KALCIUM: TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, ELŐÁLLÍTÁS, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2026

A kalcium egy alkáliföldfémek, amelyek a 2 (Becambara úr) csoport periódusos rendszeréhez tartoznak. Ez a fém az ötödik helyen áll a földkéregben található elemek között; vas és alumínium mögött. A kémiai szimbólum Ca, és atomszáma 20.

A kalcium a földkéreg 3,64% -át képviseli, és az emberi test legelterjedtebb féme, tömegének 2% -át képviseli. Nem szabad természetű; de számos ásványi anyag és kémiai vegyület része.

Nagy tisztaságú fém kalcium, amelyet ásványolajban tárolnak, hogy megvédje az oxigént és a nedvességet. Forrás: 2 × 910

Például megtalálható az ásványi kalcitban, amely viszont a mészkő része. A kalcium-karbonát már a földön márvány, dolomit, tojáshéj, korall, gyöngy, sztalaktit, sztalagmit, valamint számos tengeri állat vagy csiga héjában található meg.

Ezenkívül a kalcium más ásványi anyagok, például gipsz, anhidrit, fluorit és apatit része. Nem meglepő, hogy ez a csontok szinonimája kulturális szinten.

Levegővel érintkezve a kalcium sárgás bevonattal borul, amely a kalcium-oxid, nitrid és hidroxid keverékének terméke. Frissen vágva azonban a felület fényes, ezüstösfehér. Puha, a Mohs skálán 1,75 keménységű.

A kalcium az élőlényekben számos funkciót tölt be, köztük a vegyületek részét képezi, amelyek meghatározzák a csontrendszer felépítését és működését; beavatkozik a véralvadási kaszkádba több olyan véralvadási faktor aktiválásával, amelyeket IV faktornak neveznek.

Ezenkívül a kalcium részt vesz az izmok összehúzódásában, lehetővé téve a kontraktilis fehérjék (aktin és miozin) egyesülését; és megkönnyíti néhány neurotranszmitter felszabadulását, beleértve az acetilkolint.

Kémiailag szinte mindig részt vesz szerves vagy szervetlen vegyületeiben, például a kétértékű Ca ^{2+ kationban}. Ez egyike a legmagasabb koordinációs számú kationoknak, azaz több molekulával vagy ionnal kölcsönhatásba léphet egyszerre.

Történelem

Az ősi időkben

Az ember évezredek óta használ kalciumvegyületeket, például mész (CaO) vagy gipsz (CaSO ₄), figyelmen kívül hagyva kémiai szerkezetüket. A mészet építőanyagként és a szobrok készítéséhez használt vakolatot Kr. E. 7000 évben használták

Mezopotámiában egy mészkemencét találtak, amelyet Kr. E. 2500-ban használtak, majd egy rövid időn belül gipszet használták a gízai nagy piramis építése során.

Azonosítás és izolálás

Joseph Black (1755) kifejtette, hogy a mész könnyebb, mint a mészkő (kalcium-karbonát), amely eredetét adja. Ennek oka az, hogy melegítés közben elveszíti a szén-dioxidot.

Antoine Lavoiser (1787) arra a következtetésre jutott, hogy a mésznek ismeretlen kémiai elem oxidjának kell lennie.

Sir Humphrey Davy (1808) pontosan abban az évben, amikor felfedezte a bórt, ugyanezt tette a kalciummal, Jakar Berzelius és Magnus Martin által használt elektrolízis módszerrel.

Davy izolált kalciumot és magnéziumot ugyanabban a kísérleti tervben. Összekeverte a kalcium-oxidot a higany (II) -oxiddal egy platinalemezen, amelyet anódként (+) használt, míg a katód (-) platinahuzal volt, részben merített a higanyba.

Az elektrolízis kalcium és higany amalgámját eredményezte. A kalcium tisztítása céljából az amalgámot desztillációnak vetettük alá. Tiszta kalciumot azonban nem kaptunk.

Tulajdonságok

Fizikai leírás

Ezüstösfehéres fém, levegőnek kitéve szürkésfehérre változik. Nedves levegőben felhős kék-szürke lesz. Szilárd vagy száraz por. Kristályszerkezet az arca középpontjában.

Atomsúly

40,078 g / mol.

Olvadáspont

842 ° C

Forráspont

1,484 ° C

Sűrűség

-1,55 g / cm ³, szobahőmérsékleten.

-1,378 g / cm ³ folyékony állapotban olvadáspontja.

A fúziós hő

8,54 kJ / mol.

A párolgás hője

154,7 kJ / mol.

Moláris kalóriakapacitás

25,929 J / (mol · K).

Fajlagos kalóriakapacitás

0,63 J / gK

elektronegativitás

1.0 a Pauling skálán

Ionizációs energia

-Első ionizáció 589,8 kJ / mol

-Második ionizáció 1,145 kJ / mol

-Harmadik ionizáció 4,912 kJ / mol

- Negyedik ionizáció: 6 490,57 kJ / mol, és van még 4 ionizációs energia.

Atomic radio

197 órakor

Kovalens sugár

176 ± 10 óra

Hőtágulás

22,3 μm / m · K 20 ° C-on.

Hővezetés

201 W / m K

Elektromos ellenállás

336 nΩ · m 20 ° C-on.

Keménység

1,75 a Mohs skálán.

Izotóp

A kalciumnak 6 természetes izotópja van: ⁴⁰ Ca, ⁴² Ca, ⁴³ Ca, ⁴⁴ Ca, ⁴⁶ Ca és ⁴⁸ Ca, és 19 radioaktív szintetikus izotóp. A legelterjedtebb izotópok a ⁴⁰ Ca (96,94%), a ⁴⁴ Ca (2,086%) és a ⁴² Ca (0,647%).

Reakcióképesség

A kalcium spontán reagál a vízzel, kálcium-hidroxidot és hidrogén-gázt fejlesztve. Reagál oxigénnel és nitrogénnel a levegőben, kalcium-oxidot és kalcium-nitridet fejlesztve. Felosztáskor spontán módon ég a levegőben.

Amikor a kalciumot melegítik, hidrogénnel reagál, így halid képződik. Minden halogénnel reagál, így halogenideket képez. Bór-, kén-, szén- és foszforral reagál.

A kalcium szerkezete és elektronkonfigurációja

A kalcium-atomokat fémes kötések kötik össze, hozzájárulva két vegyérték-elektronukhoz az elektronok dagályához. Így a Ca-atomok és a keletkező elektronikus sávok közötti kölcsönhatás az arc-központú köbös szerkezetű kristályt határozza meg (ccc, spanyolul, vagy fcc, angolul, arcközpontú köbméter esetén).

Ha ezt a kalcium-ccc-kristályt 450 ° C körüli hőmérsékletre hevítik, akkor átmenetileg átalakul a hcp fázisba (kompakt hatszögletű vagy legközelebb csomagolt hatszögletű). Más szavakkal, a szerkezet sűrűbbé válik, mintha az elektronok mozgása és az atomok rezgései összehúznák az elválasztó távolságot.

A kalcium atom elektronikus konfigurációja a következő:

4s ²

Ez megmagyarázza, hogy ennek a fémnek a két valencia elektronja a legkülső 4s körüli pályájából származik. Amikor elveszíti őket, ^képződik a kétértékű Ca ²⁺ kation, izoelektronikusan a nemesgáz argonához; vagyis mind az Ar, mind a Ca ²⁺ azonos elektronszámmal rendelkezik.

Ezeket a kristályokat a vegyérték 4 s-os keringési fázisai képezik. Ugyanez történik az üres 4p-es pályákkal, amelyek vezetési sávot hoznak létre.

beszerzése

A kalciumot kereskedelemben előállítják az olvadt kalcium-klorid elektrolízisével. Az elektródokon a következő reakciók lépnek fel:

Az anódnál: 2Cl ^- (l) => Cl ₂ (g) + 2e ^-

A kalcium fémként lerakódik a katódon az elektronok ionos kalciumból való elfogásával.

A katódnál: Ca ²⁺ (l) + 2 e ^- => Ca (k)

Kis mértékben a kalcium előállítható a kalcium-oxid alumíniummal történő redukciójával vagy a kalcium-klorid fémes nátriummal történő redukciójával.

6 CaO + 2 Al => 3 Ca + Ca ₃ Al ₂ O ₆

CaCl ₂ + 2 Na => Ca + NaCl

Alkalmazások

Elemi kalcium

A kalciumot adalékanyagként használják az üveghagymák gyártásában, amelyet az izzóhoz adnak a gyártás kezdeti szakaszában. A végén is hozzáadják, így kombinálódik az izzó belsejében maradt gázokkal.

Dezintegrátorként használják fémek, például réz és acél előállításában. A gyújtók szárnyaiban a kalcium és a cézium ötvözetét használják a szikrák létrehozására. A kalcium redukálószer, de deoxidációs és deoxidációs alkalmazásokkal is rendelkezik.

A kalciumot fémek, például króm, tórium, urán, cirkónium és más oxidokból való előállításához használják. Alumínium, réz, ólom, magnézium és más nemesfémek ötvözőjeként használják; és néhány magas hőmérsékletű ötvözet deoxidálójaként.

Az ólommal ötvözött kalcium (0,04%) szolgál a telefonkábelek burkolatának. Ortopédiai implantátumokban magnéziummal ötvözve használják élettartamuk meghosszabbítására.

Kálcium-karbonát

Ez egy kerámia, üveg, műanyag és festékanyag töltőanyag, valamint alapanyag mész előállításához. A nagy tisztaságú szintetikus karbonátot gyógyászatilag használják savmegkötő és étrendi kalcium-kiegészítőként. Élelmiszer-adalékanyagként is felhasználják.

Kalcium-oxid

A kalcium-oxidot az építőiparban használják, a falak furnérozásához. Beépítették a betonba. A 19. században kalcium-oxid blokkokat égettek, hogy intenzív fehér fénnyel megvilágítsák a színpadokat.

A mész (ismét kalcium-oxid) a nem kívánt összetevők, például a szilícium-dioxid (SiO ₂), a vas anyagában lévő acélból történő eltávolítására szolgál. A reakció terméke kalcium-szilikát (CaSiO ₃), amelyet salaknak hívnak.

A mész vízzel kombinálva kalcium-hidroxidot képez; Ez a vegyület flokkulál és süllyed, szennyeződéseket húzva a tartályok aljára.

A kémények belseje mészréteggel van kiképezve, hogy elkerüljék a gyárak füstöit. Például elfogja a kén-dioxidot (SO ₂), amely hozzájárul a savas esõkhöz, és kalcium-szulfitmá (CaSO ₃) átalakítja.

Kalcium-klorid

A kalcium-kloridot az utak jégszabályozására használják; kondicionáló a tartósított paradicsomhoz; gépjármű- és teherautó-karosszéria gyártása.

Kalcium-szulfát

Általában CaSO ₄ · 2H ₂ O (gipsz) formájában szerepel, amelyet talajjavító szerként használnak. A kalcinált gipszet csempék, deszkák és lécek gyártásához használják. A csonttörések rögzítésére is használják.

Kalcium-foszfátok

A kalcium-foszfátok a természetben különféle formákban találhatók, és műtrágyaként használják őket. A savas kalcium-sót (CaH ₂ PO ₄) műtrágya és stabilizátorként használják. A kalcium-foszfát a csontszövet részeként található meg, különösen hidroxiapatitként.

Egyéb kalciumvegyületek

Számos kalciumvegyület létezik, különféle alkalmazásokkal. Például a kalcium-karbidot használják acetilén előállítására, amelyet hegesztőpisztolyokban használnak. A kalcium-alginátot sűrítőszerként használják élelmiszertermékekben, például fagylaltban.

A kalcium-hipokloritot fehérítőszerként, dezodorként, gombaölő és alga algaként használják.

A kalcium-permanganát egy rakétahajtóanyag folyadék. Víztisztító szerként és textilgyártásban is felhasználják.

Biológiai funkció

A kalcium számos funkciót tölt be az élőlényekben:

- A véralvadási lépésekben mint IV faktor beavatkozik.

- Szükség van számos véralvadási faktor aktiválására, beleértve a trombint.

- A vázizomban a kalcium felszabadítja a fehérjerendszer gátló hatását az izmok összehúzódására, lehetővé téve az aktin-miozin hidak kialakulását, ami összehúzódást okoz.

-Stabilizálja az gerjeszthető sejtek ioncsatornáit. Hipokalcémia esetén a nátriumcsatornák aktiválódnak, ami a nátrium bejutását a sejtekbe tartós kontrakciót (tetany) generál, amely halálos lehet.

- Ezen túlmenően a kalcium elősegíti az acetilkolin neurotranszmitter felszabadulását az presinaptikus terminálisokban.

Kockázatok és óvintézkedések

Exoterm módon reagál vízzel. Ezért súlyos sérülést okozhat a szájban, a nyelőcsőben vagy a gyomorban, ha lenyelik.

A munkavállalókat ennek a kockázatnak teszik ki azok a helyek, ahol a kalcium elem keletkezik, vagy azokon a helyeken, ahol fém felhordása történik. Az óvintézkedések olyan maszkokkal védik magukat, amelyek elkerülik a por belélegzését, a ruházatot és a megfelelő szellőzést.

A hiperkalcémia rendkívül veszélyes, és elsősorban a mellékpajzsmirigy-hormon túlzott szekréciója vagy a D-vitamin túlzott bevitelének következménye. A túlzott kalciumbevitel, például napi 2,5 g-nál nagyobb, ritkán okozza a hiperkalcémiát..

A veseben felhalmozódik a túlzott mennyiségű kalcium, amely vesekőket és vese nefrosist okoz. Ezenkívül a kalcium felhalmozódása az erek falában módosítja azok rugalmasságát, ami a magas vérnyomás, a lassú véráramlás és a trombózis oka lehet.

Alapvető óvintézkedés a kalkaemia beépítése a laboratóriumi vizsgálatokba, amikor az orvos megfigyeli a beteg tüneteinek olyan jellemzőit, amelyek miatt hiperkalcémia gyanúja merül fel, és megkezdi a megfelelő kezelést.

Irodalom

1. W. Hull. (1921). A kalcium kristályszerkezete. doi.org/10.1103/PhysRev.17.42
2. Wikipedia. (2019). Kalcium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Advameg, Inc. (2019). Kalcium. A kémia magyarázata. Helyreállítva: chemistryexplained.com
4. Timothy P. Hanusa. (2019. január 11.) Kalcium. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
5. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Kalcium. PubChem adatbázis. CID = 5460341. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. WebElements. (2019). Kalcium: az alapvető fontosságú anyagok. Helyreállítva: webelements.com