Кальций

Кальций (лат. Calcium; Ca) — IV период, II топтың негізгі топшасының элементі. Реттік немірі 20, ендеше ядросында 20 протон мен 20 нейтроны бар (А_r=40), электрондарының жалпы саны да 20. Кальцийдің электрондық формуласы ls²2s²2p⁶3s²3p⁶4s², валенттілік электрондары 4s² болғандықтан кальций косылыстарында II валентті.

20 Калий ← Кальций → Скандий Mg ↑ Ca ↓ Sr Периодическая система элементов 20Ca
Жай заттың сыртқы бейнесі
Орташа қатты күміс-ақ металл
Атом қасиеті
Атауы, символ, нөмірі	Кальций, 20
Топ типі	Сілтілік жер металдар
Топ, период, блок	2, 4, s
Атомдық масса (молярлық масса)	40,078 м. а. б. (г/моль)
Электрондық конфигурация	[Ar] 4s2
Қабықшалар бойынша электрондар	2, 8, 8, 2
Атом радиусы	197 пм
Химиялық қасиеттері
Ковалентті радиус	176±10 пм
Ван-дер-Ваальс радиусы	231 пм
Ион радиусы	(+2e) 99 пм
Электртерістілігі	1,00 (Полинг шкаласы)
Электродты потенциал	−2,76 В
Тотығу дәрежелері	2
Иондалу энергиясы	1-ші: 589,4 (6,11) кДж/моль (эВ) 2-ші: 1145.4 кДж/моль (эВ) 3-ші: 4912.4 кДж/моль (эВ)
Жай заттың термодинамикалық қасиеттері
Термодинамикалық фаза	Қатты дене
Тығыздық (қ.ж.)	1,55 г/см³
Балқу температурасы	1112 К; 838,85 °C
Қайнау температурасы	1757 К; 1483,85 °C
Балқу жылуы	9,20 кДж/моль
Булану жылуы	153,6 кДж/моль
Молярлық жылусыйымдылық	25,9 Дж/(K·моль)
Молярлық көлем	29,9 см³/моль
Қаныққан бу қысымы P (Па) 1 10 100 1000 10 000 100 000 T (К) 864 956 1071 1227 1443 1755
Жай заттың кристаллдық торы
Тор құрылымы	текше бетке бағытталған
Тор параметрлері	5,580 Å
Дебай температурасы	230 K
Басқа да қасиеттері
Жылуөткізгіштік	(300 K) (201) Вт/(м·К)
Юнг модульі	20 ГПа
Жылжу модульі	7.4 ГПа
Пуассон коэффициенті	0.31
Моос қаттылығы	1.75
Бринеллий қаттылығы	170–416 МПа
CAS нөмірі	7440-70-2

Кальций Ca

Табиғатта таралуы

Табиғи қосылыстары:

• сульфаттар - ғаныш CaSO₄• 2Н2O;
• карбонаттар - кальцит СаСO₃, доломит СаСO₃ • 2MgCO₃;
• фосфаттары - фосфорит Са₃(РO₄)₂, апатит Са₅(РO₄)₃OН, фторапатит Са₅(Р0₄₎₃F, флюорит СаF₂.

Алынуы

Кальцийді кальций хлоридінің электролиз үдерісі арқылы алынады.

${\ce {CaCl2 <-> Ca^2- + 2Cl^+}}$

Физикалық қасиеттері

Кальций ақ түсті, жеңіл (р=1,55 г/см³), сілтілік металдардан қаттырақ зат, керосиннің астында сақталады.

Атымдық нөмірі 20; атомдық массасы 40,08; балқу температурасы 842°С; қайнау температурасы 1495°С; тығыздығы 1,55 г/см². Кальцийді 1808 жылы ағылшын ғалымы Г.Дэви ашқан. Түсі күмістей ақ, жеңіл металл, белгілі изотоптары 14, табиғи изотоптары 6. Негізгі минералдары: кальцит, ангидрит, гипс, флюорит, апатит, т.б.

Химиялық қасиеттері

Кальций белсенді металл болғандықтан көптеген реакцияларға түседі.

Жай заттармен

1. Са + Н₂ = СаН₂ кальций гидриді
2. Са + Сl₂ = СаСl₂ кальций хлориді
3. 2Са + О₂ = 2СаО кальций оксиді
4. 6Са + 2N₂СаN кальций нитриді
5. Ca + 2С =СаС₂ кальций карбиді

Күрделі заттармен

1. Ca + 2НОН = Са(ОН)₂ + Н₂↑
2. Ca + 2HCl=СаСl₂ + Н₂↑

Осы реакциялардың барлығында кальций - тотықсыздандырғыш.

Оттекпен оңай әрекеттесіп, қыздырғанда жанады. Металлоидтармен тікелей әрекеттеседі. Кальций металын өнеркәсіпте екі жолмен алады:

1. электролиз әдісімен алу үшін балқыған Калций хлориді (CaCl₂) арқылы тұрақты ток жіберіп, катодта таза Калций металын алады;
2. екінші әдіс Al не Mg ұнтағының әктаспен аралас қоспасын вакуумда 1100 – 1200°С-та қыздыру арқылы алады. Калций көмегімен уран, торий, ванадий, хром, цирконий, бериллий, тантал сияқты қиын балқитын, сирек те шашыранды, ілеспе металдарды тотықсыздандырып өндіреді.

Кальцийдің қосылыстары

Кальций оксиді — ақ түсті қиын балқитын зат. Техникада оны "сөндірілмеген әк" деп атайды. Оны әктасты жоғары температурада (1000 C⁰ шамасында) қыздырып, ыдырату арқылы алады:

СаС0₃ =^t= СаО + СО₂↑- 180кДж

Кальций оксиді — нағыз негіздік оксид. Кальций сілтілікжер металл болғандықтан, оның оксиді сумен оңай әрекеттесіп кальций гидроксидін, яғни сілтісін түзеді:
СаО + Н₂O = Са(ОН)₂ + 70 кДж

Бұл реакция өте қуатты жүреді, су бұрқылдап "қайнап" жатады, тіпті біразы буланады. Нөтижесінде, сөндірілген әк деп аталатын көпсіген кеуек ақ ұнтақ түзіледі. Кальций гидроксиді суда аз ериді. Оның қанық ерітіндісі лабораторияда әк суы деген атпен жиі колданылады. Кальций гидроксиді ерітіндіде иондарға толық диссоциацияланады:

Са(ОН)₂ = Са⁺² + 2ОН

Сілті ерітіндісінің түзілгені фенолфталеиннің таңқурай түске боялуынан байқалады. Кальций гидроксиді қышқылдармен және қышқылдық оксидтермен әрекеттесіп бейтараптанады. Бұл реакцияны зертханада көмірқышқыл газын анықтау үшін қолданады. Әқ суына көмір қышқыл газын жібергенде, ол алдымен ерімейтін карбонат түзіп, лайлана бастайды:

Са(ОН)₂ + CO₂ = СаСО₃↓ + Н₂О

Газды одан өрі жібере берсе, лай көрінбей кетеді, өйткені суда ерімейтін орта тұз ерімтал қышқыл тұзға айналады:

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ = Са(НСО₃)₂

Қатты күйдегі кальций гидроксидінің Са(ОН), судағы жүзгіні, түсі ақ болғандықтан, техникада әк суті деп аталады. Сөндірілген өк құрылыста кеңінен қолданылады. Әк сүтін құрылыста әктеу үшін пайдаланады, ал сөндірілген өктің күммен қоспасын кірпіш қалаганда және сылағанда байланыстырушы зат ретінде жүмсайды. Бүл коспа ауада біртіндеп "ұстасып" қатая бастайды, себебі көмірқышқыл газымен әрекеттесіп, қатты карбонат (бор) түзеді.

Кальций тұздарының құрылыста үлкен маңызы бар. Олардың сумен химиялық байланысып, кристалгидраттар түзетін қабілетін кеңінен пайдаланады. Мәселен, табиғи гипсті CaS0₄ • 2Н₂0 өртегенде, өзінің кристалдық суының біразын жоғалтып, алебастрға айналады:

CaS0₄ • 2НгО = CaS0₄ • 0,5Н₂O + 1,5Н₂O

Алебастр ұнтағын сумен араластырғанда кері реакция жүріп, қайтадан гипс түзіп катаяды. Гипстің бұл қасиетін тек құрылыста қолданып коймайды, оны өшекейлік бедер, статуэткалар жасағанда және медицинада пайдаланады.

Көпшілікке белгілі цементтің күрамында кальцийдің силикаттары мен алюминаттары жүреді. Бұл тұздарды күммен қосып араластырғанда қатая бастайды, ейткені түзілетін кристалдар өзара ұстасып, берік материалға айналады.

Табиғаттағы кальций қосылыстарының айналымы. Табиғатта жүретін көптеген процестер кальций түздарымен байланысты болады. Осындай процестің моделі ретінде жоғарыда қарастырылған кальций карбонатының гидрокарбонатқа айналуын және оған кері реакцияларды алуға болады. Жаңбыр және басқа да табиғи сулар ауадағы кемірқышкыл газын ерітіп, көмір қышқылын түзеді:

H₂O + CO₂ ↔ H₂CO₃

Қышкыл ерітіндісі топыраққа сіңіп, жолында әктасының қорын кездестірсе, оны ерітіп, карбонатты гидрокарбонатқа айналдырады. Гидрокарбонат оңай еріп кетеді, нәтижесінде әктасының қалың жынысында үлкен бос кеңістік ("карсты үңгірлер") пайда болады. Кальций гидрокарбонатының ерітіндісі баяу ыдырайды, ал кыздырғанда, бұл процесс күшейе түседі: 
Са(НСO₃)₂ =^t= CaCO₃↓ + Н₂O + CO₂↑

Карбонаттардың гидрокарбонаттарға айналуы және кері жүретін процесс атмосферада көмірқышқыл газының шамасын (ауада 0,3% CO, бар) тұрақты ұстап тұруға тікелей әсер етеді. Ауадағы С0₂ мөлшері арта бастаса, оның суда еруі молайып, мұхиттағы өктастар оны байланыстырып, ерімтал түзға айналдырады. Ал көмірқышқыл газы азая бастаса, мүхиттагы гидрокарбонаттар ыдырап, С0₂ бөле бастайды, сөйтіп, ерімейтін карбонаттарды түнбаға түсіреді.

Кальцийдің қоспалары табиғатта кең таралған. Кальций қосылыстарының бір-біріне айналуы, табиғаттағы кальцийдің айналымын іске асырады, сөйтіп, көптеген геологиялық процестер жүреді. Осылайша бір-біріне айналуының нәтижесінде кальцийдің қосылыстары адам өмірінде маңызды рөл атқарады. Кальцийдің қосылыстары құрылыста кеңінен қолданылады.

Қолданылуы

Калций инертті газды тазартып болат, никель, мыс, т.б. металдарды балқыту үшін қоспа ретінде пайдаланылады.