Валентность кальция: свойства элемента
Кальций - важнейший элемент, без которого невозможна жизнь. В статье мы разберем его уникальные свойства, роль в организме человека и практическое применение соединений кальция.
Физические и химические свойства кальция
Кальций - это серебристо-белый металл с плотностью 1,54 г/см3. Он относится к щелочноземельным металлам, находится во 2-й группе 4-го периода периодической системы.
В атоме кальция 20 протонов и 20 нейтронов. На 4 энергетических уровнях атома расположены 20 электронов. Электронная формула в основном состоянии:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
Кальций проявляет валентность II, имея во внешнем энергетическом уровне два неспаренных электрона 4s-подуровня. Это означает, что атом кальция отдает два электрона при химических реакциях и образует две ковалентные связи с другими атомами.
Химические реакции кальция
Кальций - активный металл, легко вступает в реакции с кислородом, галогенами, водой. Например:
- 2Ca + O2 = 2CaO
- Ca + 2HCl = CaCl2 + H2
- Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2
При нагревании кальций взаимодействует с менее активными неметаллами - углеродом, кремнием, фосфором. Образуется фосфид кальция Ca3P2, силициды CaSi, Ca3Si4, CaSi2.
Распространение кальция в природе
Валентность кальция играет важную роль в миграции веществ и образовании природных соединений.
В земной коре содержится 3,4% кальция по массе. Он входит в состав минералов - кальцита, доломита, флюорита, апатитов. Также встречается в горных породах гранитах, гнейсах, известняках.
CaCO3 <-> Ca2+ + CO32-
Карбонат кальция вступает в реакцию с водой и углекислым газом с образованием растворимого гидрокарбоната. Этот процесс ответственен за карстовые пещеры, сталактиты, выщелачивание горных пород.
Биологический круговорот
Огромные массы кальция переносятся живыми организмами. Например, раковины моллюсков состоят из CaCO3. После их отмирания кальций возвращается в почву и горные породы.
Кальций активно поглощается растениями, затем по пищевой цепи переходит к животным и человеку.
Биологическая роль кальция
Кальций необходим для жизнедеятельности организмов. Валентность и степень окисления кальция равны +2, поэтому ионы Ca2+ участвуют во многих биохимических процессах.
Кальций в организме человека
В теле взрослого человека содержится примерно 1 кг кальция. Около 99% находится в костях и зубах в форме гидроксиапатита Ca5(PO4)3OH.
Концентрация ионов Ca2+ в крови точно регулируется и составляет около 2,5 ммоль/л. Кальций необходим для свертывания крови, мышечных сокращений, передачи нервных импульсов.
При длительном дефиците кальция возникают остеопороз и другие нарушения. Поэтому важно получать достаточно этого элемента с пищей.
Источники кальция в пище
Чтобы восполнить дефицит кальция, важно получать этот элемент с продуктами питания. Богаты кальцием молочные продукты, рыба с костями, орехи, бобовые и некоторые овощи.
Лучше всего усваивается кальций из молока и сыра. Его биодоступность составляет около 30%. Из растительных продуктов кальций усваивается хуже, но есть способы повысить его биодоступность.
Приготовление пищи и усвояемость кальция
Чтобы лучше усваивался кальций из бобовых, их нужно предварительно замачивать, проращивать или термически обрабатывать. Жареная или тушеная пища улучшает усвоение кальция по сравнению с сырой.
Рекомендуемое потребление кальция
Взрослому человеку требуется 1000-1200 мг кальция в сутки. Эту норму можно обеспечить, съедая, например:
- 2 порции молочных продуктов
- 1 порцию рыбы с костями
- горсть орехов
- 1 порцию бобовых
Промышленное использование соединений кальция
Благодаря высшей валентности +2 кальций образует прочные связи с атомами других элементов. Это определяет широкое применение его соединений.
Применение в строительстве
Известь, гипс, цемент на основе солей кальция используются в строительстве уже тысячи лет. Они входят в состав бетона, строительных растворов, кладочных строительных смесей.
Производство стекла, керамики и сплавов
Оксид и карбонат кальция применяются для изготовления стекла, фарфора, фаянса, майолики. Также кальций входит в состав многих металлических сплавов, улучшая их свойства.
Другие области использования
Соли кальция применяются в сельском хозяйстве как удобрения или мелиоранты. Также они используются в пищевой промышленности, медицине, производстве косметики и бытовой химии.
Кальций в истории и культуре
Соединения кальция издревле использовались в культуре и искусстве. Например, известь и мрамор - в архитектуре, кальцит - в ювелирном деле. Кальций упоминается в мифологии и фольклоре разных народов.
Необычные минералы кальция
Помимо широко распространенных, существуют редкие минералы кальция с уникальными свойствами. Например, вайракит CaAl2(AlSi)O7 - прозрачный минерал голубого цвета. Люминесценция некоторых минералов кальция используется в ювелирных изделиях.
Интересные факты о кальции
Кальций демонстрирует аномальные свойства под высоким давлением. Он перестает быть проводником, но и полупроводником не становится. При дальнейшем повышении давления кальций вновь обретает металлические свойства и начинает проявлять сверхпроводимость.
Курьезные случаи
Известны забавные истории, связанные с воздействием соединений кальция на людей и объекты. К примеру, образование толстого слоя известковых отложений в чайниках и трубах от жесткой воды.
Перспективы применения кальция
Ведутся работы по созданию новых материалов на основе неорганических и органических соединений кальция для медицины, оптоэлектроники, сенсорики. Применение наночастиц и нанокомпозитов открывает новые возможности использования этого элемента.