Кальцій Ca у вигляді металу вперше отриманий в 1808 році (Деві, Англія).

Поширення кальцію в природі. Кальцій – п’ятий елемент за поширеністю в літосфері Землі. Кальцій входить до складу багатьох гірських порід і мінералів. Міститься в грунтах, живих організмах і природних водах (0,4 г./дм³ морської води).

Жорсткість прісної води створюється в основному іонами Ca²⁺.

Мінерали кальцію.

Карбонати. Кальцит (вапняний шпат, вапняк, мармур, крейда) CaCO₃; Доломіт CaMg(CO₃)₂.

Сульфати. Ангідрит CaSO₄; Гіпс CaSO₄*2H₂O.

Флюорит (плавиковий шпат) CaF₂.

Силікати. Анортит (вапняний польовий шпат) CaAl₂Si₂O₈ і ін.

Фосфати. Апатити; різновиди – гідроксилапатит (фосфорит) Ca₅(PO₄)₃(OH) і флуорхлорапатіт (зазвичай його називають просто апатит) Ca₅(PO₄)₃(Cl, F).

Запис у формулі двох аніонів через кому означає, що вони можуть взаємозамінювати один одного, але, як правило, містяться обидва в мінералі в різних співвідношеннях, що залежить від родовища.

Виявлення кальцію. По забарвленню полум’я в помаранчово-червоний колір, якщо сполука кальцію летюча. За допомогою реакції осадження амоній оксалатом з водних розчинів солей кальцію малорозчинного кальцій оксалату CaC₂O₄, білого кольору.

Фізіологічна дія кальцію. Кальцій – життєво важливий елемент для тварин і рослин. В організмі дорослої людини міститься приблизно 2% Ca, 99% з яких міститься в формі різних фосфатів в кістках і зубах; наявність іонів Ca²⁺ необхідна для забезпечення згортання крові. Добова норма для людини становить 1 г. Ca²⁺. Нестача кальцію в організмі викликає розм’якшення і крихкість кісток; на тлі порушення кальцієвого і фосфатного обміну речовин при нестачі вітаміну D розвивається рахіт. З кальцій карбонату побудовані корали, раковини форамініфер, молюсків та ін.

Отримання кальцію. Кальцій отримують електролізом розплаву суміші кальцій хлориду з калій хлоридом при 850*С із застосуванням залізного катода.

Властивості кальцію. Кальцій – сріблясто-білий в’язкий метал. Розпливається на повітрі в результаті утворення гідроксиду і карбонату. При нагріванні на повітрі горить світло-червоним полум’ям і переходить в суміш оксиду CaO і кальцій нітриду Ca₃N₂. З водою кальцій інтенсивно реагує:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂

Прозорий ненасичений розчин кальцій гідроксиду – вапняна вода – швидко мутніє через насичення розчину і випадання малорозчинного гідроксиду Ca(OH)₂.

Кальцій менш летючий, ніж K, Rb, Cs, тому їх можна отримувати при нагріванні відповідних сполук з кальцієм, наприклад:

2CsCl + Ca = CaCl₂ + 2Cs

Застосування кальцію. Кальцій входить до складу сплавів, наприклад антифрикціоного металу (0,73% Ca; 0,55% Na; 0,04% Li; інше Rb). Використовується для отримання рідкісних металів в якості поглинача кисню та азоту при виділенні благородних газів з повітря.

Сполуки кальцію

Кальцій карбонат CaCO₃

Поширення кальцій карбонату в природі. Кальцій карбонат – дуже поширена природна речовина. Він утворює ряд мінералів і осадових гірських порід:

Кальцит (вапняний шпат) – мінерал, що містить дуже чистий CaCO₃;

Ісландський шпат, або двузаломлюючий шпат – чиста і прозора сполука – різновид кальциту;

Вапняк – осадова гірська порода CaCO₃ з домішкою глини;

Мармур – різновид вапняку, кристалічна гірська порода;

Крейда – тонкозернистий різновид вапняку;

Вапняний туф (травертин) – порода, що утворилася в результаті осадження CaCO₃ з гарячих вуглекислотних джерел в присутності органічних залишків рослин;

Моргель – осадова гірська порода CaCO₃ з домішкою глини (до 50-70%), різновид вапняку.

Вивітрювання гірських порід. Під впливом коливань температури, дощу, і ґрунтових вод розвивається процес зміни хімічного складу вапняків і їх руйнування. З вапняків кальцій поступово переходить в розчин в результаті з утворенням розчинного гідрокарбонату:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Ca(HCO₃)₂

Вапняки розтріскуються, розчинні солі вимиваються і в товщі порід виникають карстові печери. Вапнякові породи, як правило, збіднені водою, оскільки дощова вода проходить поміж їх порожнечі і тріщини. При випаровуванні природних вод, що містять Ca(HCO₃)₂, знову осідає CaCO₃, наприклад у вигляді сталактитів і сталагмітів.

Іони Ca²⁺, що потрапили в морську воду, засвоюються живими мікроорганізмами і через них осідають у вигляді шарів черепашнику (ракушняка), коралових рифів і т.п.

Властивості кальцій карбонату. Чистий кальцій карбонат – тверда біла речовина. Мало розчинний у воді. При 900*С розкладається (термічно дисоціює) на кальцій оксид і карбон діоксид:

CaCO₃ (т) = CaO (т) + CO₂ (газ); ΔH⁰ = +179 кДж

Реагує з кислотами з виділенням CO₂ і утворенням відповідних солей кальцію.

Застосування кальцій карбонату. Природний кальцій карбонат – вапняк – використовується у виробництві будівельних матеріалів, азотних мінеральних добрив, в металургії, в хімічній промисловості. Основні області застосування вапняку із зазначенням технологічної обробки кальцій карбонату:

1. Прожарювання. Отримують негашене вапно CaO і CO₂.
2. Спікання з глиною. Отримують цемент (алюмосилікати кальцію – силікатна цегла).
3. Сплавлення з піском, содою і домішками. Скло (силікати лужних металів і кальцію).
4. У виробництві чавуну, сталі, міді, як флюс і для футерування.
5. Суміш з амоній нітратом NH₄NO₃ (вапняно-амонійна селітра).
6. Реакція з SO₂. Отримують кальцій гідросульфіт Ca(HSO₃)₂ (сульфітний луг).
7. Реакція з HNO₃. Отримують кальцій нітрат Ca(NO₃)₂ (кальцієва, або вапняна, селітра).
8. Реакціями з іншими кислотами отримують необхідні солі кальцію.

Ісландський шпат використовують для отримання поляризованого світла в призмі Ніколя. Вапняк і вапняний туф використовується безпосередньо як будівельний камінь і щебінь, для добавки в бетон і у вигляді пластин як покрівельний шифер. Мармур – матеріал для виготовлення скульптур і як джерело карбон діоксиду в лабораторії. Колоїдна крейда використовується для побілки для стін, стель і як компонент віконної замазки (85% CaCO₃ + 15% оліфи), осаджена крейда (дрібнодисперсний однорідний порошок) входить до складу зубних порошків і паст, а також застосовується як наповнювач у виробництві паперу.

Кальцій оксид CaO (негашене вапно)

Одержання кальцій оксиду. Кальцій оксид отримують шляхом прожарювання кальцій карбонату; в техніці цей процес називається випал вапняку. Кусковий вапняк завантажують в шахтну, кільцеву або обертову піч і прожарюють при 1100*С в струмі повітря або пального газу. Ще кілька десятиліть тому, прожарювання вапняку здійснювали в домашніх умовах і продавали на ринках.

Властивості кальцій оксиду. Кальцій оксид – білий порошок з температурою плавлення 2500*С. При прожарюванні випромінює майже білий світ. Неочищений технічний продукт (для будівельних робіт) – сірий або коричневий пористий кусковий матеріал.

Застосування кальцій оксиду. Кальцій оксид застосовували (і ще застосовують) в побуті. Куплене на ринку негашене вапно “гасили” водою (гасіння вапна). При цьому протікає досить активна екзотермічна реакція:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

В процесі гасіння вапна, вода розігрівається майже до кипіння. Охолоджене гашене вапно являє собою малорозчинний кальцій гідроксид, у вигляді білої, тістоподібної маси. Цією пастою білили стіни і стелі в будинках, таким чином знезаражуючі житлове приміщення.

Кальцій оксид є найважливішою промисловою сировиною для отримання кальцій карбіду CaC₂ шляхом спікання суміші CaO + C в електродугових печах. Також з кальцій оксиду виготовляють вапняні добрива.

Обпалений, чистий доломіт CaO + MgO (віденське вапно) використовується для полірування і знежирення металевих поверхонь, наприклад в гальванотехниці.

Кальцій гідроксид Ca(OH)₂

Тривіальні назви: гашене вапно; прозорий (майже насичений) водний розчин Ca(OH)₂ – вапняна вода, водна суспензія Ca(OH)₂ – вапняне молоко.

Отримання кальцій гідроксиду. Взаємодія кальцій оксиду з водою (гасіння вапна).

Властивості кальцій гідроксиду. Білий порошок. Мало розчинний у воді (0,16 грам в 100 грамах води). Вапняна вода має лужне середовище і каламутніє на повітрі в результаті взаємодії з карбон діоксиду з випадінням осаду кальцій карбонату:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

При пропусканні карбон діоксиду через вапняну воду спочатку утворюється осад CaCO₃, який потім повністю зникає, оскільки малорозчинний карбонат переходить в добре розчинний кальцій гідрокарбонат:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

При нагріванні розчину знову осідає CaCO₃, термічна стійкість якого набагато вища, ніж у гідрокарбонату Ca(HCO₃)₂.

Застосування кальцій гідроксиду. Основні сфери застосування гашеного вапна:

• приготування вапняного будівельного розчину;
• виробництво хлорного вапна (суміш Ca(ClO)₂, CaCl₂, Ca(OH)₂) та інших сполук кальцію;
• виробництво вапняних добрив і захисних засобів для рослин (вапняно-сірчаний відвар);
• каустифікація соди Na₂CO₃ і поташу K₂CO₃;
• пом’якшення води;
• дублення шкір;
• нейтралізація стічних вод;
• виділення органічних солей кальцію з рослинних соків і отримання самих органічних кислот з використанням обмінної реакції з сульфатною кислотою.

Будівельний розчин на основі кальцій гідроксиду (гашеного вапна) – тістоподібна маса, яку використовують як сполучний засіб для кам’яної та цегляної кладки, обробки (штукатурення) поверхонь і для інших будівельних цілей. Склад суміші: пісок + сполучна речовина + вода. Повітряний будівельний розчин твердне на повітрі, гідравлічний розчин твердне тільки під водою.

В якості сполучнї речовини в повітряних розчинах використовуються гашене вапно (вапняний будівельний розчин), гіпс (гіпсовий будівельний розчин) і глина (глиняний будівельний розчин).

Вапняний будівельний розчин містить 10% CaO, 15% H₂O, 75% піску; для його отримання змішують 1 частину тістоподібного гашеного вапна і 3 частини піску. Затвердіння такого розчину обумовлено хімічним процесом поглинання карбон діоксиду з повітря:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

Гіпсовий будівельний розчин використовувався ще 3-4 тисячі років тому при будівництві давньоєгипетських пірамід. Затвердіння такого розчину забезпечується хімічним зв’язуванням води. У сучасному будівництві активно використовуються вироби з гіпсового будівельного розчину – гіпсокартонні плити, листи і т.п.

Суглинок (глинистий грунт) – це природний глиняний будівельний розчин. Затвердіння глиняного розчину має фізичну природу: вода випаровується і зерна піску зчіплюються з глиною. Такий розчин набагато менш міцний і менш довговічний ніж інші будівельні розчини.

В якості сполучної речовини в гідравлічних розчинах використовуються цемент (цементний будівельний розчин), гідравлічне вапно і змішане в’яжуче.

Цементний будівельний розчин твердне в результаті хімічного приєднання води.

Гідравлічне вапно отримують при випалюванні глинистих вапняків; температура випалу повинна бути нижче температури спікання щоб уникнути хімічної взаємодії негашеного вапна з глиноземом. Затвердіння будівельного розчину з гідравлічним вапном відбувається через хімічне поглинання води.

Змішану в’яжучу речовину отримують змішуванням і перемелюванням гідравлічних матеріалів з ініціаторами. Наприклад, в якості в’яжучого застосовується суміш з цементу, летючої буровугільної золи, гіпсу або ангідриту. Розчин з таким в’яжучим твердне завдяки хімічному зв’язуванню води. За міцністю зчеплення поверхонь цей розчин займає проміжне місце між розчинами з гідравлічною вапном і цементом.

Кальцій сульфат CaSO₄

Поширення кальцій сульфату в природі. У земній корі міститься у вигляді мінералів: Ангідрит (безводний) CaSO₄; Гіпс CaSO₄*2H₂O; Алебастр – інтенсивно-біла дрібнозерниста речовина – різновид гіпсу; Маріенглас – прозорий різновид гіпсу; Селеніт – тонковолокниста різновид гіпсу.

Гіпс – один з найпоширеніших мінералів.

Властивості кальцій сульфату. Білий кристалічний порошок. Мало розчинний у воді (0,2 грама в 100 грамах води), розчинність зменшується при нагріванні. При прожарюванні гіпсу спочатку протікає його часткове зневоднення з утворенням 2CaSO₄*H₂O, а потім – повна втрата води. При температурі вище 1000*С кальцій сульфат розкладається на CaO і SO₃.

Обпалений гіпс (штукатурний гіпс) 2CaSO₄*H₂O отримують шляхом прожарювання гіпсу при 150*С. Він легко реагує з водою (екзотермічна реакція):

2CaSO₄*H₂O + 3H₂O = 2(CaSO₄*2H₂O)

При тривалому нагріванні гіпс повністю зневоднюється з утворенням ангідриту CaSO₄ і здатність його приєднувати воду знижується.

Високообпалений гіпс (естріх-гіпс) одержують прожарюванням гіпсу при 1000*С. Складається естріх-гіпс з твердого розчину CaO в CaSO₄. Твердне повільніше, ніж штукатурний гіпс, але швидше ніж вапняний будівельний розчин.

Застосування кальцій сульфату. Сульфат кальцію застосовують як в’яжучий будівельний матеріал, сировина для отримання сульфатної кислоти і амоній сульфату. Обпалений гіпс – матеріал для виготовлення гіпсових відбитків і форм, перегородкових плит і панелей, кам’яних підлог і т.п.

Кальцій карбід CaC₂

Кальцій карбід CaC₂ можна розглядати як кальцієве похідне етіну H-C≡C-H.

Отримання кальцій карбіду. Спікання негашеного вапна і різних сортів коксу при 2000*С в електродуговій печі (100-200 В, 40-90 кА). Реакція протікає за рівнянням:

CaO + 3C = CaC₂ + CO

Процес потребує великих витрат електроенергії (хоча він і не є електролізом, а всього лише електротермолізом). Утворений одночасно з твердим CaC₂ чадний газ (82% CO, 8-10% H₂, решта – N₂) використовується подібно синтез-газу і пального газу.

Властивості кальцій карбіду. У чистому вигляді кальцій карбід – білі кристали, технічний кальцій карбід має кольори від сірого до коричневого (містить 80-85% CaC₂, решта CaO, Ca₃P₂, CaS, Ca₃N₂, SiC і ін.). Кальцій карбід гідролізується водою до етіну:

CaC₂ + 2H₂O = C₂H₂ + Ca(OH)₂

Етін не має запаху, однак етін який виділяється під час реакції кальцій карбіду з водою має стійкий “карбідний” запах через домішки PH₃, NH₃, H₂S. Кальцій карбід CaC₂ слід зберігати в герметично закритій тарі, оскільки гідроліз і утворення етіну протікають навіть у вологому повітрі.

Застосування кальцій карбіду. Сировина для отримання кальцій ціанаміду, ацетилену, і інших технічно важливих органічних продуктів. Основні шляхи переробки кальцій карбіду:

• Під дією води кальцій карбід гідролізується на ацетилен і карбідний шлам;
• У азотуючій печі кальцій карбід реагує з азотом з утворенням ціанаміда кальцію CaCN₂.

Кальцій флуорид CaF₂ білий, нерозчинний у воді порошок, з температурою плавлення 1403*С. З концентрованою сульфатною кислотою утворює гідроген флуорид:

CaF₂ + H₂SO₄ = CaSO₄ + 2HF

У природі зустрічається у вигляді мінералу флюориту (плавиковий шпат) – зазвичай в формі великих кристалів, які за рахунок домішок можуть мати жовте, зелене, фіолетове забарвлення.

Кальцій флуорид – сировина для хімії флуору, застосовується також як флюс в чорній і кольоровій металургії.

Кальцій хлорид CaCl₂ дуже гігроскопічна, легко розчинна у воді тверда речовина, температура плавлення 772*С. В лабораторії використовується як водопоглинаючий засіб (в хлоркальцієвих трубках, в ексикаторах і т.п.) для осушення рідин і газів. Побічний продукт виробництва соди.

Кальцій сульфід CaS в техніці отримують прожарюванням кальцій сульфату з вугіллям, використовують для видалення волосяного покриву шкір перед дублением шкір. Полісульфіди кальцію Ca(S_n) – від Ca(S₂) до Ca(S₅) – отримують при тривалому кип’ятінні вапняного молока з сіркою, використовують як пестицидний препарат для боротьби з борошнистою росою, проти кліщів і ін.

Кальцій нітрат Ca(NO₃)₂, тривіальна назва кальцієва, або вапняна селітра, зазвичай кристалізується з води у вигляді кристалогідрату Ca(NO₃)₂*4H₂O. Це білий гігроскопічний кристалічний порошок.

Кальцій нітрат утворюється на гіпсових стінах тваринницьких ферм, оскільки аміак, який виділяється при розкладанні білкових речовин і карбаміду, окислюється нітро-бактеріями в нітратну кислоту, яка і утворює кальцієву селітру з вапном стін.

У природі кристаллогидрат Ca(NO₃)₂*4H₂O зустрічається у вигляді мінералу нітрокальціту.

Вапняні добрива – сполуки кальцію CaCO₃, Ca(OH)₂, CaO, і CaCN₂ (кальцій ціанамід), а також суміші CaO + CaCO₃, суперфосфат і томасове борошно. В якості вапняних добрив використовують як природні матеріали (вапняк, доломіт, крейда, туф та ін.), так і продукти їх переробки (негашене і гашене вапно). Застосовують для вапнування ґрунтів з метою зниження їх кислотності і збагачення кальцієм.

---