Кальций, электронная конфигурация и свойства химического элемента

Кальций - один из самых распространенных и важных химических элементов на Земле. Он играет ключевую роль в многочисленных природных процессах, а также находит широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и других областях человеческой деятельности.

Электронная конфигурация кальция

Кальций имеет порядковый номер 20 в таблице Менделеева. Это означает, что его атом содержит 20 протонов в ядре и 20 электронов, распределенных по электронным слоям (орбиталям).

Электронная конфигурация атома кальция выглядит следующим образом:
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²

Здесь электроны заполняют орбитали в порядке возрастания их энергии. Согласно правилу Хунда, сначала происходит максимально возможное спаривание электронов из-за их взаимного отталкивания.

На внешнем энергетическом уровне атома кальция находятся два электрона. Эти два 4s-электрона являются валентными, то есть могут участвовать в образовании химических связей с другими атомами. Поэтому для кальция характерна степень окисления +2.

Физические свойства кальция

В чистом виде кальций представляет собой серебристо-белый мягкий металл. Он относится к щелочноземельным металлам, наряду с магнием, стронцием, барием. Физические свойства кальция:

• Плотность - 1,55 г/см3
• Температура плавления - 842°C
• Температура кипения - 1494°C
• Атомная масса - 40,078 а.е.м.

Кальций обладает высокой химической активностью, быстро взаимодействует с кислородом воздуха. Поэтому его хранят в закрытых емкостях под слоем керосина или парафина.

При повышенном давлении кальций проявляет полупроводниковые свойства. А при очень высоком давлении он становится сверхпроводником с рекордно высокой проводимостью.

Химические свойства кальция

Благодаря наличию двух 4s-электронов на внешнем энергетическом уровне, атом кальция легко отдает их, проявляя восстановительные свойства. Кальций активно взаимодействует с кислородом, галогенами, серой, азотом и другими неметаллами:

При взаимодействии с водой кальций выделяет водород:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑

А с соляной кислотой происходит образование хлорида кальция:

Ca + 2HCl = CaCl₂ + H₂↑

Таким образом, химические свойства кальция во многом определяются его высокой химической активностью и восстановительными свойствами атома.

Важнейшие соединения кальция – оксид (негашеная известь), гидроксид (гашеная известь), карбонат (мел, мрамор, известняк), сульфат (гипс), фосфат (основа костной ткани) и галогениды (хлорид, фторид кальция). Соединения кальция находят широчайшее применение в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, а также играют важную биологическую роль.

Кальций в природе

В земной коре кальций занимает 5 место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа. Его массовая доля составляет около 3,4%. В морской воде концентрация кальция достигает 400 мг/л.

В свободном виде в природе кальций не встречается из-за высокой химической активности. Он всегда находится в составе химических соединений – минералов и горных пород.

Наиболее распространены такие природные соединения кальция как кальцит (CaCO3), арагонит, доломит (CaMg(CO3)2), гипс (CaSO4•2H2O), ангидрит (CaSO4), флюорит (CaF2). Важнейшая осадочная горная порода, содержащая кальций – известняк.

Биологическая роль кальция

Кальций является одним из важнейших биогенных элементов. Он входит в состав раковин моллюсков, кораллов, панцирей ракообразных, яичной скорлупы, костной ткани позвоночных, а также присутствует в клетках растений.

У человека около 99% кальция в организме сосредоточено в костях и зубах. Кальций необходим для нормального роста и развития костной ткани, а также для свертывания крови, регуляции нервных импульсов и мышечного сокращения.

Производство кальция

Основным сырьем для промышленного производства кальция служит минерал известняк CaCO₃. Его подвергают термической обработке при температуре 1000°C с получением CaO и углекислого газа:

CaCO₃ → CaO + CO₂↑

Затем оксид кальция восстанавливают до металлического состояния путем электролиза расплава хлорида кальция CaCl₂ при температуре более 800°C.

Применение кальция

Металлический кальций используется как восстановитель и раскислитель в производстве сплавов и некоторых химических веществ.

Соединения кальция находят широчайшее применение во многих отраслях. Их используют в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, металлургии, строительстве, медицине, парфюмерии и других областях.

Например, кальция карбонат (мел) применяют в производстве красок, пластмасс, резины, стекла, керамики. А его оксид (известь) – при производстве цемента и в строительных растворах.

Роль кальция для здоровья человека

Кальций необходим для нормального роста костей и зубов, особенно в детском и подростковом возрасте. Недостаток кальция в рационе беременных женщин и кормящих матерей может негативно повлиять на развитие скелета ребенка.

У взрослых дефицит кальция увеличивает риск остеопороза и повышает ломкость костей. Поэтому важно потреблять достаточное количество молочных продуктов и других источников кальция с пищей.