Ка́льций (лат. Calcium), Ca, химический элемент II группы короткой формы (2-й группы длинной формы) периодической системы; относится к щёлочноземельным металлам; атомный номер 20; атомная масса 40,078 а. е. м. В природе существует 6 стабильных изотопов: ⁴⁰Ca (96,941 %), ⁴²Ca (0,647 %), ⁴³Ca (0,135 %), ⁴⁴Ca (2,086 %), ⁴⁶Ca (0,004 %), ⁴⁸Ca (0,187 %); искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 34–54.

Историческая справка

Многие природные соединения кальция были известны в глубокой древности и широко применялись в строительстве (например, гипс, известь, мрамор). Металлический кальций впервые выделен Г. Дэви в 1808 г. при электролизе смеси оксидов CaO и HgO и последующем разложении образовавшейся амальгамы кальция. Название происходит от латинского calx (род. падеж calcis) – известь, мягкий камень.

Распространённость в природе

Содержание кальция в земной коре составляет 3,38 % по массе. Из-за высокой химической активности в свободном состоянии не встречается. Наиболее распространены минералы анортит Ca[Al₂Si₂O₈], ангидрит CaSO₄, апатит Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH), гипс CaSO₄·2H₂O, кальцит и арагонит CaCO₃, перовскит CaTiO₃, флюорит CaF₂, шеелит CaWO₄. Минералы кальция входят в состав осадочных (например, известняк), магматических и метаморфических горных пород. Соединения кальция содержатся в живых организмах: являются основными компонентами костных тканей позвоночных (гидроксиапатит, фторапатит), скелетов кораллов, раковин моллюсков (карбонат и фосфаты кальция) и др. Присутствие ионов Ca²⁺ определяет жёсткость воды.

Ангидрит. г. Найка (штат Чиуауа, Мексика).Ангидрит. г. Найка (штат Чиуауа, Мексика).

Свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома кальция 4s²; в соединениях проявляет степень окисления +2, редко +1; электроотрицательность по Полингу 1,00; атомный радиус 180 пм, радиус иона Ca²⁺ 114 пм (координационное число 6). Кальций – серебристо-белый мягкий металл; до 443 °C устойчива модификация с кубической гранецентрированной кристаллической решёткой, выше 443 °C – с кубической объёмноцентрированной решёткой; t_пл 842 °C, t_кип 1484 °C, плотность 1550 кг/м³ (при 20 °C); теплопроводность 125,6 Вт/(м·К).

Образец металлического кальция. Фото: Bjoern Wylezich / ShutterstockОбразец металлического кальция. Фото: Bjoern Wylezich / ShutterstockКальций – металл высокой химической активности (хранят в герметически закрытых сосудах или под слоем минерального масла). При нормальных условиях легко взаимодействует с кислородом (образуется кальция оксид CaO), при нагревании – с водородом (гидрид CaH₂), бором (борид CaB₆), углеродом (карбид кальция CaC₂), кремнием (силициды Ca₂Si, CaSi, CaSi₂, Ca₃Si₄), азотом (нитрид Ca₃N₂), фосфором (фосфиды Ca₃P₂, CaP, CaP₅), халькогенами (халькогениды состава CaX, где X – S, Se, Te). Интенсивно реагирует с галогенами с образованием галогенидов. Кальций взаимодействует с другими металлами (Li, Cu, Ag, Au, Mg, Zn, Al, Pb, Sn и др.) с образованием интерметаллидов. Металлический кальций взаимодействует с водой с образованием гидроксида кальция Ca(OH)₂ и H₂. Энергично взаимодействует с большинством кислот, образуя соответствующие соли (например, нитрат кальция, сульфат кальция, фосфаты кальция). Растворяется в жидком аммиаке с образованием тёмно-синего раствора с металлической проводимостью. При испарении аммиака из такого раствора выделяется аммиакат [Ca(NH₃)₆]. Постепенно кальций взаимодействует с аммиaком с образованием амида Ca(NH₂)₂. Образует различные комплексные соединения, наибольшее значение имеют комплексы с кислородсодержащими полидентатными лигандами, например комплексонаты Ca.

Биологическая роль

Кальций относится к биогенным элементам. Суточная потребность человека в кальции – около 1 г. В живых организмах ионы кальция участвуют в процессах сокращения мышц, передачи нервных импульсов.

Получение

Металлический кальций получают электролитическим и металлотермическим способами. Электролитический способ основан на электролизе расплавленного хлорида кальция с катодом касания или жидким медно-кальциевым катодом. Из образующегося медно-кальциевого сплава отгоняют кальций при температуре 1000–1080 °C и давлении 13–20 кПа. Металлотермический способ основан на восстановлении кальция из его оксида алюминием или кремнием при 1100–1200 °C. При этом образуется алюминат или силикат кальция, а также газообразный кальций, который затем конденсируют. Мировое производство соединений кальция и материалов, содержащих кальций, около 1 млрд т/год (1998).

Применение

Кальций применяют в качестве восстановителя при получении многих металлов (Rb, Cs, Zr, Hf, V и др.). Силициды кальция, а также сплавы кальция с натрием, цинком и другими металлами используют в качестве раскислителей и десульфураторов некоторых сплавов и нефти, для очистки аргона от кислорода и азота, в электровакуумных приборах в качестве поглотителя газов. Хлорид CaCl₂ используют в качестве осушителя в химическом синтезе, гипс применяют в медицине. Cиликаты кальция являются основными компонентами цемента.