Соединения кальция известны с древних времен, однако до 17 в. об их природе ничего не знали. Египетские строительные растворы, которые исользовались в пирамидах Гизы, были основаны на частично обезвоженном гипсе CaSO4·2H2O. Он же является основой всей штукатурки в гробнице Тутанхамона. Римляне использовали строительный раствор из песка и извести (полученной при нагревании известняка CaCO3): во влажном климате Италии он был более устойчив.
Название элемента – от латинского calx, calcis – известь («мягкий камень»). Оно было предложено Г.Дэви в 1808, выделившим металлический кальций электролитическим методом. Дэви смешивал влажную кальциевую «землю» (оксид кальция CaO) с оксидом ртути HgO на платиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкую ртуть. В результате электролиза получалась амальгама металла, который можно было получить в чистом виде, испарив ртуть.
Кальций является пятым из наиболее распространенных в земной коре элементом и третьим по распространенности металлом (после алюминия и железа). На долю кальция приходится около 1,5% от общего числа атомов земной коры. Во многих частях поверхности Земли имеются значительные осадочные залежи карбоната кальция, которые образовались из остатков древних морских организмов. В них это соединение находится, в основном, в виде минералов двух типов. Чаще встречается ромбоэдрический кальцит, в теплых морях образуется орторомбический арагонит. Представителями минералов первого типа является сам кальцит, а также доломит, мрамор, мел и исландский шпат. Громадными пластами карбоната кальция в виде арагонита образованы Багамы, о-ва Флорида-Кис и бассейн Красного моря. Другие важные минералы – гипс CaSO4·2H2O, ангидрит CaSO4, флюорит CaF2 и апатит Ca5(PO4)3(Cl,OH,F). Значительное количество кальция находится в природных водах в виде гидрокарбоната (см. ХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ). Кальций содержится и в организмах многих животных. Гидроксоапатит Ca5(PO4)3(OH) является основой костной ткани позвоночных. Из карбоната кальция, в основном, состоят кораллы, раковины моллюсков, жемчуг, яичная скорлупа.
Металлический кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция, который является побочным продуктом в процессе Сольве или образуется в реакции между соляной кислотой и карбонатом кальция.
Сравнительно мягкий блестящий металл имеет бледно-желтую окраску. Он химически менее активен, чем другие щелочноземельные металлы, так как на воздухе покрывается защитной оксидно-нитридной пленкой. Его даже можно обрабатывать на токарном станке.
Кальций активно реагирует с неметаллами. При нагревании в кислороде и на воздухе воспламеняется. С водой кальций реагирует с выделением водорода и образованием гидроксида кальция. Он растворяется в жидком аммиаке с образованием темно-синих растворов, из которых при выпаривании можно получить блестящий аммиакат медного цвета Са(NH3)6.
Металлический кальций используется, главным образом, как легирующая добавка. Так, введение кальция повышает прочность алюминиевых подшипников. С помощью кальция регулируют содержание углерода в чугуне и удаляют висмут из свинца. Он используется для очистки стали от кислорода, серы и фосфора. Его применяют и для поглощения кислорода и азота, в частности, для удаления примесей азота из технического аргона. Он служит восстановителем при производстве других металлов, таких как хром, цирконий, торий и уран. Например, металлический цирконий можно получить из его диоксида: ZrO2 + 2Ca = Zr + 2CaO. Кальций также непосредственно реагирует с водородом с образованием гидрида кальция СаН2, который является удобным источником водорода.
Наиболее важным галогенидом кальция является фторид CaF2, так как в виде минерала (флюорит) он является единственным промышленно важным источником фтора. Белый тугоплавкий фторид кальция мало растворим в воде, что используется в количественном анализе.
Хлорид кальция CaCl2 также имеет большое значение. Он является компонентом рассолов для холодильных установок и для заполнения шин тракторов и другого транспорта. С помощью хлорида кальция удаляют снег и лед с дорог и тротуаров. Эвтектическая смесь CaCl2–H2O, содержащая 30 масс. % CaCl2, плавится при –55° С. Эта температура существенно ниже, чем в случае смеси хлорида натрия с водой, для которой минимальная температура плавления составляет –18° С. Хлорид кальция применяется и для защиты угля и руды от замерзания при транспортировке и хранении. Его используют в бетонных смесях для ускорения начала схватывания, повышения начальной и конечной прочности бетона. Хлорид кальция является отходом многих химико-технологических процессов, в частности, крупнотоннажного производства соды. Однако потребление хлорида кальция значительно уступает его производству, поэтому около содовых заводов образовались целые озера, наполненные рассолом CaCl2 . Такие пруды-накопители можно видеть, например, в Донбассе.
Наиболее широкое применение из соединений кальция имеют карбонат, оксид и гидроксид. Самая распространенная форма карбоната кальция – известняк. Смешанный карбонат кальция и магния носит название доломит. Известняк и доломит используются в качестве строительных материалов, дорожных покрытий, реагентов, понижающих кислотность почвы. Их добывают во всем мире в огромных количествах. Карбонат кальция CaCO3 является также важнейшим промышленным реагентом, который необходим для получения оксида кальция (негашеной извести) CaO и гидроксида кальция (гашеной извести) Ca(OH)2.
Оксид и гидроксид кальция являются ключевыми веществами во многих областях химической, металлургической и машиностроительной промышленности. Известь СаО производится в огромных количествах во многих странах и входит в десятку химических веществ с максимальным объемом производства.
Большие количества извести расходуются при производстве стали, где она используется для удаления фосфора, серы, кремния и марганца. В кислородно-конверторном процессе на тонну стали требуется 75 кг извести. Она заметно продлевает жизнь огнеупорной облицовки. Известь используется также в качестве смазочного материала при вытягивании стальной проволоки и нейтрализации отходов травильных жидкостей, содержащих серную кислоту. Еще одно применение в металлургии – производство магния.
Известь – наиболее распространенный химический реагент для обработки источников воды для питья и промышленности. Ее используют вместе с квасцами или солями железа для коагуляции суспензий и удаления помутнения, а также для смягчения воды за счет удаления временной (гидрокарбонатной) жесткости (см. ОЧИСТКА ВОДЫ)
Еще одна область применения извести – нейтрализация кислотных растворов и промышленных отходов. С ее помощью устанавливают оптимальное значение рН для биохимического окисления сточных вод. Известь используют и в газопромывателях для удаления диоксида серы и сероводорода из газовых отходов электростанций, работающих на ископаемом топливе, и печей для плавки металлов.
В химической промышленности известь используется при производстве карбида кальция (для последующего получения ацетилена), цианамида кальция и многих других веществ. Важным потребителем является также стекольная промышленность. Наиболее распространенные стекла содержат в своем составе около 12% оксида кальция. Инсектицид арсенат кальция, который получают нейтрализацией мышьяковой кислоты известью, широко используется для борьбы с хлопковым долгоносиком, яблонной плодожоркой, табачным червем, колорадским жуком. Важными фунгицидами являются известково-сульфатные аэрозоли и бордосские смеси, которые получают из сульфата меди и гидроксида кальция.
Большие количества гидроксида кальция требуются для целлюлозно-бумажной промышленности. На бумажных предприятиях отработанный раствор карбоната натрия обрабатывают известью для регенерации каустической соды (гидроксида натрия NaOH), используемой в технологическом процессе. Около 95% образовавшейся суспензии карбоната кальция высушивается и вновь обжигается во вращающихся печах для регенерации оксида кальция. Отбеливающие жидкости для бумажной пульпы, содержащие гипохлорит кальция, получают реакцией извести с хлором.
Производство высококачественной бумаги требует использования специально осажденного карбоната кальция. Для этого сначала обжигают известняк и собирают по отдельности диоксид углерода и оксид кальция. Последний затем обрабатывают водой и вновь переводят в карбонат. Тип образующихся кристаллов, а также их размеры и форма зависят от температуры, рН, скорости смешивания, концентраций и присутствия добавок. Мелкие кристаллы (менее 45 мкм) часто покрывают жирными кислотами, смолами или смачивающими веществами. Карбонат кальция придает бумаге яркость, непрозрачность, восприимчивость к чернилам и гладкость. В более высоких концентрациях он нейтрализует сильный глянец, вызываемый добавками каолина, и дает тусклый матовый оттенок. Такая бумага может содержать 5–50% (по массе) осажденного карбоната кальция. СаСО3 также используется как наполнитель в резинах, латексах, красках и эмалях, а также в пластиках (около 10% по массе) для улучшения их термостойкости, жесткости, твердости и обрабатываемости.
В быту и медицине осажденный карбонат кальция применяется как средство, нейтрализующее кислоту, мягкий абразив в зубных пастах, источник дополнительного кальция в диетах, составная часть жевательной резинки и наполнитель в косметике.
Известь применяется и в молочной промышленности. Известковую воду (насыщенный раствор гидроксида кальция) часто добавляют к сливкам при отделении их от цельного молока, чтобы понизить их кислотность перед пастеризацией и превращением в масло. Снятое молоко затем подкисляют, чтобы отделить казеин, который смешивают с известью для получения казеинового клея. После ферментации оставшегося снятого молока (сыворотки) к нему добавляют известь, чтобы выделить лактат кальция, который используют в медицине или как сырье для последующего получения молочной кислоты. Производство сахара также связано с использованием извести. Для осаждения сахарата кальция, который затем очищают от фосфатных и органических загрязнений, проводят реакцию сырого сахарного сиропа с известью. Последующее действие диоксида углерода приводит к образованию нерастворимого карбоната кальция и очищенной растворимой сахарозы. Цикл повторяют несколько раз. Тростниковый сахар обычно требует около 3–5 кг извести на тонну, а свекловичный сахар – в сто раз больше, то есть около 1/2 тонны извести на тонну сахара.
Можно отметить также частную область применения карбоната кальция в виде перламутра. Это материал, образованный тонкими слоями карбоната кальция в форме арагонита, соединенными белковым клеем. После полировки он переливается всеми цветами радуги и становится декоративным, очень прочен, хотя на 95% состоит из карбоната кальция.
Сульфат кальция обычно существует в виде дигидрата (гипс), хотя добывают и безводный сульфат кальция (ангидрит). Известен также алебастр – компактная, массивная, мелкозернистая форма CaSO4·2H2O, напоминающая мрамор. Если гипс прокалить при 150–165 °С, он теряет примерно 2/3 кристаллизационной воды и образует полугидрат CaSO4·0,5H2O, известный также как строительный алебастр, или «парижская штукатурка» (так как его первоначально получали из гипса, добытого на Монмартре). Нагревание при более высокой температуре приводит к образованию различных безводных форм.
Хотя гипс добывают не в таких количествах, как известняк, он остается промышленно важным материалом. Почти весь прокаленный гипс (95%) используется для производства полуфабрикатов – в основном, стеновых панелей, а остальное количество – в промышленных и строительных штукатурках. Поглощая воду, полугидрат незначительно расширяется (на 0,2–0,3%), и это главное при его использовании для лепнины и штукатурки. Применяя добавки, можно менять степень его расширения в пределах 0,03–1,2%.
Для кальция не очень характерно образование комплексных соединений. Кислородсодержащие комплексы, например, с ЭДТА или полифосфатами, имеют большое значение в аналитической химии и для удаления ионов кальция из жесткой воды.
Кальций относится к числу макроэлементов. Его содержание в организме взрослого человека (в расчете на массу 65 кг) составляет 1,3 кг. Он необходим для формирования костей и зубов, поддержания сердечного ритма и свертывания крови. Основным источником поступления кальция в организм служат молоко и молочные продукты. Суточная потребность составляет 0,8 г в сутки. Всасыванию катионов кальция способствуют молочная и лимонная кислоты, в то время как фосфат-ион, оксалат-ион и фитиновая кислота затрудняют всасывание кальция из-за образования комплексов и малорастворимых солей. В организме есть сложная система хранения и высвобождения кальция.
Использование кальция в качестве строительного материала костей и зубов связано с тем, что ионы кальция не используются в клетке. Концентрацию кальция контролируют особые гормоны, их совместное действие сохраняет и поддерживает структуру костей.
Предполагается, что ионы кальция, связываясь с мембраной нерва, влияют на ее проницаемость для других катионов. Очевидно, он замещает ионы магния и тем самым активирует некоторые ферменты. Поступление ионов кальция может быть сопряжено с внесением фосфата, который поэтому называют переносчиком кальция.
Установлено, что регулятором ионов кальция в различных типах мышц является саркоплазматический ретикулум (СР). Ионы кальция накапливаются в кальциесвязывающих белках, например в кальсеквестрине. Последний связывает примерно 43 иона Са2+ на моль белка. Мышечное сокращение связано с освобождением ионов кальция из СР и его связыванием на активных центрах мышечных волокон. Концентрация ионов кальция в саркоплазме за несколько миллисекунд повышается в 100 раз. Вынужденное истечение ионов Са2+ из СР происходит очень быстро. Непосредственно после освобождения ионов кальция СР начинает накачивать их обратно. Сокращение мышц возникает в результате появления нервного импульса в двигательном нерве, оканчивающемся в мышечном волокне, что вызывает высвобождение ионов кальция из его запасов.
Механизм свёртывания крови представляет собой каскадный процесс, многие этапы которого зависят от присутствия ионов кальция, которые активируют соответствующие ферменты.
Накопление кальция является характерной особенностью роста костей зубов, раковин и других подобных структур. С другой стороны, повышение содержания кальция в нетипичных участках приводит к образованию камней, остеоартриту, катарактам и артериальным нарушениям.
Елена Савинкина
Greenwood N.N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. Oxford: Butterworth, 1997
Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия: Пер. с нем. – М., Мир, 2000
