Главная » LED ленты » Оксид кальция: свойства, получение, применение. Оксид кальция. Физические, термические и химические свойства. Применение

Оксид кальция: свойства, получение, применение. Оксид кальция. Физические, термические и химические свойства. Применение

Природные соединения кальция (мел, мрамор, известняк, гипс) и продукты их простейшей переработки (известь) были известны людям с древних времен. В 1808 г. английский химик Хэмфри Дэви подверг электролизу влажную гашеную известь (гидроксид кальция) с ртутным катодом и получил амальгаму кальция (сплав кальция с ртутью). Из этого сплава, отогнав ртуть Дэви получил чистый кальций.
Он же предложил название нового химического элемента, от латинского "сalx" обозначавшего название известняка, мела и других мягких камней.

Нахождение в природе и получение:

Кальций - пятый по распространенности элемент в земной коре (более 3%), образует множество пород, в основе многих из которых - карбонат кальция. Некоторые из этих пород имеют органическое происхождение (ракушечник), показывающее важную роль кальция в живой природе. Природный кальций - смесь 6 изотопов с массовыми числами от 40 до 48, причем на 40 Ca приходится 97% общего количества. Ядерными реакциями получены и другие изотопы кальция, например радиоактивный 45 Ca .
Для получения простого вещества кальция используется электролиз расплавов его солей или алюмотермия:
4CaO + 2Al = Ca(AlO 2) 2 + 3Ca

Физические свойства:

Серебристо-серый металл с кубической гранецентрированной решеткой, значительно более твердый, чем щелочные металлы. Температура плавления 842°C, кипения 1484°C, плотность 1,55 г/см 3 . При высоких давлениях и температурах около 20K переходит в состояние сверхпроводника.

Химические свойства:

Кальций не столь активен как щелочные металлы, тем не менее его приходится хранить под слоем минерального масла или в плотно запаянных металлических барабанах. Уже при обычной температуре он реагирует с кислородом и азотом воздуха, а также с водяными парами. При нагревании сгорает на воздухе красно-оранжевым пламенем, образуя оксид с примесью нитридов. Подобно магнию кальций продолжает гореть в атмосфере углекислого газа. При нагревании реагирует с другими неметаллами, образую не всегда очевидные по составу соединения, например:
Ca + 6B = CaB 6 или Ca + P => Ca 3 P 2 (а также CaP или CaP 5)
Во всех своих соединениях кальций имеет степень окисления +2.

Важнейшие соединения:

Оксид кальция CaO - ("негашёная известь") вещество белого цвета, щелочной оксид, энергично реагирует с водой ("гасится") переходя в гидроксид. Получают термическим разложением карбоната кальция.

Гидроксид кальция Ca(OH) 2 - ("гашёная известь") белый порошок, мало растворим в воде (0,16г/100г), сильная щелочь. Раствор ("известковая вода") используется для обнаружения углекислого газа.

Карбонат кальция CaCO 3 - основа большинства природных минералов кальция (мел, мрамор, известняк, ракушечник, кальцит, исландский шпат). В чистом виде вещество белого цвета или бесцв. кристаллы, При нагревании (900-1000 С) разлагается, образуя оксид кальция. Не р-рим, реагирует с кислотами, способен растворяться в воде, насыщенной углекислым газом, переходя в гидрокарбонат: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2 . Обратный процесс приводит к появлению отложений карбоната кальция, в частности таких образований, как сталактиты и сталагмиты
Встречается в природе также в составе доломита CaCO 3 *MgCO 3

Сульфат кальция CaSO 4 - вещество белого цвета, в природе CaSO 4 *2H 2 O ("гипс", "селенит"). Последний при осторожном нагревании (180 С) переходит в CaSO 4 *0,5H 2 O ("жжёный гипс", "алебастр") - белый порошок, при замешивании с водой снова образующий CaSO 4 *2H 2 O в виде твердого, достаточно прочного материала. Мало растворим в воде, в избытке серной кислоты способен растворяться, образуя гидросульфат.

Фосфат кальция Ca 3 (PO 4) 2 - ("фосфорит"), нерастворим, под действием сильных кислот переходит в более растворимые гидро- и дигидрофосфаты кальция. Исходное сырье для получения фосфора, фосфорной кислоты, фосфорных удобрений. Фосфаты кальция входят также в состав апатитов, природных соединений с примерной формулой Са 5 3 Y, где Y = F, Cl, или ОН, соответственно фтор-, хлор-, или гидроксиапатит. Наряду с фосфоритом апатиты входят в состав костного скелета многих живых организмов, в т.ч. и человека.

Фторид кальция CaF 2 - (природн.: "флюорит", "плавиковый шпат"), нерастворимое в-во белого цвета. Природные минералы имеют разнообразные окраски, обусловленные примесями. Светится в темноте при нагревании и при УФ-облучении. Увеличивает текучесть ("плавкость") шлаков при получении металлов, чем обусловлено его применение в качестве флюса.

Хлорид кальция CaCl 2 - бесцв. крист. в-во хорошо р-римое в воде. Образует кристаллогидрат CaCl 2 *6H 2 O. Безводный ("плавленый") хлорид кальция - хороший осушитель.

Нитрат кальция Ca(NO 3) 2 - ("кальциевая селитра") бесцв. крист. в-во хорошо р-римое в воде. Составная часть пиротехнических составов, придающее пламени красно-оранжевый цвет.

Карбид кальция CaС 2 - реагирует с водой, к-тами образуя ацетилен, напр.: CaС 2 + H 2 O = С 2 H 2 + Ca(OH) 2

Применение:

Металлический кальций используется как сильный восстановитель при получении некоторых трудновосстанавлиевых металлов ("кальциетермия"): хром, РЗЭ, торий, уран и др. В металлургии меди, никеля, специальных сталей и бронз кальций и его сплавы используется для удаления вредных примесей серы, фосфора, избыточного углерода.
Кальций используется также для связывания малых количеств кислорода и азота при получении глубокого вакуума и очистке инертных газов.
Нейтрон-избыточные ионы 48 Ca используются для синтеза новых химических элементов, например элемента №114, . Другой изотоп кальция, 45 Ca , используется как радиоактивная метка при исследованиях биологической роли кальция и его миграции в окружающей среде.

Основной областью применения многочисленных соединений кальция является производство строительных материалов (цемент, строительные смеси, гипсокартон и т.д.).

Кальций один из макроэлементов в составе живых организмов, образуя соединения необходимые для построения как внутреннего скелета позвоночных животных, так и внешнего многих беспозвоночных, скорлупу яиц. Ионы кальция также участвуют в регуляции внутриклеточных процессов, обуславливают свертываемость крови. Нехватка кальция в детском возрасте приводит к рахиту, в пожилом - к остеопорозу. Источником кальция служат молочные продукты, гречка, орехи, а его усвоению способствует витамин D. При нехватке кальция используются различные препараты: кальцекс, раствор хлорида кальция, глюконат кальция и др.
Массовая доля кальция в организме человека 1,4-1,7%, суточная потребность 1-1,3 г (в зависимости от возраста). Избыточное потребление кальция может привести к гиперкальцемии - отложению его соединений во внутренних органах, образованию тромбов в кровеносных сосудах. Источники:
Кальций (элемент) // Википедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Кальций (дата обращения: 3.01.2014).
Популярная библиотека химических элементов: Кальций. // URL: http://n-t.ru/ri/ps/pb020.htm (3.01.2014).

Оксид кальция (СаO) – негашеная или жженая известь – белое огнестойкое вещество, образованное кристаллами. Кристаллизуется в кубической гранецентрированной кристаллической решетке. Температура плавления – 2627 °C, температура кипения – 2850 °C.

Называется жженой известью из-за способа его получения – обжигание карбоната кальция. Обжиг производят в высоких шахтных печах. В печь закладывают слоями известняк и топливо, а затем разжигают снизу. При накаливании происходит разложение карбоната кальция с образованием оксида кальция:

Так как концентрации веществ в твердых фазах неизменны, то константу равновесия этого уравнения можно выразить так: K = .

При этом концентрация газа может быть выражена с помощью его парциального давления, то есть равновесие в системе устанавливается при определенном давлении диоксида углерода.

Давление диссоциации вещества – равновесное парциальное давление газа, получающееся при диссоциации вещества.

Чтобы спровоцировать образование новой порции кальция, необходимо повысить температуру или удалить часть получившегося CO2 , при этом уменьшится парциальное давление. Поддерживая постоянное более низкое парциальное давление, чем давление диссоциации, можно добиться непрерывного процесса получения кальция. Для этого при обжигании извести в печах делают хорошую вентиляцию.

Получение:

1) при взаимодействии простых веществ: 2Ca + O2 = 2CaO;

2) при термическом разложении гидроксида и солей: 2Ca(NO3)2 = 2CaO + 4NO2? + O2?.

Химические свойства:

1) взаимодействует с водой: СаO + H2O = Са(OH)2;

2) реагирует с оксидами неметаллов: СаO + SO2 = CaSO3;

3) растворяется в кислотах, образуя соли: CaO + 2HCl = CaCl2 +H2O.

Гидроксид кальция (Ca(OH)2 – гашеная известь, пушонка) – белое кристаллическое вещество, кристаллизуется в гексагональной кристаллической решетке. Является сильным основанием, плохо растворимым вводе.

Известковая вода – насыщенный раствор гидроксида кальция, имеющий щелочную реакцию. На воздухе мутнеет в результате поглощения углекислого газа, образуя карбонат кальция .

Получение:

1) образуется при растворении кальция и оксида кальция вводе: CaO + H2O = Са(OH)2 + 16 ккал;

2) при взаимодействии солей кальция со щелочами: Ca(NO3)2 + 2NaOH = Ca(OH)2 + 2NaNO3.

Химические свойства:

1) при нагревании до 580 °C разлагается: Са(OH)2 = СаO + H2O;

2) реагирует с кислотами: Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O.

58. Жесткость воды и способы ее устранения

Так как кальций широко распространен в природе, его соли в большом количестве содержатся в природных водах. Вода, имеющая в своем составе соли магния и кальция, называется жесткой водой . Если соли присутствуют в воде в небольших количествах или отсутствуют, то вода называется мягкой . В жесткой воде мыло плохо пенится, поскольку соли кальция и магния образуют с ним нерастворимые соединения. В ней плохо развариваются пищевые продукты. При кипячении на стенках паровых котлов образуется накипь, которая плохо проводит теп-лоту, вызывает увеличение расхода топлива и изнашивание стенок котла. Жесткой водой нельзя пользоваться, проводя ряд технологических процессов (крашение). Образование накипи: Са + 2НСО3 = Н2О + СО2 + СаСО3?.

Перечисленные выше факторы указывают на необходимость удаления из воды солей кальция и магния. Процесс удаления этих солей называется водоумягчением , является одной из фаз обработки воды (водоподготовки).

Водоподготовка – обработка воды, используемая для различных бытовых и технологических процессов.

Жесткость воды подразделяется на:

1) карбонатную жесткость (временную), которая вызывается наличием гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется с помощью кипячения;

2) некарбонатную жесткость (постоянную), которая вызывается присутствием в воде сульфитов и хлоридов кальция и магния, которые при кипячении не удаляются, поэтому она называется постоянной жесткостью.

Верна формула: Общая жесткость = Карбонатная жесткость + Некарбонатная жесткость.

Общую жесткость ликвидируют добавлением химических веществ или при помощи катиони-тов. Для полного устранения жесткости воду иной раз перегоняют.

При применении химического метода растворимые соли кальция и магния переводят в нерастворимые карбонаты:

Более модернизированный процесс устранения жесткости воды – при помощи катионитов .

Катиониты – сложные вещества (природные соединения кремния и алюминия, высокомолекулярные органические соединения), общая формула которых – Na2R, где R – сложный кислотный остаток.

При пропускании воды через слой катионита происходит обмен ионов (катионов) Na на ионы Са и Mg: Са + Na2R = 2Na + CaR.

Ионы Са из раствора переходят в катионит, а ионы Na переходят из катионита в раствор. Чтобы восстановить использованный катионит, его необходимо промыть раствором поваренной соли. При этом происходит обратный процесс: 2Na + 2Cl + CaR = Na2R + Ca + 2Cl.

3.5 из 5

Оксид кальция представляет собой белое кристаллическое вещество . Данное соединение более известно под названием «негашеная известь». Распространенными наименованиями оксида кальция являются также «окись кальция», «кипелка» и «кирабит».

Образование данного вещества осуществляется путем температурного воздействия на известняк – осадочную породу органического или хемогенного происхождения, в составе которой содержится карбонат кальция, распадающийся на углекислый газ и оксид. Как пищевая добавка, соединение известно под обозначением Е529.

Растворимость в воде – свойство оксида кальция, которое способствует образованию гидроксида кальция. Соединение также подвергается растворению в таком веществе, как глицерин.

Оксид кальция: применение

Свойства оксида кальция позволяют отнести его к группе пищевых добавок , используемых при производстве муки и хлебобулочных изделий. Считается, что данное соединение улучшает вкусовые и качественные характеристики продовольственной продукции. Чаще всего Е529 встречается в составе всевозможных пекарских порошков, активно применяемых для выпечки. Данная пищевая добавка выполняет функции эмульгатора, позволяя получить однородные массы из веществ, которые по своей природе не смешиваются, к примеру, вода и масло.

В больших объемах оксид кальция применяется в строительстве при изготовлении силикатного кирпича. Некоторое время назад вещество использовалось в качестве известкового цемента – в результате смешивания воды и оксида кальция образуется гидроксид, который, в свою очередь, путем поглощения углекислого газа из воздуха сильно твердеет и превращается в карбонат кальция. Сейчас при постройке жилых домов известковый цемент стараются не использовать, так как полученные сооружения впитывают и накапливают сырость. Более того, он также недопустим к применению при кладке печей, поскольку под воздействием высоких температур выделяется удушливый диоксид углерода.

Стоит также отметить, что негашеная известь может использоваться в качестве основы для недорогого и вполне доступного огнеупорного материала. Плавленый оксид кальция обладает некоторой устойчивостью к воздействию воды , в связи с чем его можно применять как огнеупор в тех случаях, когда использование других материалов является невозможным или нецелесообразным.

Оксид кальция нашел свое применение и в лабораторной практике, где его используют для осушения веществ, не вступающих с ним в реакцию. Кроме того, негашеная известь применяется нефтехимической промышленностью для изготовления различных присадок и смазок, нефтеперерабатывающей – в качестве реагента и наполнителя, а также химической, где с ее помощью производят стеарат кальция.

Экология – еще одна сфера, в которой активно применяется оксид кальция. Из-за высокого уровня впитываемости данное соединение используют в целях нейтрализации сточных вод.

Оксид кальция: вред

Как пищевая добавка оксид кальция является безвредным и не представляет угрозы человеческому здоровью . Однако его неосторожное применение в чистом или концентрированном виде может в значительной степени негативно отразиться на самочувствии человека. Попадание данного вещества в организм или на кожные покровы может быть чревато такими последствиями, как ожог пищевода и желудка, краснота или стекловидный отек глаз, химический ожог и т. п. Нередкими являются и такие случаи, когда неразумное использование оксида кальция становится причиной возникновения конъюнктивита или дерматита.

Распространение в природе

Оксид кальция является одной из самых распространенных соединений в природе. Он часто встречается в составе природных карбонатов, параллельно с оксидом магния. Основными соединениями, из которых добывают CaO является кальцит, мрамор, известняк, арагонит, доломит и многие другие.

Химические свойства

С водой оксид кальция реагирует очень энергично, с выделением значительного количества тепла и образованием гидроксида кальция:

Реакцию взаимодействия оксида кальция с водой в технике называют «гашением» извести, а продукт реакции — гидроксид кальция — гашеной известью.

CaO проявляет сильные основные свойства: взаимодействует с кислотами и кислотными оксидами (в частности, активно поглощает углекислый газ из воздуха), с амфотерными оксидами:

Кальций подвергается восстановлению из оксида алюминием и коксом:

Получение

Производство в промышленности

Негашеная известь (оксид кальция) получают прокаливанием (выжиганием) известняка или мела. Карбонат кальция начинает разлагаться при 850 ° С. Чем выше температура, тем быстрее идет расписание. Но выше 1200 ° С примеси, у известняка, начинают обплавлятися, и это затрудняет процесс разложения. Поэтому «выжигания» известняка проводят при 1000-1200 ° С.

Процесс «выжигания» осуществляют в вертикальных шахтных печах, облицованных изнутри огнеупорным кирпичом. Шихту, то есть смесь известняка и кокса, загружают в печь через верхнее отверстие. Куски известняка и кокса делают такими, чтобы их диаметр был около 10 см. Тогда воздух и топочные газы легко проходят сквозь шихту, и известняк разлагается равномерно по всей массе.

Горячие газы, возникающие при горении топлива и расписании известняка, поднимаясь вверх, постепенно охлаждаются, нагревая шихту. Жженое известь опускается в нижнюю часть печи, где охлаждается воздухом, подаваемым снизу.

Получение в лаборатории

Синтез оксида кальция можно провести сожжением металлического кальция или его гидрида:

Другим вариантом является термическое разложение оксигенвмисних соединений кальция:

Применение

Известь очень широко применяется в строительном деле, а также в химической промышленности для получения хлорной извести. Ежегодная мировая добыча извести составляет сотни миллионов тонн.

В строительстве используют гашеная известь, то есть гидроксид кальция. С этой целью негашеная известь обрабатывают водой. При этом пористые куски оксида кальция (негашеной извести) жадно поглощают воду и реагируют с ней с выделением значительного количества тепла. В результате часть воды испаряется, а оксид кальция превращается в рыхлую массу гидроксида кальция (гашеной извести), которую называют пушонкой. При избытке воды гашеная известь образуется в виде тестообразной массы.