钙：性质，结构，获得，用途 - 化学

的钙是属于2（Becambara先生）组周期表一种碱土金属。这种金属的含量在地壳中的所有元素中居第五位。在铁和铝后面。用化学符号Ca表示，原子序数为20。

钙占地壳的3.64％，是人体中含量最高的金属，占其重量的2％。他本性上不是自由的。但它是众多矿物质和化合物的一部分。

存储在矿物油中的高纯度金属钙可保护其免受氧气和湿气的影响。来源：2×910

例如，它存在于方解石矿物中，而方解石又是石灰石的一部分。碳酸钙在地球上以大理石，白云石，蛋壳，珊瑚，珍珠，钟乳石，石笋的形式存在，以及许多海洋动物或蜗牛的壳中存在。

另外，钙是其他矿物质的一部分，例如石膏，硬石膏，萤石和磷灰石。那么就文化层面而言，它与骨头同义就不足为奇了。

当暴露于空气中时，钙被淡黄色涂层覆盖，该涂层是氧化钙，氮化物和氢氧化物的混合物。但是，刚切下的表面有光泽，银白色。它柔软，莫氏硬度为1.75。

钙在生物中具有多种功能，其中钙是决定骨骼系统结构和功能的化合物的一部分。它通过激活几种凝血因子（称为因子IV）来干预凝血级联反应。

此外，钙参与肌肉收缩，从而使收缩蛋白（肌动蛋白和肌球蛋白）结合。并促进某些神经递质的释放，包括乙酰胆碱。

化学上，它几乎总是参与其有机或无机化合物，如二价阳离子Ca ²⁺。它是配位数最高的阳离子之一，也就是说，它可以同时与多个分子或离子相互作用。

历史

在古时候

钙化合物如石灰（CaO）或石膏（CaSO ₄）已被人类使用了数千年，而忽略了它们的化学结构。石灰作为建筑材料和用于制作雕塑的灰泥使用于公元前7,000年

在美索不达米亚发现了一个石灰窑，该石灰窑是在公元前2500年使用的，在不久的一段时间内，吉萨大金字塔的建造过程中使用了石膏。

识别与隔离

约瑟夫·布莱克（Joseph Black，1755年）解释说，石灰比产生石灰的石灰石（碳酸钙）轻。这是因为它在加热过程中会损失二氧化碳。

Antoine Lavoiser（1787）得出结论，石灰必须是一种未知化学元素的氧化物。

汉弗莱·戴维爵士（Sir Humphrey Davy，1808年）恰好是在他发现硼的那一年，利用Jakar Berzelius和Magnus Martin使用的电解技术对钙进行了同样处理。

戴维使用相同的实验设计分离了钙和镁。他在铂板上混合了氧化钙和汞（II），用作阳极（+），而阴极（-）是部分浸入汞中的铂丝。

电解产生钙和汞的汞齐。为了纯化钙，将汞齐进行蒸馏。但是，没有获得纯钙。

物产

物理描述

银白色金属，暴露于空气后变为灰白色。在潮湿的空气中，它呈现出浑浊的蓝灰色。固体或干粉。晶体结构集中在面部。

原子重量

40.078克/摩尔

熔点

842℃。

沸点

1,484摄氏度

密度

在室温下为-1.55 g / cm ³。

熔点为-1.378 g / cm ³液态。

熔化热

8.54 kJ /摩尔

汽化热

154.7 kJ /摩尔

摩尔热容量

25.929 J /（摩尔·K）。

比热容

0.63焦耳/ gK

电负性

鲍林标度为1.0

电离能

-第一次电离589.8 kJ / mol

-第二电离1,145 kJ / mol

-第三电离4.912 kJ / mol

-第四次电离为6,490.57 kJ / mol，还有4种电离能。

原子无线电

下午197

共价半径

176±10下午

热膨胀

在20°C时为22.3 µm / m·K。

导热系数

201瓦/米

电阻率

在20°C时为336nΩ·m。

硬度

在Mohs等级上为1.75。

同位素

钙具有6种天然同位素：⁴⁰ Ca，⁴² Ca，⁴³ Ca，⁴⁴ Ca，⁴⁶ Ca和⁴⁸ Ca，以及19种放射性合成同位素。同位素最丰富的是⁴⁰ Ca（96.94％），⁴⁴ Ca（2.086％）和⁴² Ca（0.647％）。

反应性

钙与水自发反应，生成氢氧化钙和氢气。与空气中的氧气和氮气反应，分别生成氧化钙和氮化钙。分裂时，它会自燃在空气中燃烧。

当钙被加热时，它与氢反应形成卤化物。它还与所有卤素反应形成卤化物。它还与硼，硫，碳和磷反应。

钙的结构和电子构型

钙原子通过金属键连接，将其两个价电子贡献给电子的潮汐。因此，Ca原子与产生的电子带之间的相互作用最终定义为具有面心立方结构的晶体（ccc，西班牙语；或fcc，英语，面心立方）。

如果将此ccc ccc晶体加热到450°C左右，它将经历到hcp相的转变（紧密六角形或紧密堆积的六角形）。换句话说，结构变得更致密，好像电子的运动和原子的振动缩小了将它们分开的距离。

钙原子具有以下电子构型：

4秒²

这将解释该金属的两个价电子来自其最外层的4s轨道。当失去它们时，形成二价阳离子Ca ²⁺，与稀有气体氩等电子。也就是说，Ar和Ca ²⁺具有相同数量的电子。

正是钙的4s轨道结合起来建立了这些晶体的价带。空的4p轨道也会发生同样的情况，这会建立一个导带。

取得

钙是通过熔融氯化钙的电解生产的。电极上发生以下反应：

在阳极：2CL ^-（1）=>氯₂（克）+ 2E ^-

通过捕获离子钙中的电子，钙作为金属沉积在阴极上。

在阴极处：Ca ²⁺（l）+ 2 e ^- => Ca（s）

在小范围内，可以通过用铝还原氧化钙或用金属钠还原氯化钙来生产钙。

6 CaO + 2 Al => 3 Ca + Ca ₃ Al ₂ O ₆

CaCl ₂ + 2 Na => Ca + NaCl

应用领域

元素钙

钙在玻璃灯泡的制造中用作添加剂，在其最初的制造阶段就添加到灯泡中。它还在末尾添加，以便与灯泡内残留的气体结合。

在生产铜和钢等金属时用作分解剂。钙和铯的合金用于打火机的火石中，以产生火花。钙是一种还原剂，但它也具有脱氧和脱氧的应用。

钙用于从其氧化物制备金属，例如铬，th，铀，锆和其他金属。用作铝，铜，铅，镁和其他贱金属的合金剂；并用作某些高温合金的脱氧剂。

含铅合金中的钙（0.04％）用作电话电缆的护套。它与整形外科植入物中的镁合金一起使用，以延长其使用寿命。

碳酸钙

它是陶瓷，玻璃，塑料和油漆中的填充材料，也是生产石灰的原料。高纯度合成碳酸盐在医学上用作抗酸剂和膳食钙的补充剂。它也可以用作食品的添加剂。

氧化钙

氧化钙用于建筑行业，用于墙面装饰。它也被并入混凝土中。在19世纪，燃烧了氧化钙块，以强烈的白光照亮舞台。

石灰（还是氧化钙）用于从钢中去除铁质材料中不需要的成分，例如二氧化硅（SiO ₂）。反应产物是被称为“炉渣”的硅酸钙（CaSiO ₃）。

石灰与水结合形成氢氧化钙。该化合物絮凝并下沉，将杂质拖至储罐底部。

烟囱的内部衬有石灰，以消除工厂的烟雾。例如，它捕获了导致酸雨的二氧化硫（SO ₂），并将其转化为亚硫酸钙（CaSO ₃）。

氯化钙

氯化钙用于控制道路上的结冰；蜜饯中番茄的调理剂；汽车和卡车车身制造。

硫酸钙

它通常以CaSO ₄ ·2H ₂ O（石膏）的形式存在，用作土壤改良剂。煅烧石膏用于制造瓷砖，木板和板条。它也用于固定骨折。

磷酸钙

天然存在各种形式的磷酸钙，并用作肥料。酸性钙盐（CaH ₂ PO ₄）被用作塑料的肥料和稳定剂。发现磷酸钙是骨组织的一部分，尤其是羟基磷灰石。

其他钙化合物

有许多具有各种应用的钙化合物。例如，碳化钙用于获得乙炔，该乙炔用于焊炬。海藻酸钙在冰淇淋等食品中用作增稠剂。

次氯酸钙用作漂白剂，除臭剂，杀真菌剂和除藻剂。

高锰酸钙是一种火箭推进剂液体。它也用作净水剂，并用于纺织品生产。

生物功能

钙在生物中具有多种功能：

-它作为因子IV介入凝血级联反应。

-激活包括凝血酶在内的几种凝血因子是必要的。

-在骨骼肌中，钙释放蛋白质系统对肌肉收缩的抑制作用，从而形成肌动蛋白-肌球蛋白桥，从而引起收缩。

-稳定可兴奋细胞的离子通道。在低血钙症中，钠通道被激活，这会导致钠进入细胞，并且会产生持续的收缩（破伤风），这可能是致命的。

-此外，钙有利于神经递质乙酰胆碱在突触前末端的释放。

风险与预防措施

与水放热反应。因此，一旦摄入，可能对口腔，食道或胃造成严重伤害。

在钙元素产生的地方或使用金属的地方，工人面临这种风险。预防措施是用口罩保护自己，避免吸入粉尘，衣服和足够的通风。

高钙血症极为危险，主要由甲状旁腺激素分泌过多或维生素D摄入过多引起。钙的过量摄入（例如每天超过2.5 g）很少引起高钙血症。

肾脏中过多的钙积累会导致肾结石和肾脏肾病。另外，钙在血管壁中的积累会改变其弹性，这可能是高血压，血流缓慢和血栓形成的原因。

基本的预防措施是，当医生观察到患者症状的特征（使他怀疑高钙血症并开始采取适当的治疗措施）时，将钙血症纳入实验室测试。

参考文献

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