Kalcium

20 kálium ← kalcium → szkandium Mg ↑ Ca ↓ Sr 20 Ca Periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	kalcium, Ca, 20
Elemi sorozat	alkáliföldfémek
Csoport, periódus, mező	2, 4, s
Megjelenés	ezüstfehér
Atomtömeg	40,078(4) g/mol
Elektronszerkezet	[Ar] 4s2
Elektronok héjanként	2, 8, 8, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot	szilárd
Sűrűség (szobahőm.)	1,55 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on	1,378 g/cm³
Olvadáspont	1115 K (842 °C, 1548 °F)
Forráspont	1757 K (1484 °C, 2703 °F)
Olvadáshő	8,54 kJ/mol
Párolgáshő	154,7 kJ/mol
Moláris hőkapacitás	(25 °C) 25,929 J/(mol·K)
Gőznyomás P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K 864 956 1071 1227 1443 1755
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	köbös lapközéppontos
Oxidációs állapotok	2 (erősen bázikus oxid)
Elektronegativitás	1,00 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 589,8 kJ/mol
	2.: 1145,4 kJ/mol
	3.: 4912,4 kJ/mol
Atomsugár	180 pm
Atomsugár (számított)	194 pm
Kovalens sugár	174 pm
Egyebek
Mágnesség	paramágneses
Fajlagos ellenállás	(20 °C) 33,6 nΩ·m
Hővezetési tényező	(300 K) 201 W/(m·K)
Hőtágulási tényező	(25 °C) 22,3 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd)	(20 °C) 3810 m/s
Young-modulus	20 GPa
Nyírási modulus	7,4 GPa
Bulk modulusz	17 GPa
Poisson-arányszám	0,31
Mohs-keménység	1,75
Brinell-keménység	167 HB
CAS-szám	7440-70-2
Fontosabb izotópok
Fő cikk: Kalcium izotópjai Izotóp t.e. felezési idő B.m. B.e. (MeV) B.t. 40Ca 96,941% Ca stabil 20 neutronnal 41Ca mest. 1,03×105 y ε - 41K 42Ca 0,647% Ca stabil 22 neutronnal 43Ca 0,135% Ca stabil 23 neutronnal 44Ca 2,086% Ca stabil 24 neutronnal 45Ca mest. 162,7 d β- 0,258 45Sc 46Ca 0,004% >2,8×1015 y β-β-  ? 46Ti 47Ca mest. 4,536 d β- 0,694, 1,99 47Sc γ 1,297 - 48Ca 0,187% >4×1019 y β-β-  ? 48Ti
Hivatkozások

A Kalcium (latinul calcium) kémiai elem az elemek periódusos rendszerében. Vegyjele Ca, protonszáma 20. Moltömege 40,078 g.mol^-1. Puha, könnyű fém, mely az alkáliföldfémek közé tartozik. A földkéregben előforduló elemek közül az ötödik leggyakoribb. Hevesen reagál oxigénnel és vízzel, ezért a természetben csak vegyületei fordulnak elő. Mint biogén elem, a minden élő sejt egyik építőköve. Az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló fém a szervezetben. Latin nevét a mészről (latinul calx) kapta. A kalcium sói a lángot téglavörösre festik. A kalciumot Humphry Davy fedezte fel 1808-ban. A kalcium rendkívül fontos szerepet tölt be az élő szervezetekben, elsősorban a sejtfolyamatokban, így az egyik leggyakoribb fém az élő szervezetekben.

[szerkesztés] Fizikai-kémiai tulajdonságai

Viszonylag könnyű, puha, reakcióképes fém, mely tulajdonságaival az alkálifémekre hasonlít, mint az alkáliföldfémek őt megelőző elemére a magnéziumra. Cseppfolyós ammóniában sötétkék színnel oldódik. A kalcium a jobb elektromos és hővezetők körébe tartozik. Az alkálifémeknél kisebb reakciókészségű, ennek ellenére petróleum alatt érdemes tárolni, hogy megakadályozzuk az oxidációját. A sói a lángot téglavörösre festik.

A természetben különböző sói fordulnak elő, melyekben a kalcium +2 oxidációs számmal szerepel (Ca²⁺). A laboratóriumban előállítható szuperbázisa, melyekben Ca^2- anion fordulhat elő, ezen anion vegyületei azonban nagyon instabilak, a legerősebb redukálószerek közé tartoznak. A kalcium szobahőmérsékleten reagál oxigénnel kalcium-oxidot és vízzel kalcium-hidroxidot képezve. Hevítés hatására reagál nitrogénnel kalcium-nitridet (Ca₃N₂) képezve, illetve hidrogénnel kalcium-hidridet (CaH₂) képezve. Sok egyéb elemmel és vegyülettel reagál.

[szerkesztés] Történeti áttekintése

A kalcium vegyületek az ókortól ismertek. A mészkő illetve a márvány égetésével már ekkoriban is és mind a mai napig égetett meszet (kalcium-oxidot CaO) állítottak elő. Az égetett mész vízzel való reakciójakor kalcium-hidroxid vagyis oltott mész keletkezik, ami fontos építészeti alapanyag (malter egyik alkotója), emellett fertőtlenítő hatással is bír, így fehér falfestékként is használják. A maltert az ókorban mészkő mellett gipszből (kalcium-szulfát dihidrát CaSO₄.2 H₂O) is készítették.

Míg az ókori Rómában főként mészkőből készítették a maltert, addig az ókori Egyiptomban főként gipszből, ezért az ókori Egyiptomi sírkövek és piramisok falburkolata általában tartalmaz gipszet is. A malterkészítés munkálatairól írt a kis-ázsiai Dioszkoridész a Krisztus utáni 1. században. Dioszkoridész adta a kalcium-oxidnak az égetett mész nevet. A kalcium neve a latin calx szóból származik, amely meszet jelent.

A kalciumot elsőként sir Humphry Davy állította elő 1808-ban kalcium amalgám elektrolízisével, amelyet gyengén nedveített kalcium-hidroxid elektrolízise során nyert higany katódon.

[szerkesztés] Előfordulása a természetben

Nagy reakciókészségének köszönhetően a kalcium csak vegyületei formájában fordul elő a természetben. Minden természetes vegyületében Ca⁺² kation formában van jelen. Mint biogén elem az egyike az élő szervezetbeli sejtek alavető építőköveinek. A földkérég igen nagy részét alkotják a kalcium-tartalmú ásványok és kőzetek. A kalcium alkotja a földkéreg 3,4 - 4,2%-át, így az ötödik legnagyobb mennyiségben előforduló elem és a harmadik leggyakoribb fém a földkéregben, így helye a vas és a magnézium között helyezkedik el. A tengervízben a átlagos koncentrációja 0,4 g Ca/l, a világűrben egy Ca atom jut fél millió hidrogén atomra.

A kalcium leggyakoribb kőzete a mészkő (főként kalcium-karbonát CaCO₃ különböző formákban), melyet kalcit és aragonit (kémiailag azonos anyagok) ásványok alkotnak főleg. A mészkő igen gyakori kőzet, csaknem mindenütt előfordul ahol nagyobb mennyiségű biológiai eredetű vagy őskori (elsősorban másodkori) tengeri lerakódásoknál képződött. Kettős karbonátja, melyet dolomitnak (kalcium-magnézium-karbonát (CaMg(CO₃)₂) neveznek főként Kaliforniában, Kanadában, Mandzsúriában, Dél-Ausztráliában, Brazíliában, Európában pedig Stájerországban, Szlovákiában és Euboián fordul elő. Európában az egyik leggazdagabb ország kalcium forrásban Csehország.

Mészköves szirtfal Dover mellett

Wollastonit Szlovákiából

A kalcium ásványok különleges típusát képezik a pórusos kréta, amely csaknem tiszta kalcium-karbonát, szinte fénylő fehér színű, mely főként a La Manche csatorna vagy a Rügen sziget partjai mentén fordul elő. Legnagyobb lelőhelyei a földtörténeti kréta korban keletkeztek az őstengerekben a karbonátok kicsapódásával és lerakódásával. Az ilyen lerakódások sok ősi élőlény vázát is megőrizték magukban. Neve utal rá, hogy egykor az iskolai krétát is ebből az ásványból készítették, azonban a mai kréta kalcium-szulfát (gipsz) alapú, melyet porának préselésével állítanak elő.

Cseppkő barlang

A mészkő legértékesebb származéka a márvány vagy travertin, melyet elsősorban dekorációs célokra használnak, épületek részeit és szobrokat készítenek belőle. A márvány a mészkőből nagy nyomáson és hőmérsékleten átkristályosodás során képződik , ezért metamorf (átalakulási) kőzetnek tekintjük. A márvány végső színe függ a mészkőben jelenlévő színezőanyagoktól. Az egyik leghíresebb márvány-fajta az Appenini-félszigeten található carrarai fehér márvány.

Mészkő fosszíliákkal

A mészkő-képződés egyik fontos geológiai jelensége a karsztosodás. A karbonát (CaCO₃ vízben gyakorlatilag nem oldódik) és hidrogén-karbonát (Ca(HCO₃)₂ vízben jól oldódik) között átalakulás játszódhat le. A karsztosodás lényege, hogy amennyiben a földalatti kalcium-hidrogén-karbonát tartalmú víz érintkezésben kerül légköri szén-dioxiddal (CO₂), gyengén oldódó karbonát képződik, amely lerakódik. Ezen folyamat során játszódik le a cseppkő képződés. A cseppkőbarlangokban igen gazdag Szlovákia. A cseppkövek (3 fajtái a sztalaktit, a sztalagmit és a sztalagnát) növekedése rendkívül lassú folyamat.

Fluorit (lila) és kalcit (fehér) kristályai

Egyéb ásványok

• Apatit Ca₃(PO₄)₂.Ca(F, Cl)₂ egy megelehtősen bonyolult összetételű kalcium-foszfát származék, a termszetes kalcium-források egyik jelentős képviselője.
• Fluorit egy ásvány, melynek kémiai összetétele CaF₂ (kalcium-fluorid). Legjelentősebb lelőhelyei Kína, Amerikai Egyesült Államok, Anglia, Németország és Csehország. Mivel rendkívül különböző színekben tud előfordulni, így dekoratív kőként is használják, de emellett fluort is állítanak elő belőle.
• Gipsz vagy szelenit kalcium-szulfát dihidrát CaSO₄ · 2 H₂O. Meglehetősen gyakori Közép-Európában (Csehország, Szlovákia, Németország, Ausztria) és az Egyesült Államokban.
• Kevésbé ismert ásványai az anhidrit CaSO₄, tachhidrid CaCl₂.2 MgCl₂.12 H₂O, polihalit K₂SO₄.MgSO₄.2 CaSO₄.2 H₂O, glauberit Na₂S₄.CaSO₄, scheelit CaWO₄, arzeniosziderit 6 CaO.3 As₂O₃.4 Fe₂O₃.9 H₂O, wollasztonit Ca₂[Si₂O₆] és sok egyéb nitrát, jodát, karbonát, foszfát, arzenát, borát és szilikát.

[szerkesztés] Előállítás

A fém kalciumot az iparban kalcium-klorid és kalcium-fluorid vagy kálium-klorid keverékének olvadék elektrolízisével állítják elő. Ezen elemi reakció másik terméke a klór vagy fluor, melyet iparilag dolgoznak fel. Az elektrolízishez grafit anódot használnak, melyen a klór vagy a fluor válik ki és vas katódot, melyen a kalcium válik ki.

Nagy tisztaságú kalcium állítható elő kalcium-klorid és alumínium reakciójával, amely során alumínium-klorid keletkezik, mely a reakció körülményei közötti magasabb hőmérsékleten folyékony. A reakció során keletkező fém kalciumot desztillációval nagy vákuum mellett tisztítható.

Kis mennyiségű elsősorban laboratóriumi előállításhoz használható a kalcium-azid bomlása nitrogénre és kalciumra.

Évente 1000 tonna kalciumot gyártanak.

[szerkesztés] Felhasználása

• Az elemi kalcium igen erős redukálószer, a finoman szétoszlatott kalciumot szerves redukciókhoz használják, de fontos szerepet kap más fémek redukciójánál (például urán, cirkónium, tórium) is.
• A fém kalcium nagy reaktivitását a metalurgiában a kén és oxigén kis mennyiségének eltávolítására használják a vas olvadékból az acélgyártás során.
• A kalciumot használják mint adalékanyagot az üvegbe, illetve bizonyos ötvözetekbe. Ezen ötvözetek közé tartozik az ólomtartalmú csapágyfém, melynek német gyártmánya 0,7 % klaciumot, 0,6 % nátriumot és 0,04 % lítiumot tartalmaz.
• A mészkőből (kalcium-karbonát) készített égetett mészt (kalcium-oxid) és az ebből készített oltott mészt (kalcium-hidroxid) a mészgyártás művelete után már az őskortól az építészetben használják. Az oltott mész az építészetben mind a mai napig sok kötőelem alkotója mint a malter, vakolat stb. Az ő alkalmazásukkor a bázisos oltott mész reakcióba lép a levegő szén-dioxid tartalmával és ezen reakció során CaCO₃ keletkezik:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

• A mész és gipsz együttes alkotói az egyik leggyakoribb építőipari alapanyagnak a cementnek. Ezt homokkal és vízzel keverve, a megkeményedés során erős és ellenálló anyagot, betont kapunk. A beton modern építőipari alapanyag, melyet a házépítésen kívül útépítéseknél is felhsználnak.

• A kalcium-karbonátot építészeti és szobrászati felhasználásán kívül festékként, fogporok és krémek lakotójaként valamint az orvosi gyakorlatban kalcium pótlásra is használják.

Alabástrom Olaszországból

• A gipszet (kalcium-szulfát dihidrát) elsősorban építészeti állagmegóvásban, öntőformák készítésében használják. A gipsz hőbontásával kalcium-szulfát hemihidrát (CaSO₄ · ½ H₂O) állítható elő, melyet ha vízzel keverünk, lassan ismét felveszi azt és újra fehér színű, kemény gipsz képződik belőle. Az építészeten kívül fontos szerepet kap lenyomatok készítésénél (például a fogakról). A gipsz készítésénél égetett gipszből a vízzel való keverésnek, száradási időnek és adalékanyagoknak a változtatásával különböző tulajdonságú gipszek állíthatók elő. A gipsz módosulatai a máriaüveg és az alabástrom, melyet burkolóanyagként használnak.

• A kalcium-karbidot mint erős redukálószert használják. Korábban elsősorban a bányászat használta karbid lámpákba. Bennük a karbidra víz csepegett, aminek hatására a karbid vízzel reagált és acetilént (etint) valamint kalcium-hidroxidot képezett. Az acetilént pedig a bányákban világításra használták, mivel levegő jelenlétében ég. A karbidlámpáknál a víz csepegésével lehetett szabályozni az égést, vagyis az acetilén-felszabadulását.

• A kalcium foszfátjait, például a CaHPO₃-ot ipari műtrágyként használták, melyek a növényeknek mind kalciumot, mind foszfort adnak.

[szerkesztés] Vegyületei

[szerkesztés] Szervetlen vegyületek

Kalcium-karbonát

Kalcium-fluorid

Kalcium-hidroxid

• Kalcium-hidrid (CaH₂) egy fehér kristályos anyag. Előállítható fém kalcium elemi hidrogén atmoszférában való melegítésével. A melegítés során gyakran meggyullad a kalcium. A kalcium-hidrid erős redukálószer, amelyet magas ára miatt redukciókra általánosan nem használnak. Vízzel való reakciója során kalcium-hidroxid és hidrogén keletkezik:

CaH₂ + 2 H₂O → Ca(OH)₂ + 2 H₂

• Kalcium-oxid (CaO) vagyis égetett mész fehér porszerű anyag. Vízzel hevesen hőfejlődés közben reagál kalcium-hidroxid képződése mellett. A kalcium-oxid előállítható mészkő vagy kalcium-karbonát égetésével, vagy fém kalcium és oxigén reakciójával.

CaCO₃ → CaO + CO₂

• Kalcium-hidroxid (Ca(OH)₂) könnyű, fehér porszerű anyag, mely szinte alig oldódik vízben, melegítés hatására oldhatóság tovább csökken. Vizes szuszpenzióját mésztejnek nevezik. Égett mész és víz reakciója során keletkezik. Ezen reakció szerint nevezik oltott mésznek:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

• Kalcium-peroxid (CaO₂) fehér porszerű anyag, amely nehezen oldódik vízben. Nátrium-peroxid és kalcium-hidroxid reakciójával állítható elő.

[szerkesztés] Sói

A kalcium sóinak nagyobb része vízben jól oldódik, de egy részük nehezen, vagy egyáltalán nem oldódik vízben. Sói fehér színűek vagy színtelenek (kivéve azokat, melyeknél az anion adja a színt: manganátok, kromátok). A kalcium sói jobban oldódnak, mint a magnéziuméi. A kalcium vegyületei könnyen képeznek kettős sókat és egyes esetben komplexeket is, ezek azonban sem a kalciumra, sem a többi alkáliföldfémre nem jellemzőek.

• Kalcium-fluorid (CaF₂) fehér, nagyon gyengén oldódó géles anyag. Kalcium vegyületek vizes oldatához fluorid anionokat tartalmazó oldatot adva a kalcium-fluorid kicsapódik, illetve előállítható kalcium-hidroxid vagy kalcium-karbonát és hidrogén-fluorid reakciójával.

• Kalcium-klorid (CaCl₂) fehér kristályos anyag, mely vízben jól oldódik. Kristályát két vízmolekulát tartalmazó kristályvízzel képezi, ez a kalcium-klorid dihidrát (CaCl₂ · 2 H₂O). Ez a kristály hevítve elveszíti kristályvizét és egy fehér porszerű anyag keletkezik (vízmentes kalcium-klorid), amelyet a preparatív szerves kémia használ gázok és folyadékok szárítószereként. Télen az utakat és járdákat szórják vele, hogy a víz fagyáspontját csökkentsék. Előállítható kalcium-karbonát vagy kalcium-hidroxid és sósav reakciójával vizes oldatban.

• Kalcium-bromid (CaBr₂) és kalcium-jodid (CaI₂) fehér kristályos anyagok, melyek nagyon jól oldódnak vízben. A bromidot a fényképészetben és gyógyászatban használják. Vizes oldatban előállíthatók kalcium-karbonát vagy kalcium-hidroxid és hidrogén-bromid vagy hidrogén-klorid reakciójával.

• Kalcium-nitrát (Ca(NO₃)₂) vagy mészsalétrom fehér kristályos anyag, mely nagyon jól oldódik vízben. Korábban műtrágyaként használták. Vizes oldatban előállítható kalcium-karbonát vagy kalcium-hidroxid salétromsavban történő oldásával.

• Kalcium-karbonát (CaCO₃) fehér kristályos anyag, mely vízben nagyon gyengén oldódik, oldhatósága a hőmérséklettel csökken. A természetben mint ásvány fordul elő hét stabil és egy nem stabil módosulatban. Előállítható kalcium kationokat tartalmazó oldatból karbonát anionokkal való kicsapatással vagy kalcium-hidroxid és szén-dioxid reakciójával, ami a malter megszilárdulásának is az alapja.

• Kalcium-szulfát (CaSO₄) fehér porszerű anyag, amely csak részlegesen oldódik a vízben (oldhatatlannak minősítik, de a karbonátnál jobban oldódik). Oldhatóság függ állapotától is. Az anhidrit nem tartalmaz semmilyen kristályvizet, vízben szinte egyáltalán nem oldódik. Kristályvizet tartalmazó formái, hemihidrátja és dihidrátja már jobban oldódnak. Oldhatóságuk a hőmérséklettől is függ, legjobb oldhatósága 40°C körül várható. Savas esők esetében a mészkő és márvány köztéri szobrok felületén a savas eső hatására nagyrészt kalcium-szulfát képződik, melyet a további esők (mivel jobban oldódik, mint a karbonát) lassan lemosnak. Súlyosabb azonban, hogy a savas eső behatol a kőzet belsejébe és itt keletkezik kalcium-szulfát, amely nagyobb moltérfogatú mint a karbonát, ezért lassan szétfeszíti a szobrokat. A kalcium-szulfát a természetben gipsz ásványként fordul elő, de egyéb kristálymódosulatokban is vagy mint kőzetek alkotója. Előállítható vízben oldható kalcium-vegyület szulfát anionokkal való reakciójával.

[szerkesztés] Szerves vegyületek

A kalcium szerves vegyületei közé tartoznak a kalcium szerves savakkal alkotott sói, közülük jelentős a kalcium-oxalát, mely főképp a rebarbara leveleiben fordul elő oxálsavval együtt és a leveleinek mérgező voltát okozza. Emellett fontosak még a kalcium alkoholokkal alkotott sói a kalcium-alkoholátok, illetve a kalcium komplexei. Különleges csoportot alkotnak a kalcium fémorganikus vegyületei.

[szerkesztés] A kalcium élettani jelentősége