Скелетът на всичко — от кораловите рифове до бедрената ви кост. Петият най-разпространен елемент на Земята.

Калций — Ca · №20

Калций (Ca) — химичен елемент №20

Всяка стъпка, която правите, се случва благодарение на него. Всяка коралова колония, всяка черупка на охлюв, всеки мраморен блок, от който е издялан Партенонът — всичко това е концентриран калций. Петият най-разпространен елемент на Земята е толкова навсякъде около нас, че рядко се замисляме как изглежда сам по себе си — а отговорът е изненадващ.

История на откриването

Хората са работили с калциеви съединения хиляди години, преди изобщо да подозират съществуването на самия елемент. Варовикът — калциев карбонат — е бил строителен материал в Египет, Рим и Гърция. Думата „калций" идва от латинското calx, което означава точно „вар" или „варовик". Римляните са изпичали варовик, за да получат негасена вар (калциев оксид), и са я използвали в строителни разтвори. Те са правили с нея мостове, акведукти и арени — просто не са знаели как се казва активната съставка.

Самият метал остава неуловим до 1808 г., когато английският химик Хъмфри Дейви се захваща с него в лабораторията си в Лондон. Дейви вече е изолирал калий и натрий само година по-рано, използвайки електролиза — тогавашна новост, почти вълшебство за научния свят. За калция обаче методът се оказва по-труден. Дейви електролизира смес от гасена вар (калциев хидроксид) и живачен оксид, като използва живак като електрод. Получава амалгама — сплав на калций с живак. После дестилира живака и накрая изолира чистия метал. Не е елегантен процес, но работи.

Интересно е, че малко преди Дейви шведският химик Йонс Якоб Берцелиус и неговият сътрудник Магнус Понтин провеждат почти идентичен опит и също получават калциево-живачна амалгама — но не успяват да стигнат до чистия метал. Дейви ги изпреварва с броени седмици. Впрочем това не е единственото им „съревнование" — двамата учени нееднократно работят паралелно по едни и същи проблеми в началото на XIX век, когато електрохимията се ражда почти едновременно в няколко европейски лаборатории.

Физични свойства

Ако сте си представяли калция като бял прах, подобен на вар — забравете. Чистият калциев метал е сребристобял, с лек блясък, и прилича на алуминий. Плътността му е 1.54 g/cm³, което го прави изненадващо лек — по-лек от алуминия (2.70 g/cm³) и значително по-лек от желязото. Парче чист калций буквално ще потъне много бавно в концентрирана сярна киселина, защото почти плува.

Металът е достатъчно мек, за да го нарежете с нож — твърдостта му по скалата на Моос е около 1.75. Топи се при 842°C и кипи при 1484°C. При стайна температура съществува в кубична кристална структура, но при загряване над 450°C преминава в друга кристална форма. Проводимостта му е добра, макар и далеч от медта — калцият провежда ток около 4 пъти по-слабо от нея. На въздух бързо губи блясъка си: образува тънък сив слой от оксид и нитрид, точно като по-известните му роднини — магнезий и барий.

Химични свойства

Калцият е доста реактивен — по-малко от калия и натрия, но повече от магнезия. В периодичната таблица на елементите той стои в група 2, и това определя всичко: два валентни електрона, които лесно отстъпва, образувайки стабилния йон Ca²⁺. Тази +2 окислителна степен е единствената, в която калцият се среща в природата и в химията — за разлика от преходните метали, тук няма избор.

Хвърлете парче калций във вода и реакцията е видима веднага: металът потъва (за разлика от натрия, който плава), но около него се образуват мехурчета водород и разтворът се нагрява. Реакцията е умерена — не толкова бурна като при калия, но определено не пренебрежима:

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑

Калциевият хидроксид, Ca(OH)₂, е познатата гасена вар — слабо разтворима основа, която обагря разтвора в млечнобяло. С киселини калцият реагира енергично. С кислород гори с червеникавооранжев пламък, давайки калциев оксид (CaO), негасената вар. С азот при нагряване образува калциев нитрид (Ca₃N₂). Калциевият карбид (CaC₂) е любопитно съединение — реагира с вода и отделя ацетилен, газ, с който някога са захранвали карбидни лампи.

Сред важните калциеви съединения трябва да споменем калциевия карбонат (CaCO₃) — мрамор, варовик и тебешир са едно и също нещо в химически смисъл. Калциевият сулфат (CaSO₄) е гипсът — в хидратирана форма се втвърдява при смесване с вода и се използва за отливки и строителни материали. Калциевият хипохлорит (Ca(ClO)₂) е активната съставка в белината за дезинфекция на басейни.

Къде го срещаме

Варовиковите скали покриват около 10-15% от сушата. Мраморът, от който са правени гръцките статуи, е метаморфозирал варовик. Тебеширът, с който учителите са писали на дъска векове наред, е биогенен калциев карбонат — буквално натрупани скелети на микроорганизми от мезозоя.

Портланд цимент — основата на съвременното строителство — е главно калциев силикат. Когато се смеси с вода, протича сложна хидратационна реакция и сместа се втвърдява. Всеки блок бетон е пространствена кристална мрежа, закотвена от калциеви йони.

В хранителната промишленост калциевият карбонат (E170) се добавя в брашно, зърнени закуски и дори бонбони. Калциевият хлорид пък се сипе върху пътища при обледяване — разтопява леда при температури до около -30°C, значително по-ниски от натриевия хлорид. В сиренарството калциевият хлорид подпомага коагулацията на млякото.

Металургията използва чистия калций като редуктор при производство на редкоземни метали и урановата промишленост. В стоманодобива малко количество калций се добавя за „почистване" — той свързва сярата и кислорода и ги извлича от стопилката.

Биологична роля

Тук калцият е безспорна звезда. Около 99% от калция в човешкото тяло е в костите и зъбите — под формата на хидроксиапатит, Ca₅(PO₄)₃(OH). Костта не е мъртъв материал: тя непрекъснато се разгражда и изгражда наново, а калцият се движи постоянно между кръвта, костите и клетките. Средният възрастен носи в тялото си около 1 килограм калций.

Останалият 1% изглежда незначителен, но е жизненоважен. Калциевите йони Ca²⁺ задействат мускулните контракции — включително сърдечния мускул. Без тях нито едно мускулно влакно не би се свило. Калцият участва в предаването на нервните сигнали, в кръвосъсирването (той е Фактор IV в коагулационната каскада), в освобождаването на хормони и невротрансмитери. Нивото на калций в кръвта се регулира с изключителна точност от паращитовидните жлези — с точност до части от милимол на литър. Отклонение в двете посоки причинява сериозни проблеми: твърде малко калций води до тетания и мускулни спазми, твърде много — до образуване на камъни в бъбреците и калцификация на меките тъкани.

Растенията също се нуждаят от калций — той укрепва клетъчните стени и участва в предаването на сигнали при стрес. Дефицит на калций при доматите води до характерната „апикална гниене" — почернялото дъно на плода.

Корали, миди, охлюви, морски таралежи — всички те строят скелетите и черупките си от калциев карбонат. Когато морето се подкислява заради CO₂, тези черупки буквално се разтварят. Проблемът с океанската ацидификация е в много голяма степен проблем с калция.

Любопитни факти

Калцият е по-стар от Земята. Почти целият калций в Слънчевата система е произведен при термоядрени реакции в масивни звезди и при свръхнови взривове, преди Земята да се е образувала. Калцият, от който е изграден скелетът ви, е бил синтезиран в звездно ядро преди повече от 4.5 милиарда години.

Тебеширът и мраморът са едно и също. Химически — абсолютно идентични: и двата са CaCO₃. Разликата е само в историята: мраморът е бил притискан и нагряван дълбоко в земната кора, докато тебеширът се е утаил тихо на дъното на плитко море.

Калцият горял в Луната. Данните от мисиите Аполо показват, че лунната почва (реголитът) съдържа значителни количества калций — около 10% по маса. Минералите анортит и пироксен са калциеви силикати, типични за лунната кора.

Твърдата вода е заради него. Когато водата преминава през варовикови пластове, разтваря малко калциев бикарбонат. Именно натрупването на калциев карбонат в котлите, тръбите и кафемашините е онова бяло напластяване, с което водата от чешмата се прочува в много градове.

Хъмфри Дейви открива рекорден брой елементи. За по-малко от две години — между 1807 и 1808 г. — той изолира калий, натрий, калций, магнезий,

Разгледайте всички Химия в Uchitel.bg →