ca.
За получаване на просто калциево вещество се използва електролиза на разтопени калциеви соли или алуминотермия:
4CaO + 2Al = Ca(AlO 2) 2 + 3Ca

Физични свойства:

Сребристосив метал с кубична лицево-центрирана решетка, много по-твърд от алкалните метали. Точка на топене 842°C, точка на кипене 1484°C, плътност 1,55 g/cm3. При високи налягания и температури от около 20 К преминава в състояние на свръхпроводник.

Химични свойства:

Калцият не е толкова активен, колкото алкалните метали, но трябва да се съхранява под слой минерално масло или в плътно затворени метални варели. Още при нормални температури той реагира с кислорода и азота във въздуха, както и с водните пари. При нагряване той гори във въздуха с червено-оранжев пламък, образувайки оксид с примес на нитриди. Подобно на магнезия, калцият продължава да гори в атмосфера на въглероден диоксид. При нагряване той реагира с други неметали, образувайки съединения, които не винаги са очевидни по състав, например:
Ca + 6B = CaB 6 или Ca + P => Ca 3 P 2 (също CaP или CaP 5)
Във всички свои съединения калцият има степен на окисление +2.

Най-важните връзки:

Калциев оксид CaO- ("негасена вар") бяло вещество, алкален оксид, който реагира енергично с вода ("загасена"), превръщайки се в хидроксид. Получава се чрез термично разлагане на калциев карбонат.

Калциев хидроксид Ca(OH) 2- (“гасена вар”) бял прах, слабо разтворим във вода (0,16g/100g), силна основа. Използва се разтвор („варовита вода“) за откриване на въглероден диоксид.

Калциев карбонат CaCO3- основата на повечето естествени калциеви минерали (креда, мрамор, варовик, ракушена скала, калцит, исландски шпат). В чистата си форма веществото е бяло или безцветно. кристали.При нагряване (900-1000 С) се разлага, образувайки калциев оксид. Не p-rim, реагира с киселини, може да се разтваря във вода, наситена с въглероден диоксид, превръщайки се в бикарбонат: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca (HCO 3) 2. Обратният процес води до появата на отлагания на калциев карбонат, по-специално образувания като сталактити и сталагмити
Среща се и в природата като част от доломит CaCO 3 * MgCO 3

Калциев сулфат CaSO 4- бяло вещество, в природата CaSO 4 * 2H 2 O („гипс“, „селенит“). Последният при внимателно нагряване (180 ° C) се превръща в CaSO 4 * 0,5 H 2 O („изгорял гипс“, „алабастър“) - бял прах, който при смесване с вода отново образува CaSO 4 * 2H 2 O под формата на твърд, доста издръжлив материал. Той е слабо разтворим във вода, но може да се разтвори в излишък от сярна киселина, образувайки водороден сулфат.

Калциев фосфат Ca 3 (PO 4) 2- ("фосфорит"), неразтворим, под въздействието на силни киселини се превръща в по-разтворими калциеви хидро- и дихидрогенфосфати. Изходна суровина за производство на фосфор, фосфорна киселина, фосфорни торове. Калциевите фосфати също са включени в апатитите, природни съединения с приблизителната формула Ca 5 3 Y, където Y = съответно F, Cl или OH, флуор, хлор или хидроксиапатит. Наред с фосфорита, апатитите са част от костния скелет на много живи организми, вкл. и човек.

Калциев флуорид CaF 2 - (естествено:"флуорит", "флуорит"), неразтворимо вещество с бял цвят. Естествените минерали имат различни цветове поради примеси. Свети на тъмно при нагряване и UV лъчение. Повишава течливостта („топимостта“) на шлаките при производството на метали, което обяснява използването му като поток.

Калциев хлорид CaCl2- безцветен Христос. Той е добре разтворим във вода. Образува кристален хидрат CaCl 2 *6H 2 O. Безводният ("кондензиран") калциев хлорид е добър десикант.

Калциев нитрат Ca(NO 3) 2- ("калциев нитрат") безцветен. Христос. Той е добре разтворим във вода. Неразделна част от пиротехническите композиции, която придава на пламъка червено-оранжев цвят.

Калциев карбид CaС 2- реагира с вода, образувайки ацетилен, например: CaС 2 + H 2 O = С 2 H 2 + Ca(OH) 2

Приложение:

Металният калций се използва като силен редуциращ агент при производството на някои трудно редуцируеми метали ("калциотермия"): хром, редкоземни елементи, торий, уран и др. В металургията на мед, никел, специални стомани и бронз , калцият и неговите сплави се използват за отстраняване на вредни примеси от сяра, фосфор, излишък от въглерод.
Калцият се използва и за свързване на малки количества кислород и азот при получаване на висок вакуум и пречистване на инертни газове.
Излишните от неутрони 48 Ca йони се използват за синтеза на нови химични елементи, например елемент № 114, . Друг изотоп на калция, 45Ca, се използва като радиоактивен индикатор в изследванията на биологичната роля на калция и неговата миграция в околната среда.

Основната област на приложение на множество калциеви съединения е производството на строителни материали (цимент, строителни смеси, гипсокартон и др.).

Калцият е един от макроелементите в живите организми, образувайки съединения, необходими за изграждането както на вътрешния скелет на гръбначните, така и на външния скелет на много безгръбначни, черупката на яйцата.
Калциевите йони също участват в регулирането на вътреклетъчните процеси и определят съсирването на кръвта. Липсата на калций в детска възраст води до рахит, в напреднала възраст - до остеопороза. Източник на калций са млечните продукти, елдата, ядките, а усвояването му се улеснява от витамин D. При липса на калций се използват различни лекарства: калцекс, разтвор на калциев хлорид, калциев глюконат и др.
Масовата част на калция в човешкото тяло е 1,4-1,7%, дневната нужда е 1-1,3 g (в зависимост от възрастта). Прекомерният прием на калций може да доведе до хиперкалцемия - отлагане на неговите съединения във вътрешните органи и образуване на кръвни съсиреци в кръвоносните съдове. източници:
Калций (елемент) // Wikipedia. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Calcium (дата на достъп: 03.01.2014 г.).