§ 43. Кальций

Определения и обозначения

Кальций — химический элемент с символом Ca и порядковым номером 20. Он расположен в 4-м периоде и главной подгруппе 2-й группы периодической системы. Положение элемента помогает предсказать строение его атома и поведение в реакциях.

Щелочноземельные металлы — элементы главной подгруппы второй группы периодической системы. Кальций относят к ним, потому что он находится в этой группе и обладает характерными для неё свойствами металла. Название группы напоминает о том, что многие её элементы образуют оксиды и гидроксиды.

Негашёная известь — оксид кальция CaO, твёрдое вещество белого цвета. Его получают, например, нагреванием карбоната кальция: CaCO₃ → CaO + CO₂↑. Оксид реагирует с водой с выделением тепла, поэтому хранить его нужно так, чтобы он не намокал.

Гашёная известь — гидроксид кальция Ca(OH)₂. Он образуется при взаимодействии оксида кальция с водой: CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Это основание, которое применяют, в частности, в строительных растворах и для уменьшения кислотности почвы.

Как это устроено

У кальция 20 электронов, распределённых по энергетическим уровням; на внешнем уровне находятся два электрона. Атомам металлов выгодно отдавать внешние электроны, потому что так они приобретают более устойчивое строение. Поэтому кальций обычно образует положительно заряженный ион Ca²⁺ и проявляет степень окисления +2, а не +1.

В природе кальций встречается в соединениях: например, в известняке, меле и мраморе, основой которых служит карбонат кальция, а также в гипсе. Причина в высокой химической активности металла: кальций легко взаимодействует с веществами окружающей среды. Поэтому атомы свободного кальция быстро переходят в состав устойчивых соединений.

Простое вещество кальций — серебристо-белый металл, твёрдый при обычных условиях. Как и другие металлы, он проводит тепло и электрический ток, а его атомы способны отдавать электроны. Именно эта металлическая природа объясняет образование ионов Ca²⁺ при реакциях с неметаллами и некоторыми сложными веществами.

При взаимодействии кальция с кислородом образуется оксид: 2Ca + O₂ → 2CaO. С водой металл реагирует с образованием гидроксида и водорода: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. С кислотами кальций также вытесняет водород, например: Ca + 2HCl → CaCl₂ + H₂↑. Во всех этих случаях кальций окисляется, отдавая два электрона.

Оксид кальция получают не только при горении металла, но и нагреванием карбоната кальция. Это основной оксид: он реагирует с водой с образованием основания, а также взаимодействует с кислотами. Полученный гидроксид кальция проявляет свойства основания и нейтрализует кислоты. Оксид и гидроксид кальция используют в строительстве, а также при обработке почв.

Кальций и важнейшие соединения кальция

Сначала определите формулу и класс вещества, а затем сопоставьте их с характерными свойствами. Реакции в таблице помогают увидеть, как одно соединение кальция можно превратить в другое. Встречаемость и применение показывают, где эти вещества можно обнаружить и для чего они полезны.

Разбор задач

1. Составьте уравнение реакции кальция с кислородом и уравняйте его

Кальций образует ион Ca²⁺, а кислород в оксидах имеет степень окисления −2. Поэтому формула продукта — CaO, а исходные вещества записывают как Ca и O₂. Уравнивая запись, нужно помнить, что кислород входит в реакцию двухатомными молекулами.

1. Записываем схему: Ca + O₂ → CaO.
2. Ставим коэффициент 2 перед CaO, чтобы уравнять два атома кислорода справа.
3. Ставим коэффициент 2 перед Ca, чтобы уравнять атомы кальция.

Получаем уравнение: 2Ca + O₂ → 2CaO. Проверка показывает, что с обеих сторон по два атома кальция и кислорода.

2. Запишите уравнение реакции кальция с водой и укажите формулы продуктов

Активный кальций вытесняет водород из воды. В результате образуются гидроксид кальция Ca(OH)₂ и молекулярный водород H₂. Важно записать обе частицы и проверить число атомов каждого элемента.

1. Записываем схему: Ca + H₂O → Ca(OH)₂ + H₂.
2. В Ca(OH)₂ содержатся две группы OH, поэтому ставим коэффициент 2 перед H₂O.
3. Проверяем атомы: слева два O и четыре H, справа два O и четыре H; кальция по одному.

Уравнение: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. Стрелка вверх показывает выделение газа — водорода.

3. Какую массу оксида кальция можно получить при полном разложении 25 г карбоната кальция?

При нагревании карбонат кальция разлагается на оксид кальция и углекислый газ. Уравнение реакции: CaCO₃ → CaO + CO₂↑. По коэффициентам видно, что из одного моля CaCO₃ получается один моль CaO.

1. Находим молярные массы: M(CaCO₃) = 100 г/моль, M(CaO) = 56 г/моль.
2. Количество CaCO₃: n = m/M = 25/100 = 0,25 моль.
3. По соотношению коэффициентов n(CaO) = 0,25 моль.
4. Находим массу оксида: m(CaO) = nM = 0,25 · 56 = 14 г.

Ответ: при полном разложении 25 г карбоната кальция получится 14 г оксида кальция. Расчёт предполагает, что карбонат разложился полностью и потерь вещества нет.

Типичные ошибки

Кальций как химический элемент иногда путают с простым веществом. Элемент — это вид атомов, обозначаемый Ca, а простое вещество — металл, состоящий из атомов кальция. Чтобы проверить себя, уточните, говорится ли о частицах и их месте в таблице или о металле с физическими свойствами.

Для кальция иногда записывают степень окисления +1, забывая о двух электронах внешнего уровня. В типичных соединениях кальций отдаёт оба электрона и имеет степень окисления +2. Проверьте формулу по зарядам: например, Ca²⁺ соединяется с O²⁻ в отношении 1:1, поэтому оксид имеет формулу CaO.

В уравнении реакции кальция с водой могут забыть водород или неверно записать гидроксид. Продукты — Ca(OH)₂ и H₂, а сбалансированное уравнение имеет вид Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂. Пересчитайте атомы Ca, O и H по обе стороны стрелки, не меняя индексы в формулах.

Негашёную известь CaO смешивают с гашёной известью Ca(OH)₂, хотя это разные вещества. Первая является оксидом, а вторая — гидроксидом, который получается при добавлении воды к оксиду. Для проверки запомните уравнение CaO + H₂O → Ca(OH)₂ и обратите внимание на наличие группы OH в формуле гашёной извести.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства кальция, нужно знать строение атома, расположение элементов в группах и периодах, а также понятия валентности и степени окисления. Эти знания позволяют выводить формулы CaO и Ca(OH)₂ и составлять уравнения реакций. Они же помогают объяснить, почему кальций образует ион с зарядом +2.

Тема продолжает изучение металлов и связывает его с основаниями и солями. Карбонаты кальция встречаются в горных породах и связаны с составом природных вод и круговоротом веществ. Знание реакций кальция помогает разбирать образование накипи, свойства известняка и превращения веществ в природе.

Что запомнить

• Символ кальция — Ca, порядковый номер — 20.
• Кальций — щелочноземельный металл; в соединениях обычно проявляет степень окисления +2.
• В природе кальций входит в состав минералов и горных пород.
• При взаимодействии кальция с водой образуются гидроксид кальция и водород.
• Оксид кальция CaO называют негашёной известью.
• Гидроксид кальция Ca(OH)₂ называют гашёной известью.
• При нагревании карбонат кальция разлагается с образованием оксида кальция и углекислого газа.