Периодическая система элементов Менделеева - Кальций

Гемфри Дэви открыл этот элемент во время знаменитой «атаки» на щелочные земли. Вольтов столб в руках ученого продолжал творить чудеса. Известняк, разбитый энергией электричества, «отдал» в руки ученых удивительно агрессивный металл — кальций. Сообщение об этом открытии вызвало большой интерес в научном мире. Ведь Антуаи Лоран Лавуазье в своей книге «Элементарный курс химии» (1789 год) относил известковую землю — оксид кальция — к числу элементов. Правда, он не однажды говорил, что точка зрения в этом вопросе изменится, если наука найдет способ разложить упрямую «землю». Что ж, предвидение великого реформатора химии оправдалось.

Название элементу дано от латинского слова «кальке», что в переводе на русский язык означает «известь, мягкий камень».

В чистом виде кальций — ковкий, довольно твердый белый металл. На воздухе он быстро окисляется, а при небольшом нагреве сгорает ярко-красным пламенем. Из горячей воды кальций бурно вытесняет водород, образуя гидрооксид кальция. Он активно соединяется с галогенами, серой, азотом, в струе водорода образует гидрид, при нагревании восстанавливает металлы из оксидов. Это свойство кальция применяют металлурги, добавляя его в расплавленный металл для связывания растворенного кислорода.

В наружной оболочке атома кальция два валентных электрона, довольно непрочно связанных с ядром. Поэтому-то в чистом виде кальция в природе не найти. Но он — обычная составная часть силикатных пород, наиболее часто встречающихся в земной коре.

В природных кладовых есть также карбонат, сульфат, фосфат кальция. Так, например, карбонат кальция встречается в виде благородного мрамора, а также в широко распространенных известняках и меле. Причудливые сталактиты и сталагмиты, минерал арагонит являются разновидностями карбоната кальция. Залежи известняка занимают огромные площади — около 40 миллионов квадратных километров. Это вдвое больше, чем территория нашей страны! В общей сложности на долю кальция приходится 3,25 процента атомов земной коры. По выражению академика А. Е. Ферсмана, кальций является «одним из самых энергичных и подвижных атомов мироздания».

Весьма своеобразно происходит так называемый кругооборот кальция в природе. Нет в мире такого водоема, в котором не были бы растворены его соли. Ручейки и реки несут в моря и океаны соединение кальция: бикарбонат. В теплых и насыщенных солями водах морей кислый карбонат кальция превращается в среднюю соль, которая выпадает в осадок, медленно опускаясь на дно. Так вырастают мощные пласты известняков. Это. так называемые осадочные породы хемогенного происхождения. Но бикарбонат кальция может превращаться в известняк и при непосредственном участии живых организмов, биогенным путем. Моллюски, крабы, многие простейшие организмы строят прочные панцири-раковины, которые после гибели своих хозяев скапливаются на дне водоемов, образуя залежи ракушечника и мела. Всевозможные горообразовательные процессы, землетрясения поднимали их над поверхностью моря, известняки уплотнялись, изменяли свою структуру. Так рождался мрамор. Ну, а под действием углекислого газа и воды из карбоната кальция вновь образовывался бикарбонат и снова потоками воды уносился в моря и океаны. Здесь не следует проводить аналогию, например, с круговоротом углерода и азота в природе. То, что мы говорили о кругообороте кальция, верно лишь для определенного геологического периода.

Известняк, по-видимому, был первым строительным материалом, какой использовал человек. Из его плит сооружены египетские пирамиды и Великая китайская стена. Наша столица Москва прозвана белокаменной именно потому, что многие ее здания возведены из известняка. Прочность кладки древних сооружений обеспечивалась идеальной подгонкой камней. (Вяжущие материалы тогда не применяли вовсе. Их научились приготавливать много позже.)

Люди старшего поколения помнят, в какой торжественной обстановке укладывался первый камень в фундамент нового здания. Гремели оркестры, колыхались на ветру знамена, улыбками расцветали лица горожан...

Теперь все выглядит куда скромнее. В наше время строительный пейзаж — зрелище до такой степени будничное, что люди уже не прислушиваются к рокоту экскаваторов, роющих котлованы, не замедляют шаги, проходя мимо башенных кранов. Нам все еще кажется, что дома растут незаметно, как деревья в лесу.

Между тем стройки уже не те. Их скорее можно назвать монтажными площадками. Ведь две трети зданий иной раз собирают из готовых деталей, сделанных на специализированных предприятиях.

Кирпич — первый искусственный камень, который люди научились делать еще в глубокой древности. О нем не скажешь, что он мал или велик. Он удобен. Человек сделал его себе «по руке» — не слишком тяжелым и не очень широким для ладони. Шли годы. Менялась архитектура зданий, возведенных из кирпича, способы кладки, но размер, вес и форма его оставались прежними.

Лишь несколько лет назад люди начали сооружать стены из многотонных блоков и панелей. Некоторые из них делаются ростом не в один, а в два этажа. Появились железобетонные плиты, способные сразу перекрыть комнату в 25 квадратных метров. Весят эти конструкции по 10—15 тонн. Если доведется укладывать их на место — соседа на помощь не позовешь... И тогда человек пошел по единственно правильному пути: он начал создавать по кирпичу «руку». Внесли тут свой вклад и воронежцы. Коллектив завода имени Коминтерна освоил выпуск монтажных кранов грузоподъемностью в 25—30 тонн. Такой силач поднимет крупную панель как соломинку! Но не будем забегать вперед. Разговор об этом еще впереди.

Приходилось ли вам наблюдать, как разбирают старинные здания? Это очень нелегкое дело. Рабочие с превеликим трудом отламывают от стен кирпичи. Может быть, наши пращуры знали какой-нибудь секрет кладки? Нет. Оказывается, податливый, мягкий, как тесто, известковый раствор, которым скрепляли кирпичи, впитывает в себя углекислый газ из воздуха. Постепенно он становится тем же крепышом, каким был первоначально, — известняком. В современном строительстве известь почти не применяется. Во-первых, масса слишком долго твердеет; во-вторых, сохнет она недостаточно быстро; и в-третьих, прочность шва невелика.

Но известковый раствор не единственный 'вяжущий материал, который использовался в строительстве.

Природный гипс — сульфат кальция с двумя молекулами кристаллизационной воды, — нагретый до 150 градусов, теряет часть влаги и переходит в «жженый» гипс — алебастр. Его разводят водой и используют для формовки различных лепных архитектурных украшений, отделочных и мелких ремонтных работ. По мере того как вода «возвращается» в молекулу гипса, масса твердеет, а избыток влаги просто испаряется на воздухе.

Еще в древние века египтяне умели готовить гидравлический гипс, который они применяли в качестве вяжущего материала при строительстве ирригационных сооружений. Древние строители обжигали природный гипс при 1000 градусах, причем от молекулы отщеплялась не только вода, но и серный ангидрид. Таким путем образовывалась соль, в

которой количество основного окисла превышало количество кислотного. При разбавлении водой получалась прочнейшая масса, которая не боялась воды и колебаний температуры.

В настоящее время основной вяжущий материал в строительстве — цемент. Он был изобретен в начале прошлого века. Производство цемента — процесс весьма трудоемкий. Сначала в огромные печи загружают измельченную шихту— известняк и глину, а затем снизу подают топливо: природный газ, угольную пыль или распыленный мазут. При сгорании топлива печь разогревается до 1500 градусов. Известняк разлагается, а образующаяся окись кальция реагирует с составными частями глины, образуя силикаты и алюминаты кальция. Смесь выходит из печи в виде мелких зерен — цементного клинкера. Его перемалывают в серовато-зеленый порошок и отправляют потребителям. В настоящее время вместо искусственно приготовленной смеси известняка и глины применяют мергели — породы, которые по составу соответствуют цементной смеси. Химический состав цементов выражают обычно в процентах содержащихся в них оксидов. Весовое отношение оксида кальция к остальным оксидам называется гидромодулем цемента и характеризует его технические свойства, например, способность к затвердеванию. Для силикатных цементов гидромодуль близок к двум.

Строители предъявляют к цементу высокие требования. Он должен хорошо схватываться после смешивания с водой и песком, но через определенный промежуток времени (45— 60 минут), чтобы успеть доставить его к рабочему месту и уложить. По теории академика А. А. Байкова, схватывание цемента проходит в три стадии. Сначала происходит гидратация частичек смеси с образованием гидрооксида кальция, который, выделяясь в аморфном состоянии, склеивает цементные крупинки. Вторая стадия — собственно схватывание цемента. Затем начинается третья — кристаллизация, или отвердевание. Частички гидрооксида кальция укрупняются, превращаясь в игольчатые кристаллы, которые как бы прошивают аморфную массу силиката кальция, уплотняя ее. Следует отметить, что для затвердевания цемента необходима не слишком низкая температура. Поэтому зимой строители принимают меры для обогрева строящихся сооружений.

Более высокими качествами, чем силикатный, обладает глиноземистый цемент, который получают при употреблении глин с малым содержанием кремнезема. Главной составной частью такого цемента являются алюминаты кальция. Он дороже силикатного, но имеет ряд преимуществ. Так, глиноземистый цемент лучше противостоит действию морской воды, быстрее схватывается, а кроме того, присоединение воды к алюминатам кальция — реакция экзотермическая. Это очень важно, так как можно вести работы в зимнее время, не тратя средства на обогрев конструкций. Уже через сутки затвердевший глиноземистый цемент имеет такую прочность, какую силикатный приобретает лишь через месяц. Не случайно этот цемент называют каменным клеем. С его помощью удается приготовить бетон, который не боится воды, не горит в огне, служит долго и надежно.

Кое-кто скажет:

— Металл тоже не боится огня.

Верно. Но при высокой температуре он плавится. И потом, если бы мы начали строить дома из стали, то стены зданий пришлось бы сделать в 40 раз толще бетонных: металлы легко отдают тепло. Когда люди взвесили все «за» и «против», то оказалось, что лучше бетона нет строительного материала. Получают его, смешивая цемент, щебень, песок и воду. При этом наполнитель обволакивается цементным раствором, укладывается в соответствующие формы, тщательно трамбуется. Затвердевшая масса образует прочнейший монолит. Бетоны классифицируются по прочности, объемному весу и применению. Наиболее важная характеристика получаемого материала — объемный вес. Так, тяжелые бетоны — те, что применяются чаще всего, — имеют объемный вес порядка двух тонн на кубический метр. Легкие и сверхлегкие — от полутора тонн до трехсот килограммов на кубометр. Облегчают бетонные конструкции, вводя в качестве наполнителя шлаки, пемзу, туфовый щебень, керамзит (вспученную глину). Особо легкие марки бетонов получают, вспенивая массу различными способами. Так рождается пенобетон (воздушные пузырьки образуют замкнутые «полости») и поробетон, где пустоты сообщаются между собой.

Всем хорош бетон, но и у него есть недостаок: камень был слаб на разрыв. Излечить бетон от этого недуга удалось безвестному французскому садовнику Ж. Монье. Он первым показал миру вещь, изготовленную из нового материала.

Произошло это при таких обстоятельствах. Корни пальм, выращенных садовником, быстро разрывали деревянные бочки. Тогда Монье решил сделать их из бетона. Эти кадки служили дольше, но при перевозке на дальние расстояния они разваливались... Монье все же нашел выход из затруднительного положения. Он взял две деревянные бочки, одну побольше, другую поменьше, и поставил их одну в другую, опустил вдоль стенок железные стержни, залил промежуток цементным раствором. Когда он затвердел, садовник сбил обручи, разбросал доски. Цветочная кадка получилась на редкость прочной. Она отлично выдержала напор корней пальм. Так впервые, сам того не сознавая, Монье сделал открытие, которому вскоре суждено было найти широкое распространение во всех странах мира. Несокрушимый союз бетона и железа открыл новую эпоху в строительной технике.

На первых порах сооружения делались монолитными. Каждая постройка воздвигалась как бы дважды: один раз в дереве (в виде опалубки, точно воспроизводившей колонну или балку), а второй раз в бетоне, заполнявшем форму, внутри которой находилась железная арматура — стальные мышцы камня. Вскоре строители поняли, что этот способ нерационален. Ведь окружающая нас природа творит, затрачивая меньше средств и усилий. Она не создает сначала , русло реки, а потом реку. Разве так уж необходимо человеку воспроизводить свой замысел дважды? И выход был найден. Появился сборный железобетон. Используя его, строители втрое сократили трудовые затраты, резко ускорили темпы возведения зданий.

Разумеется, железобетон не отменил ни кирпич, ни известковый камень, ни дерево. Им человек всегда найдет разумное применение. Но железобетону, конечно, принадлежит будущее. Его можно производить и применять всюду.

Кроме него получают и некоторые другие бетоны специального назначения. Так, если вместо обычного песка взять кварцевый или мелкораздробленный гранит, получится бетон,. не боящийся разрушающего действия кислот. Добавка хлористого кальция делает материал морозостойким, небольших количеств сульфата бария — рентгенонепроницаемым. Не очень давно специалисты изобрели бетон, который прекрасно сопротивляется истиранию. Получают его, смешивая бетон со стальными опилками.

Трудно даже перечислить все «специальности» этого материала. Из него делают станины для станков, панели, тру

бы, плиты для тротуаров и автомобильных дорог, шпалы, причалы и многое другое.

Применение сборных железобетонных конструкций имеет неоспоримые достоинства. Это ясно каждому. Но при колоссальном размахе современного промышленного и гражданского строительства в наших городах появляется множество с виду совершенно неотличимых друг от друга зданий. В новых районах трудно ориентироваться, и это создает известные неудобства. Отделка фасадов домов мозаикой слишком дорога, а окраска весьма недолговечна и под действием промышленных выбросов, сильных дождей быстро теряет свою привлекательность. Остроумно решил проблему ленинградский ученый Н. Г. Корсак. Он предложил окрашивать железобетонные панели... пламенем. Ученый рассуждал примерно так: бетон — это смесь минералов, где каждый компонент имеет свой специфический состав и цвет. Термическая обработка при температуре около 2000 градусов должна изменять цвет материала. Так оно и оказалось. Бетон покрывался тонкой стеклообразной цветной пленкой. Позже было выяснено, что бетонную поверхность можно окрашивать в самые различные цвета, изменяя лишь химический состав пламени: нейтральное окрашивает в светлые тона, а окислительное — в темные. Такое покрытие не боится резких колебаний температуры, дождя, снега, прямых солнечных лучей. Кроме того, «автолит» (так назвал изобретатель этот стекловидный слой) легко очищается от копоти и грязи даже после небольшого дождя. Новый метод очень перспективен и уже прошел испытание в некоторых городах страны.

Когда заходит речь о роли кальция в живом организме, то обычно говорят: «Он участвует в строительстве костей».

Верно. Высшие животные используют для постройки скелета фосфат кальция, а низшие — карбонат. При недостатке кальция резко снижается прочность скелета, кости становятся хрупкими, переломы срастаются очень медленно, птицы несут яйца без скорлупы. Солей кальция много в молоке, твороге, простокваше. Для подкормки животных можно применять костную муку или размолотый мел.

Однако роль кальция не ограничивается постройкой скелета. Ноны этого металла, содержащиеся в крови, обеспечивают ее свертываемость на воздухе, а также возбуждают сердечную деятельность, регулируют четкую работу центральной нервной системы.

По последним данным, опубликованным американскими учеными, пониженное содержание ионов кальция в крови ведет к ослаблению памяти, снижению интеллекта. Журнал «Science News», издающийся в США, сообщает об интересных опытах, которые подтвердили, что у кошек, например, вырабатывается условный рефлекс лишь в том случае, если клетки их мозга содержат больше кальция, чем кровь. По мнению ученых, кальции связывает ацетилхолин, участвующий в передаче нервных импульсов.

Трудно найти такую отрасль промышленности, где не применялись бы соединения кальция. Так, получаемый в электропечах при прокаливании оксида кальция с коксом карбид кальция — важнейший технический продукт. Если подействовать на него водой, образуются два очень нужных соединения: гидрооксид кальция — пожалуй, наиболее употребляемое в технике основание, и ацетилен — горючий газ, который широко применяется для резки и сварки металлов. Сгорая в специальных горелках в чистом кислороде, ацетилен дает температуру порядка 3000 градусов.

Карбид кальция при действии водяного пара разлагается на карбонат кальция, углекислый газ и водород. Этим методом иногда получают самый легкий газ в полевых условиях.

Карбидом кальция удалось связать атмосферный азот в устойчивое соединение — цианамид, который, в свою очередь, под действием водяного пара освобождает аммиак. Этой реакцией заинтересовались специалисты сельского хозяйства.

— А нельзя ли, — спросили они, — использовать это соединение в качестве азотного удобрения?

Химики провели необходимые опыты и ответили:

— Можно! Только освобождение аммиака в почве происходит очень медленно...

Цианамид кальция имеет еще одну область применения в сельском хозяйстве: с его помощью удалось механизировать уборку хлопчатника.

— Как? — спросите вы.

При обработке раствором этого соединения хлопковых полей растения, как по команде, сбрасывают листья. Это дает возможность пустить на поля машины.

Кроме этого, цианамид кальция идет на производство мочевины — ценнейшего удобрения и сырья для производства синтетических смол.

При нагревании в атмосфере водорода металлический кальций образует гидрид. Он бурно реагирует с водой, выделяя водород. Из килограмма гидролита (техническое название гидрида кальция) можно получить более кубометра газа. Кстати, таким способом заполняют аэростаты в полевых условиях. В лабораторной практике гидрид кальция используется как энергичный восстановитель.

Несколько слов о гидрооксиде кальция. Это плохо растворимое в воде основание применяется при производстве хлорной извести (хорошее отбеливающее и дезинфицирующее средство), бертоллетовой соли, соды, некоторых ядохимикатов для борьбы с вредителями растений.

Кальциевую селитру давно используют в качестве азотного удобрения, а кислую соль сернистой кислоты — гидросульфит — для переработки древесины в сульфитную целлюлозу, из которой делают бумагу. Хлорид кальция часто применяют для приготовления холодильных смесей, его раствором пропитывают древесину для придания ей огнестойкости. Кроме того, прокаленный хлористый кальций жадно поглощает влагу, являясь хорошим осушителем для некоторых органических соединений.

Соли кальция, растворенные в воде, придают ей жесткость, временную или постоянную. Временная обусловлена присутствием в воде гидрокарбоната кальция и легко устраняется простым кипячением. От постоянной жесткости так легко не отделаешься. Она обязана своим существованием сульфату кальция (и магния тоже). Избавиться от нее можно лишь химическим путем или перегонкой воды.

Жесткая вода создает массу неприятностей при эксплуатации паровых котлов, опреснительных установок. Оседая на стенках этих агрегатов, соли кальция резко снижают их коэффициент полезного действия, а в иных случаях приводят к серьезным авариям.

Любая хозяйка скажет, что стирать белье в жесткой воде — одно мучение: мыло плохо пенится, а ткань совершенно не простирывается. Дело в том, что ионы кальция замещают натрий в солях жирных кислот и быстро выпадают в осадок. О какой уж тут пене может идти речь! Но нет худа без добра. Как только ионы кальция уйдут из раствора, вода становится мягкой и вполне пригодной для стирки белья. Жаль только, что много мыла пропало совершенно напрасно.

Так что для многих технических целей воду очищают химическим путем и с помощью ионообменников. А что же делать дома хозяйкам? Ведь у них нет под рукой катионооб-менника! Но зато в их распоряжении есть сода, нашатырный спирт, бура, которые прекрасно смягчают воду.

Кальций входит в состав почти всех известковых сортов стекла, хотя и не на правах первой скрипки. Такое стекло пропускает лишь видимый свет и инфракрасные лучи, а ультрафиолетовые задерживает. Кварцевая оптика лишена этого недостатка, но, в свою очередь, тепловые лучи не пропускает. И лишь стекла из флюорита (кристаллы фторида кальция) прозрачны для всей области спектра.

Соединения кальция применяются в пиротехнике, придавая пламени ярко-оранжевый цвет.

Не в пример своим всевозможным соединениям, металлический кальций применяется очень редко. Его используют для металлотермического восстановления урана, тория, ванадия, хрома, рубидия, цезия. Менее одного процента кальция содержится в баббитах — подшипниковых сплавах. Вот, пожалуй, и все.

В заключение несколько слов о самом распространенном методе получения кальция. В электролитическую ванну помещают сухие и очищенные хлорид и фторид, а также хлористый калий (для понижения температуры плавления смеси) . Катодом является подвижный железный стержень, который едва касается расплавленной смеси. При таком устройстве металлический кальций тотчас же затвердевает и не загрязняется шихтой. Процесс ведется непрерывно, слой кальция растет, а катод постепенно поднимается. Остроумное решение, не правда ли? Очищают металлический кальций перегонкой в вакууме с алюминиевыми опилками, которые реагируют с примесями хлористого кальция, восстанавливая металл. Образующийся хлорид алюминия легко испаряется.