Строения атома кальция: схема, особенности, интересные факты

Кальций играет важнейшую роль в организме человека и животных, входя в состав костей, зубов, участвуя в свертывании крови. Но что же представляет собой атом этого удивительного химического элемента? Давайте разберемся!

Общая информация о кальции

Кальций имеет порядковый номер 20 в таблице Менделеева. Относится к щелочноземельным металлам, находится во II группе, 4 период. Это серебристо-белый металл, который легко окисляется на воздухе. Температура плавления кальция составляет 854°С.

Кальций широко используется в промышленности для производства сплавов, в частности легких алюминиево-кальциевых сплавов для авиастроения. Также широко применяется при выплавке чугуна и стали. Важную роль кальций играет в строительстве - в форме цемента, бетона, гипса. А в составе мела и мрамора этот элемент используется для художественных работ и отделки поверхностей.

Интересный факт: в Древнем Риме был широко распространен обычай добавлять кальциевую сажу в вино, чтобы снизить его кислотность.

Строение атомного ядра кальция

Ядро атома кальция состоит из 20 протонов, имеющих положительный заряд, и 20 нейтронов. Таким образом, суммарный заряд ядра равен +20. Вокруг ядра по четырем энергетическим уровням движется 20 электронов, уравновешивающих этот положительный заряд.

У кальция есть 6 стабильных изотопов, которые отличаются друг от друга числом нейтронов в ядре: от 20 до 25. Наиболее распространен изотоп 40Ca с 20 нейтронами.

Расположение протонов и нейтронов в ядре кальция можно представить следующей схемой:

Электронного строение атома кальция, особенности

Электронная оболочка атома кальция имеет 4 энергетических уровня. Электроны распределяются следующим образом:

1. 1s2
2. 2s2 2p6
3. 3s2 3p6
4. 4s2

То есть на внешнем, четвертом, энергетическом уровне находится 2 электрона. Эти электроны называются валентными, так как они определяют химические свойства атома кальция.

Строение атома кальция - электронная формула кальция, отражающая распределение электронов по уровням, записывается так: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²

В отличие от некоторых других атомов, у кальция отсутствуют возбужденные состояния, несмотря на наличие вакантных 3p- и 3d-орбиталей.

Валентные электроны и степень окисления

На внешнем энергетическом уровне атома кальция находятся два электрона 4s2. Эти электроны играют ключевую роль при взаимодействии атома с другими атомами, образуя химические связи.

Так как у кальция на внешнем слое два электрона, его валентность равна II. Это значит, что при соединении с другими элементами атом кальция использует оба 4s электрона.

Соответственно, степень окисления кальция в большинстве соединений равна +2, так как атом теряет два электрона с внешнего слоя, становясь двухзарядным положительным ионом Ca2+.

Реакционная способность кальция

Благодаря наличию двух валентных электронов, кальций проявляет высокую химическую активность, легко вступая в реакции с другими веществами.

Например, при взаимодействии кальция с кислородом образуется оксид кальция CaO:

• 2Ca + O₂ = 2CaO

А в реакции с водой выделяется водород и образуется гидроксид кальция Ca(OH)2:

• Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂

Биологическая роль кальция

Уникальные химические свойства кальция, обусловленные строениями атома кальция, играют важнейшую роль в живых организмах. Ионы кальция участвуют в свертывании крови, регулируют работу мышц и нервной системы, входят в состав костной ткани вместе с фосфатами.

Таким образом, знания об особенностях строения атома позволяют глубже понять роль кальция в организме человека и животных.

Перспективы практического использования

Дальнейшие исследования в области ядерной физики и радиохимии могут раскрыть новые возможности использования изотопов кальция.

В частности, изотоп Ca-48 является подходящим материалом для синтеза сверхтяжелых элементов. Это открывает перспективы для открытия новых химических элементов с уникальными свойствами.

Взаимодействие кальция с другими веществами

Рассмотрим более подробно некоторые типичные реакции кальция с другими веществами.

• С неметаллами: 2Ca + O2 = 2CaO Ca + S = CaS 3Ca + N2 = Ca3N2
• С металлами: 2Ca + Si = Ca2Si Ca + 2Mg = CaMg2
• С водой и кислотами: Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2↑ Ca + 2HCl = CaCl2 + H2↑

Как видно из приведенных уравнений, во всех случаях кальций отдает свои два 4s электрона, проявляя степень окисления +2.

Термодинамическая устойчивость соединений кальция

Большинство соединений кальция являются термодинамически неустойчивыми и легко разлагаются с выделением кальция. Однако некоторые соединения, такие как CaF2, CaCO3, CaSiO3 достаточно стабильны.

Это объясняется образованием прочных ионных или ковалентных химических связей, которые трудно разрушить без значительных энергетических затрат.

1Кальций в природе и техносфере

В земной коре кальций является пятым по распространенности химическим элементом. Встречается в виде соединений, главным образом в форме карбоната (CaCO3) и сульфата (CaSO4).

Значительные запасы кальция содержатся в осадочных породах - известняках, мелу, мраморе, гипсе. Эти минералы активно используются человеком в различных отраслях промышленности и строительстве.