Кальций - химический элемент, который играет важнейшую роль в организме человека и животных. От чего же зависит его биологическая активность? Во многом - от особенностей электронного строения атома и образуемых соединений.
Основные сведения о кальции
Кальций - химический элемент с атомным номером 20. Он расположен во второй группе, четвертом периоде периодической системы элементов.
Кальций был впервые выделен в чистом виде в 1808 году английским химиком Гемфри Дэви. Название элемент получил от латинского "calx" - известь.
По физическим свойствам кальций - это мягкий металл серебристо-белого цвета. Он обладает высокой химической активностью, легко вступает в реакции с кислородом, галогенами и водой. Из-за этого в природе свободный кальций не встречается.
В земной коре содержится около 3,5% кальция по массе. Это пятый по распространенности элемент после кислорода, кремния, алюминия и железа. Основные минералы кальция - известняк, мрамор, мел, гипс, флюорит.
Кальций широко используется в строительстве, химической промышленности, металлургии, медицине. Он входит в состав различных сплавов, бетонов, цементов, удобрений.
Строение атома кальция
Ядро атома кальция состоит из 20 протонов и 20 нейтронов. Оно имеет положительный заряд +20. Вокруг ядра по энергетическим уровням движутся 20 электронов.
Электронная конфигурация атома кальция записывается как [Ar] 4s2.
Это означает, что:
- первые два уровня (1s и 2s) полностью заполнены
- на третьем уровне (3s) также все места заняты
- последние два 4s-электрона являются валентными
Благодаря наличию двух валентных электронов кальций проявляет в соединениях степень окисления +2.
Электронная конфигурация катиона Ca2+
При взаимодействии атома кальция с другими веществами образуется положительно заряженный ион Ca2+. Это происходит за счет отдачи двух 4s-электронов:
Ca → Ca2+ + 2e-
Таким образом, электронная конфигурация иона кальция Ca2+ состоит из заполненных внутренних оболочек:
[Ar]
Наличие двух потерянных электронов и обуславливает заряд +2 у катиона кальция.
Электронная структура катиона во многом определяет свойства образуемых им химических соединений. Рассмотрим это подробнее в следующих разделах.
Валентность и степень окисления кальция
Как упоминалось ранее, валентными для атома кальция являются два 4s-электрона на внешнем слое. Именно они определяют способность кальция образовывать химические связи с другими атомами.
Так, в соединениях кальций отдает оба валентных электрона, приобретая степень окисления +2. Это соответствует валентности элемента.
Химические реакции кальция
Благодаря высокой химической активности, кальций легко вступает в реакции с простыми и сложными веществами. Рассмотрим некоторые примеры.
С кислородом кальций образует оксид CaO:
2Ca + O2 = 2CaO
При взаимодействии с водородом выделяется газообразный продукт - CaH2:
Ca + H2 = CaH2
Биологическая роль кальция
Кальций крайне важен для нормальной жизнедеятельности организмов. Около 99% кальция в организме человека и животных сосредоточено в костях и зубах.
Кальций необходим для формирования крепкого костного скелета, предотвращения остеопороза. Он также участвует в регуляции мышечных сокращений, передаче нервных импульсов.
Кальций в пищевых продуктах
Основные природные источники кальция - молочные продукты, сыр, зеленые овощи, орехи, рыба с мягкими косточками.
Суточная потребность взрослого человека в кальции составляет около 1000 мг. Избыток или недостаток этого элемента приводит к нарушениям здоровья.
Какова электронная конфигурация атома кальция
Электронная конфигурация атома кальция записывается как [Ar] 4s2. Это означает, что на внешнем, четвертом энергетическом уровне атома находится два s-электрона. Именно они определяют химические свойства кальция, его способность образовывать соединения.
Формулы электронной конфигурации кальция
Рассмотрим различные способы записи электронной конфигурации атома кальция и образуемых им ионов.
Полная электронная формула атома кальция имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
Здесь подробно указано заполнение каждого энергетического уровня электронами.
Сокращенный вариант с использованием символа благородного газа аргона [Ar]:
[Ar] 4s2
Для иона Ca2+ применяется еще более краткая форма:
[Ar]
Это объясняется потерей кальцием двух 4s-электронов с образованием катиона.
Свойства соединений кальция
Химические соединения кальция широко используются в промышленности и строительстве.
Так, оксид кальция СаО (негашеная известь) применяется для получения стекла, цемента, керамики. Гидроксид кальция Са(ОН)2 (гашеная известь) используется как вяжущее вещество при производстве строительных растворов и бетона.
Биологические функции кальция
Помимо участия в формировании костей и зубов, кальций выполняет в организме человека и животных еще ряд важных функций.
В частности, ионы кальция Ca2+ необходимы для свертывания крови, сокращения мышц, передачи нервных импульсов. Они также регулируют активность ферментов, обеспечивают проницаемость клеточных мембран.
Нормы потребления кальция
Суточная потребность взрослого человека в кальции составляет 1000-1200 мг. Для детей и подростков нормы несколько ниже:
- 1-3 года - 700 мг
- 4-8 лет - 1000 мг
- 9-13 лет - 1300 мг
- 14-18 лет - 1300 мг
Превышение рекомендованных норм на 50-100% не представляет угрозы для здоровья. Однако избыточное поступление кальция может привести к гиперкальциемии и нарушениям сердечной деятельности.
Недостаток кальция
Дефицит кальция в организме возникает при недостаточном поступлении с пищей или нарушении всасывания в кишечнике.
У детей недостаток кальция вызывает рахит - заболевание, характеризующееся деформацией костей скелета. У взрослых развивается остеопороз с повышенной ломкостью костей.
Аналитическое определение кальция
Содержание ионов кальция в водных растворах можно определить с помощью комплексонометрического титрования. В качестве титранта используется раствор этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА).
По результатам титрования рассчитывается концентрация Ca2+ и общая жесткость анализируемой пробы.
Применение соединений кальция
Соединения кальция находят широкое применение в самых разных областях:
- Строительство (цемент, бетон, строительные растворы)
- Сельское хозяйство (удобрения)
- Пищевая промышленность (улучшение структуры продуктов)
- Металлургия (раскисление стали)
- Медицина (лечебные препараты)
Таким образом, несмотря на распространенность, соединения кальция сохраняют высокую практическую ценность.
Методы анализа соединений кальция
Для определения кальция и его соединений в реальных образцах применяются разнообразные аналитические методы.
Наиболее распространены титриметрический, гравиметрический и спектральный анализ. Рассмотрим их особенности.
Титриметрический метод
Основан на реакции ионов Ca2+ с комплексоном ЭДТА и последующем титровании избытка реагента. Позволяет определить общее содержание кальция в пробе.
Гравиметрический анализ
Заключается в осаждении нерастворимого соединения кальция, фильтровании, высушивании и взвешивании осадка. Дает представление о массовой доле элемента в образце.
Спектральные методы
Атомно-эмиссионный и атомно-абсорбционный анализ позволяют определить концентрацию кальция по интенсивности спектральных линий. Отличаются высокой чувствительностью.
Техника безопасности при работе с кальцием
Несмотря на жизненную необходимость, соединения кальция могут оказывать вредное воздействие при неправильном обращении.
Работу следует проводить в вытяжном шкафу, используя средства индивидуальной защиты. Необходимо избегать вдыхания пыли солей кальция, контакта с кожей и слизистыми оболочками.
При попадании веществ на кожу требуется промыть пораженный участок большим количеством воды. При необходимости обратиться к врачу.
Утилизация отходов, содержащих кальций
В промышленных процессах образуются различные отходы, загрязненные соединениями кальция. Они требуют надлежащей утилизации или регенерации.
Твердые отходы
К ним относятся остатки строительных смесей, шлаки металлургического производства, золы от сжигания углей и древесины.
После соответствующей обработки такие отходы можно использовать в качестве добавок для цемента или наполнителей для бетона. Это позволяет снизить расход природного сырья.
Жидкие отходы
Сточные воды промышленных предприятий часто содержат избыток солей кальция, вызывая повышенную жесткость.
Для очистки применяются методы реагентной обработки, ионного обмена, обратного осмоса. Это позволяет извлечь кальций и подготовить воду для повторного использования.
Перспективы применения кальция
Несмотря на многовековую историю использования, соединения кальция не утратили актуальности и в наши дни. А развитие нанотехнологий открывает новые перспективы.
В частности, ведутся работы по созданию наночастиц кальция для адресной доставки лекарств, контрастных веществ для МРТ-диагностики, биодеградируемых имплантатов.
Также nanocalcium может найти применение в качестве высокоэффективных антиоксидантов для замедления процессов старения.
Кальций в косметологии и медицине
Соединения кальция находят все более широкое применение в косметических средствах и фармацевтических препаратах.
Кальций в косметике
Кальций активно используется в кремах и лосьонах для лица. Он оказывает легкое отбеливающее действие, способствует регенерации кожи, разглаживает морщины.
Также ионы Ca2+ входят в состав зубных паст и ополаскивателей. Они укрепляют эмаль зубов, предотвращают кариес и воспаление десен.
Медицинские препараты кальция
Для профилактики и лечения дефицита кальция используются различные лекарственные средства.
Это могут быть препараты для приема внутрь на основе карбоната или цитрата кальция. Также выпускаются инъекционные формы глюконата кальция.
Кальций в сельском хозяйстве
Соединения кальция являются важным компонентом минеральных удобрений, которые активно применяются в сельском хозяйстве.
Внесение извести или гипса повышает pH почвы, улучшает структуру, активизирует жизнедеятельность микроорганизмов. Это способствует повышению урожайности сельхозкультур.
