Строение атома кальция

Характеристика кальция. Свойства кальция. Формула кальция

Строение атома кальция

Среди всех элементов периодической системы можно выделить несколько таких, без которых не просто развиваются различные заболевания у живых организмов, но и вообще невозможно нормально жить и расти. Один из таких – кальций.

Интересно, что когда речь идет об этом металле, как простом веществе, то никакой пользы для человека он не имеет, даже вред. Однако стоит только упомянуть об ионах Са2+, как сразу возникает масса пунктов, характеризующих их важное значение.

Положение кальция в периодической системе

Характеристика кальция, как и любого другого элемента, начинается с указания его места положения в периодической системе. Ведь она дает возможность многое узнать о данном атоме:

  • заряд ядра;
  • количество электронов и протонов, нейтронов;
  • степень окисления, высшую и низшую;
  • электронную конфигурацию и прочие важные вещи.

Рассматриваемый нами элемент располагается в четвертом большом периоде второй группе, главной подгруппе и имеет порядковый номер 20. Также химическая таблица Менделеева показывает атомный вес кальция – 40,08, что является усредненным значением существующих изотопов данного атома.

Степень окисления одна, всегда постоянна, равна +2. Формула высшего оксида СаО. Латинское название элемента calcium, отсюда символ атома Са.

При обычных условиях данный элемент представляет собой металл, серебристо-белого цвета. Формула кальция как простого вещества – Са. Вследствие высокой химической активности, способен образовывать множество соединений, относящихся к разным классам.

В твердом агрегатном состоянии в состав организма человека не входит, поэтому представляет значение для промышленных и технических нужд (в основном химические синтезы).

Является одним из самых распространенных по доле в земной коре металлов, около 1,5 %. Относится к группе щелочноземельных, так как при растворении в воде дает щелочи, но в природе встречается в виде множественных минералов и солей. Очень много кальция (400 мг/л) включено в состав морской воды.

Кристаллическая решетка

Характеристика кальция объясняется строением кристаллической решетки, которая у него может быть двух типов (так как существует альфа и бета форма):

  • кубическая гранецентрическая;
  • объемноцентрическая.

Тип связи в молекуле – металлическая, в узлах решетки, как и у всех металлов – атом-ионы.

Нахождение в природе

Существует несколько основных веществ в природе, которые содержат данный элемент.

  1. Морская вода.
  2. Горные породы и минералы.
  3. Живые организмы (раковины и панцири, костные ткани и так далее).
  4. Подземные воды в земной коре.

Можно обозначить следующие виды горных пород и минералов, которые являются природными источниками кальция.

  1. Доломит – смесь карбоната кальция и магния.
  2. Флюорит – фторид кальция.
  3. Гипс – CaSO4 · 2H2O.
  4. Кальцит – мел, известняк, мрамор – карбонат кальция.
  5. Алебастр – CaSO4·0.5H2O.
  6. Апатиты.

Всего выделяют около 350 различных минералов и горных пород, которые содержат кальций.

Способы получения

В свободном виде выделить металл долгое время не удавалось, так как его химическая активность высока, в природе в чистом виде не встретишь. Поэтому вплоть до XIX века (1808 года) рассматриваемый элемент был еще одной загадкой, которую несла таблица Менделеева.

Кальций как металл сумел синтезировать английский химик Гемфри Дэви. Именно он первым обнаружил особенности взаимодействия расплавов твердых минералов и солей с электрическим током. На сегодняшний день до сих пор самым актуальным способом получения данного металла является электролиз его солей, таких как:

  • смесь хлоридов кальция и калия;
  • смесь фторида и хлорида кальция.

Также можно извлечь кальций из его оксида при помощи распространенного в металлургии метода алюминотермии.

Физические свойства

Характеристика кальция по физическим параметрам может быть описана несколькими пунктами.

  1. Агрегатное состояние – при обычных условиях твердое.
  2. Температура плавления – 842 0С.
  3. Металл мягкий, может резаться ножом.
  4. Цвет – серебристо-белый, блестящий.
  5. Обладает хорошими проводниковыми и теплопроводными свойствами.
  6. При длительном нагревании переходит в жидкое, затем парообразное состояние, теряя металлические свойства. Температура кипения 1484 0С.

Физические свойства кальция имеют одну особенность. Когда на металл оказывается давление, то он в какой-то момент времени теряет свои металлические свойства и способность к электропроводимости. Однако при дальнейшем увеличении воздействия вновь восстанавливается и проявляет себя как сверхпроводник, в несколько раз превышающий по данным показателям остальные элементы.

Химические свойства

Активность данного металла очень высока. Поэтому существует множество взаимодействий, в которые вступает кальций. Реакции со всеми неметаллами для него – обычное дело, ведь как восстановитель он очень силен.

  1. При нормальных условиях легко реагирует с образованием соответствующих бинарных соединений с: галогенами, кислородом.
  2. При нагревании: водород, азот, углерод, кремний, фосфор, бор, сера и прочие.
  3. На открытом воздухе сразу взаимодействует с углекислым газом и кислородом, поэтому покрывается серым налетом.
  4. С кислотами реагирует бурно, иногда с воспламенением.

Интересные свойства кальция проявляются, когда речь идет о нем в составе солей. Так, красивые пещерные сталактиты и сталагмиты, вырастающие на потолке и стенах, это не что иное, как карбонат кальция, образовавшийся со временем из воды, углекислого газа и гидрокарбоната под влиянием процессов внутри подземных вод.

Учитывая, насколько металл активен в обычном состоянии, хранят его в лабораториях, как и щелочные. В темной стеклянной посуде, с плотно закрытой крышкой и под слоем керосина или парафина.

Качественная реакция на ион кальция – это окраска пламени в красивый, насыщенный кирпично-красный цвет. Также идентифицировать металл в составе соединений можно по нерастворимым выпадающим осадкам некоторых его солей (карбонат кальция, фторид, сульфат, фосфат, силикат, сульфит).

Соединения металла

Разновидности соединений металла следующие:

  • оксид;
  • гидроксид;
  • соли кальция (средние, кислые, основные, двойные, комплексные).

Оксид кальция известен как негашеная известь. СаО используется для создания строительного материала (извести). Если загасить оксид водой, то получится соответствующий гидроксид, проявляющий свойства щелочи.

Большое практическое значение имеют именно различные соли кальция, которые используются в разных отраслях хозяйства. Какие именно существуют соли, мы уже упоминали выше. Приведем примеры по типам этих соединений.

  1. Средние соли – карбонат СаСО3, фосфат Са3(РО4)2 и другие.
  2. Кислые – гидросульфат CaHSO4.
  3. Основные – гидрокарбонат (СаОН)3PO4.
  4. Комплексные – [Ca (NH3)8] Cl2.
  5. Двойные – 5Ca(NO3)2*NH4NO3*10H2O.

Именно в форме соединений данного класса кальций имеет значение для биологических систем, так как источником ионов для организма являются соли.

Биологическая роль

Чем же важен кальций для организма человека? Причин несколько.

  1. Именно ионы этого элемента входят в состав межклеточного вещества и тканевой жидкости, участвуя в регуляции механизмов возбуждения, выработки гормонов и нейромедиаторов.
  2. Кальций накапливается в костях, зубной эмали в количестве около 2,5% от общей массы тела. Это достаточно много и играет важную роль в укреплении этих структур, сохранении их прочности и устойчивости. Рост организма без этого невозможен.
  3. Свертываемость крови также зависит от рассматриваемых ионов.
  4. Входит в состав сердечной мышцы, участвуя в ее возбуждении и сокращении.
  5. Является участником процессов экзоцитоза и других внутриклеточных изменений.

Если количество потребляемого кальция будет недостаточно, то возможно развитие таких заболеваний, как:

  • рахит;
  • остеопороз;
  • заболевания крови.

Суточная норма для взрослого человека – 1000 мг, а для детей от 9 лет 1300 мг. Для того чтобы не допустить переизбыток этого элемента в организме, следует не превышать указанной дозы. В противном случае могут развиться заболевания кишечника.

Для всех остальных живых существ кальций не менее важен. Например, многие беспозвоночные животные хоть и не имеют скелета, однако наружные средства укрепления их также являются образованиями этого металла. Среди них:

  • моллюски;
  • мидии и устрицы;
  • губки;
  • коралловые полипы.

Все они носят на своей спине или в принципе формируют в процессе жизнедеятельности некий наружный скелет, защищающий их от внешних воздействий и хищников. Основная составная часть его – соли кальция.

Позвоночные животные, как и человек, нуждаются в рассматриваемых ионах для нормального роста и развития и получают их с пищей.

Кальций содержащие препараты

Есть много вариантов, при помощи которых возможно восполнить недостающую норму элемента в организме. Лучше всего, конечно, естественные методы – продукты, содержащие нужный атом. Однако если это по каким-либо причинам недостаточно или невозможно, медицинский путь также приемлем.

Так, список продуктов, содержащих кальций, примерно такой:

  • молочные и кисломолочные изделия;
  • рыба;
  • зелень;
  • зерновые культуры (гречка, рис, выпечка из цельнозерновой муки);
  • некоторые цитрусовые (апельсины, мандарины);
  • бобовые;
  • все орехи (особенно, миндаль и грецкие).

Если же на какие-то продукты аллергия или нельзя употреблять их по другой причине, то восполнить уровень нужного элемента в организме помогут кальций содержащие препараты.

Все они представляют собой соли этого металла, обладающие способностью легко усваиваться организмом, быстро всасываясь в кровь и кишечник. Среди них самыми популярными и используемыми являются следующие.

  1. Хлорид кальция – раствор для инъекций или для приема внутрь взрослым и детям. Отличается концентрацией соли в составе, используется для “горячих уколов”, поскольку вызывает именно такое ощущение при вкалывании. Есть формы с фруктовым соком для облегчения приема внутрь.
  2. Глюконат кальция. Выпускается как таблетками (0,25 или 0,5 г), так и растворами для внутривенных инъекций. Часто в виде таблеток содержит различные фруктовые добавки.
  3. Лактат кальция – выпускается в таблетках по 0,5 г.

Источник: http://fb.ru/article/180944/harakteristika-kaltsiya-svoystva-kaltsiya-formula-kaltsiya

Характеристика важного химического элемента кальция: строение атома, молярная масса и степень окисления

Строение атома кальция

Кальций — это распространенный элемент, часто встречающийся в природе в виде различных соединений, в основном — солей. Скелет любого организма обязан своим существованием этому веществу. Такой важный элемент заслуживает более пристального внимания, поэтому далее будет дана подробная характеристика химического элемента, рассмотрено строение атома кальция.

Признаки

В природе в чистом виде вещество не встречается, определить физические свойства кальция можно только в лабораторных условиях:

  • простое состояние — это металл, обладающий твердостью, пластичностью, который легко режется;
  • плавится при температуре — 842 С;
  • температура кипения — 1482С;
  • плотность составляет 1,54 г/см3 при 20;
  • модуль упругости — 2600 кгс/мм2;
  • предельное значение упругости — 0,4 кгс/мм2;
  • твердость по Бринеллю — 20-30 кгс/мм2;
  • имеет серебристо-белый оттенок;
  • при нагревании загорается, пламя имеет кирпично-красный цвет.

Одной из специфических особенностей является способность изменять свои свойства под давлением. Сначала он теряет металлические качества, проявляя качества полупроводника.

При повышенном давлении металлические свойства возвращаются, элемент приобретает сверхпроводимость. Относится к типу щелочно-земельных металлов.

Атомный порядковый номер элемента — 20. Официально принятое обозначение — Ca (по лат. Calcium).

Каковы химические свойства кальция? Элемент обладает повышенной степенью активности, благодаря чему в чистом виде никогда не встречается.

Соединения кальция, напротив, встречаются повсеместно — в составе многочисленных горных пород и организмов.

На открытом воздухе происходит быстрая реакция с кислородом или углеводородом, отчего на поверхности элемента возникает серый налет.

С кислотами реагирует бурно, иногда происходит воспламенение. Не менее активно протекает реакция с водой, она сопровождается обильным выделением водорода.

Образовавшийся раствор дает щелочную реакцию.

Высокая химическая активность кальция, его мгновенное окисление на воздухе вынуждают хранить его в плотно закрытой стеклянной таре, покрытым слоем парафина или под слоем керосина.

С кислородом или галогенами соединяется при обычных условиях. С фосфором, водородом, серой, азотом, углеродом и прочими неметаллическими элементами вступает в химическую реакцию при нагревании, а со фтором реакция идет даже на холоде. С водой взаимодействует активно, с холодной — медленнее, с горячей — очень бурно.

Атомная структура

Рассмотрим строение атома кальция. Ядро несет положительный заряд (+20). Внутри него имеются 20 нейтронов и столько же протонов, вокруг ядра движутся по 4 орбитам 20 электронов, распределенных по 2:8:8:2.

Степень окисления кальция равняется +2. На внешнем энергетическом уровне атом содержит 2 спаренных s-электрона, которые он легко отдает при химических реакциях.

Они определяют валентность элемента. Электронное строение атома кальция: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 (коротко 4s2).

Внимание! Моль — это определенное (6,02 · 1023) количество молекул. Моль одного вещества имеет массу, отличающуюся от массы моля другого вещества, поскольку строение молекул и, соответственно, их вес будут разными. Молярная масса кальция — это отношение массы вещества к числу молей: Формула, по которой рассчитывается масса в молях:

,Где M — молярная масса.

m — масса вещества.

n — количество моль.

Молярная масса кальция составляет 40,08 г/моль.

Каково отличие атомов от ионов

Ионы — это частицы, образованные при удалении или присоединении электронов к атому. Бывают положительно (катион) или отрицательно (анион) заряженными при потере или получении дополнительных электронов. Могут существовать как в составе молекул химических соединений, так и в самостоятельном виде (плазма, газ или жидкость).

Строение атома кальция отличается от иона. Атом представляет собой нейтральную частицу с одинаковым количеством электронов и протонов. В этом заключается основное отличие атома от иона.

Атом кальция отличается от иона своим зарядом и свойствами. Строение атома кальция таково, что на внешней оболочке находятся 2 электрона, которые могут вступать в различные связи.

При соединении элемента 2 внешних электрона переходят на орбиты других атомов, превращая нейтральный атом в положительно заряженный ион Ca++.

При этом атом имеет восстановительные свойства, а ион — окислительные.

Главные особенности

В таблице Менделеева элемент помещен во II группу 4 периода главной подгруппы (А), и все без исключения элементы этой группы относятся к щелочноземельным металлам, со всеми соответствующими признаками и свойствами.

В отличие от типичных металлов кальций обладает некоторыми специфическими свойствами. Есть основания предположить, что это неметалл.

При определенных условиях, как было сказано выше, под высоким давлением он утрачивает металлические свойства.

Элемент химически активен, поэтому в природе соединения кальция содержатся в виде солей, главным образом, в составе минералов или отложений земной коры.

Также большое количество кальция содержится в морской воде, где его доля составляет около 1 г/л.

Тело человека содержит около 1-1,5 кг вещества, причем, большая его часть содержится в костях, обеспечивая их прочность.

Наиболее богаты кальцием осадочные породы:

  • мел.
  • известняк.
  • гипс.
  • мрамор.
  • доломит.
  • апатит.

Все внутрипещерные образования, сталактиты и сталагмиты представляют собой карбонат СаС03. Строение атома позволяет ему активно вступать в реакцию с другими веществами, поэтому количество разнообразных соединений весьма велико.

Элемент является щелочноземельным металлом. поскольку, вступая в реакцию он отдает электроны, то является восстановителем и степень окисления кальция в соединениях +2.

У простого элемента степень окисления равна нулю, как и у всех металлов, поскольку у них равномерно распределена электронная плотность.

В неорганической химии понятие «степень окисления» часто тождественно понятию «валентность».

Сфера использования

Каково применение кальция? Основное направление — металлургия. Он выполняет роль восстановителя при производстве меди, хрома, нержавеющей стали, урана, никеля, тория.

Для получения редко встречающихся земных элементов металлическую разновидность применяют в металлотермии, причем довольно широко.

Для раскисления стали (удаления кислорода, находящегося в расплаве) используют в составе соединения с алюминием или в качестве отдельного химического элемента.

Кроме того, металлический элемент используется как легирующая добавка, увеличивающая прочность подшипников, ответственных деталей двигателей или летательных аппаратов.

Применяется в нефтеперерабатывающей промышленности для удаления серы, служит для обезвоживания различных органических жидкостей. С его помощью в промышленности производится очистка аргона от азотистых примесей.

Не менее широко используется в медицине, воздействует на многие функции организма, в связи с чем количество элемента постоянно должно пополняться. Кроме того, способствует выводу из организма радионуклидов. Препараты глюконат кальция, хлористый кальций, гипс и другие широко применяются для лечения или профилактики различных заболеваний.

Какую роль играет внутри организма

Имеет важное структурное значение, являясь строительным материалом для твердых покровов, костей, зубов, роговых пластин, копыт животных. Раковины моллюсков практически полностью состоят из кальцинированных соединений. Велика биологическая роль кальция. В организме человека он осуществляет массу функций, участвуя в большинстве жизненно важных процессов:

  • регулирует мышечные сокращения, секрецию нейромедиаторов;
  • воздействуя на кровеносную систему, регулирует давление;
  • принимает активное участие в регулировании свертывания крови и обмена веществ внутри клеток;
  • участвует в постоянном обновлении состава костей;
  • укрепляет иммунную систему;
  • способствует синтезу ферментов и гормонов;
  • воздействует на мышцы, регулирует сердечные сокращения;
  • влияет на внутриклеточные процессы;
  • защищает клетку, регулируя проницаемость мембраны.

Суточное пополнение организма человека кальцием должно составлять не менее 800-1250 мг, предельная норма — 2500 мг/сут.

Важно! Это единственный элемент, способный нормализовать кислотно-щелочной баланс в организме. Преобладание кислоты вызывает активное образование солей, камней в почках, создаст предпосылки к возникновению сердечно-сосудистых заболеваний.

Свойства кальция и его соединений

Химия. Элемент кальций

Заключение

Элемент имеет колоссальное значение в области химии, геологии, биологии, играет важнейшую роль в функционировании живых организмов и активно участвует в общих природных процессах.

Источник: https://uchim.guru/himiya/harakteristika-himicheskogo-elementa-kaltsiya.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть