Кальций

Общие сведения и методы получения

Кальций (Са) — серебристо-белый металл. Открыт английским химиком Дэви в 1808 г., однако в чистом виде получен только в 1855 г. Бунзеном и Матиссеном путем электролиза расплавленного хлористого кальция. Промышленный способ получения кальция разработан Зутером и Ред-лихом в 1896 г. на заводе Ратенау (Германия). В 1904 г. в Биттерфель-де начал работать первый завод по получению кальция.

Свое название элемент получил от латинского calx ( calcis ) — известь.

Содержание кальция в земной коре 3,60 % (по массе).

В свободном состоянии в природе не встречается. Входит в состав осадочных и метаморфических пород. Чаще всего встречаются карбонат­ные породы (известняк, мел). Кроме того, кальций содержится во мно­гих минералах: гипсе, кальците, доломите, мраморе и др.

В известняке присутствует не менее 40 % углекислого кальция, в кальците — 56 % СаО, в доломите — 30,4 % СаО, в гипсе — 32,5 % СаО. Кальций содержится в почве и морской воде (0,042 %).

Металлический кальций и его сплавы получают электролитическим и металлотермичсским способами. Электролитические способы основаны на электролизе расплавленного хлористого кальция. Получающийся металл содержит СаС1₂, поэтому его переплавляют, а для получения высокочистого кальция перегоняют. Оба процесса проводят в вакууме.

Кальций получают также методом алюминотермического восстанов­ления в вакууме, а также термической диссоциацией карбида кальция.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 20, атомная масса 40,08 а. е. м., атомный объем 26,20• 10^_6 м³/моль, атомный радиус 0,197 нм, ионный радиус (Са²+) 0,104 нм Конфигурация внешних электронных оболочек Зр ^е 4А². Значения потенциалов ионизации атомов / (эВ): 6,111; 11,87; 51,21. Электроотрицательность 1,0. Кристаллическая решетка г. ц. к. с периодом а =0,556 нм (координационное число 12), переходящая около 460 °С в гексагональную с а=0,448 нм (координационное число 6;6). Энергия кристаллической решетки 194,1 мкДж/кмоль.

Природный кальций состоит из смеси шести стабильных изотопов (⁴⁰Са, ⁴²Са, ⁴³Ca , ⁴⁴Са, ⁴⁶Са, ⁴⁸Са), из которых наиболее распространен ⁴⁰Са (96,97 %). Остальные изотопы (³⁹Са, "Са, ⁴⁵Са, ⁴⁷Са и ⁴⁹Са) об­ладают радиоактивными свойствами и могут быть получены искусст-иенным путем.

Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 0,44*10^-28 м². Работа выхода электронов ср = 2,70-н 2,80 эВ. Работа вы­хода электронов для грани (100) монокристалла 2,55 эВ.

Плотность. Плотность кальция при 20 °С р= 1,540 Мг/м³, а при 480°С 1,520 Мг/м³, жидкого (865°С) 1,365 Мг/м³.

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Са—2е^=Са²+ ср=—2,84 В. В соединениях проявляет степень окисления +2.

Кальций — химически очень активный элемент, вытесняет почти все металлы из их оксидов, сульфидов и галогенидов. Медленно взаимо­действует с холодной водой, при этом выделяется водород, в горячей ЗВде образуется гидроксид. С сухим воздухом при комнатной темпе­ратуре кальций не реагирует, при нагреве до 300 °С и выше сильно окисляется, а при дальнейшем нагреве, особенно в присутствии кисло­рода, воспламеняется, образуя СаО; теплота образования АЯ₀йр = = 635,13 кДж/моль.

При взаимодействии с водородом при 300—400 °С образуется гид­рид кальция СаН₂ (ДЯ₀бр= 192,1 кДж/моль), с кислородом прочное ч. высокотемпературное соединение СаО. С фосфором кальций образует устойчивое и прочное соединение Са₃Р₂, а с углеродом — карбид СаС₂. С фтором, хлором, бромом и ио­дом взаимодействует, образуя CaF ₂ , СаС1₂, СаВг₂, Са1₂. При нагревании кальции с серой образуется сульфид CaS , с кремнием — силициды Ca ₂ Si , CaSi и CaSi ₂ .

Концентрированная азотная кислота и концентрированный раствор NaOH слабо взаимодействуют с кальцием, а разбавленная азотная кис­лота бурно. В крепкой серной кислоте кальций покрывается защитной пленкой CaS 0₄, которая препятствует дальнейшему взаимодействию; разбавленная H ₂ S 0₄ действует слабо, разбавленная соляная кислота — сильно.

С большинством металлов кальций взаимодействует, образуя твер­дые растворы и химические соединения.

Нормальный электронный потенциал ф₀ = —2,84 В. Электрохимиче­ский эквивалент 0,20767 мг/Кл.

Технологические свойства

Благодаря высокой пластичности кальция его можно подвераать обра­ботке давлением всех видов. При 200—460 °С он хорошо прессуется, прокатывается в листы, куется, из него легко получают проволоку и другие полуфабрикаты. Кальций хорошо обрабатывается резанием (об­точка на токарном, сверлильном и других станках).

Области применения

Применение металлического кальция обусловлено его высокой химиче­ской активностью. Поскольку при повышенной температуре кальций мо­жет энергично соединяться со всеми газами, кроме инертных, его ис­пользуют для промышленной очистки аргона и гелия, а также в каче­стве газопоглотителя в высоковакуумных приборах, например элек­тронных трубках и т. д.

В металлургии кальций используют в качестве раскислителя и де-сульфуратора стали; при очистке свинца и олова от висмута и сурь­мы; в качестве восстановителя при получении тугоплавких редких ме­таллов, обладающих высоким сродством к кислороду (циркония, ти­тана, тантала, ниобия, тория, урана и др.); в качестве легирующей добавки к свинцово-кальциевым баббитам для повышения их механиче­ских и антифрикционных свойств

Сплав свинца с 0,04 % Са обладает повышенной твердостью по срав­нению с чистым свинцом. Небольшие добавки (0,1 %) кальция повы­шают устойчивость против ползучести. Сплав кальция (до 70 %) с цин­ком используется тля изготовления пенобетона.

Широко применяются лигатуры кальция с кремнием и марганцем, с алюминием и кремнием в качестве раскислителей и добавок в произ­водстве легких сплавов

Присадка кальцийлитиевых лигатур в незначительных количествах к сплавам на основе железа (чугуну, углеродистым и специальным ста­лям) увеличивает их жидкотекучесть и заметно повышает твердость и временное сопротивление.

Широкое применение получили соединения кальция. Так, оксид каль­ция используют в стекольном производстве, для футеровки печей, по­лучения гашеной извести. Гидросульфит кальция применяют в произ­водстве искусственного волокна и для очистки каменноугольного газа.

Хлорная известь используется как" отбеливающее средство в текстиль­ной и целлюлозно-бумажной промышленности, а также как дезинфици­рующее средство. Пероксид кальция идет на приготовление гигиениче­ских и косметических препаратов, а также зубных паст. Сульфид каль­ция служит для получения фосфоресцирующих препаратов, а в коже­венной промышленности — для удаления волосяного покрова кожи. Соединения кальция с мышьяком ядовиты и опасны. Их используют для уничтожения вредителей сельского хозяйства. Соединения кальция с фосфором и цианамиды кальция служат для получения удобрений (суперфосфат, азотистые удобрения и др.). Широко применяются ми­нералы — мрамор, гипс, известняк, доломит и т. д.