§ 43. Кальций

Определения и обозначения

Кальций — химический элемент с символом Ca и порядковым номером 20. В периодической таблице он находится в 4-м периоде и 2-й группе, в главной подгруппе. Положение элемента помогает определить строение его атома и предсказать свойства простого вещества.

Щелочноземельные металлы — элементы главной подгруппы II группы. У их атомов на внешнем электронном слое два электрона, которые они обычно отдают в химических реакциях. К этой группе относят и кальций, поэтому его свойства во многом похожи на свойства других её элементов.

Ион кальция Ca²⁺ — положительно заряженная частица, которая образуется, когда атом кальция отдаёт два электрона. Число протонов при этом не меняется, поэтому заряд частицы становится равен +2. Знак и величина заряда помогают составлять формулы соединений кальция.

Известковая вода — прозрачный раствор гидроксида кальция Ca(OH)₂. При пропускании углекислого газа она мутнеет, потому что образуется мелкий осадок карбоната кальция. Такую реакцию используют как качественный признак CO₂, то есть способ распознать это вещество.

Как это устроено

У атома кальция 20 электронов, распределённых по слоям как 2, 8, 8, 2. Два электрона внешнего слоя легче отдать, чем удерживать, поэтому при реакциях кальций часто превращается в Ca²⁺. Отсюда следует его типичная валентность II: для образования соединения кальцию обычно нужны две связи или суммарный заряд соседних частиц −2.

Из-за высокой химической активности свободный кальций быстро реагировал бы с компонентами воздуха и влагой. Поэтому в природе он встречается в соединениях, а не в виде самородного металла. Известняк, мел и мрамор состоят главным образом из карбоната кальция CaCO₃, а гипс — из сульфата кальция с кристаллизационной водой.

Кальций — серебристо-белый твёрдый металл, сравнительно лёгкий и мягкий. Его поверхность на воздухе постепенно покрывается продуктами реакции с кислородом и влагой, а вода тоже способна вступать с ним в реакцию. Поэтому металл хранят так, чтобы ограничить доступ воздуха и влаги, например под слоем защитной жидкости.

При нагревании кальций соединяется с кислородом и образует оксид кальция: 2Ca + O₂ → 2CaO. С водой при обычных условиях он реагирует с образованием гидроксида и водорода: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. С кислотами кальций вытесняет водород, образуя соль; например, Ca + 2HCl → CaCl₂ + H₂↑.

Кальций получают электролизом расплавленных солей, например хлорида кальция. В водном растворе вместе с ионами кальция восстанавливалась бы вода, поэтому для получения металла используют расплав, а не обычный раствор соли. Металл применяют в металлургии для получения сплавов и удаления примесей, а также используют как восстановитель; ограниченная доступность связана с его активностью.

Кальций: положение, свойства и реакции

Сначала по первым строкам можно определить место кальция в таблице и связать его с зарядом иона. Последние строки показывают, какие продукты получаются при взаимодействии металла с разными веществами. Сравнивая уравнения, проследите, что при реакции с водой и кислотой выделяется водород.

Разбор задач

1. Ион кальция и соединение с хлором

Определите заряд иона кальция и составьте формулу соединения кальция с хлором. Чтобы найти формулу, нужно учитывать не только символы элементов, но и заряды их ионов. Атом кальция отдаёт два электрона, а атом хлора принимает один.

1. Кальций превращается в ион Ca²⁺, его заряд равен +2.
2. Хлор образует ион Cl⁻ с зарядом −1. Для уравновешивания заряда одного Ca²⁺ нужны два иона Cl⁻.
3. Записываем формулу: CaCl₂. Суммарный заряд частиц в соединении равен нулю: +2 + 2 · (−1) = 0.

Ответ: ион кальция — Ca²⁺, формула соединения кальция с хлором — CaCl₂. Индекс 2 относится к хлору, потому что на один ион кальция приходится два иона хлора. Проверка по зарядам помогает убедиться, что формула составлена верно.

2. Реакция кальция с водой

Составьте уравнение реакции кальция с водой и укажите продукты. Активный металл вытесняет из воды водород, а оставшаяся часть молекул воды образует гидроксид кальция. Затем нужно подобрать коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента совпадало слева и справа.

1. Записываем схему: Ca + H₂O → Ca(OH)₂ + H₂.
2. В Ca(OH)₂ нужны две группы OH, поэтому ставим коэффициент 2 перед водой: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂.
3. Проверяем атомы: с обеих сторон по одному Ca, двум O и четырём H. Уравнение сбалансировано.

Ответ: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑; образуются гидроксид кальция и водород. Стрелка вверх обозначает выделение газа. При проверке учитывайте и водород, который входит в состав гидроксида, а не только молекулу H₂.

3. Масса гидроксида кальция

Какую массу Ca(OH)₂ можно получить при взаимодействии 8 г кальция с избытком воды? Избыток воды означает, что кальций полностью прореагирует и ограничивать количество продукта будет только он. Используем уравнение реакции и соотношение веществ по коэффициентам.

1. Уравнение: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂. Молярная масса Ca равна 40 г/моль, поэтому n(Ca) = 8 г : 40 г/моль = 0,2 моль.
2. По уравнению 1 моль Ca даёт 1 моль Ca(OH)₂. Значит, n(Ca(OH)₂) = 0,2 моль.
3. Молярная масса Ca(OH)₂ равна 40 + 2 · (16 + 1) = 74 г/моль. Тогда m = 0,2 моль · 74 г/моль = 14,8 г.

Ответ: теоретически можно получить 14,8 г гидроксида кальция. Равенство коэффициентов перед Ca и Ca(OH)₂ позволяет перенести количество вещества без изменения. На практике фактическая масса может быть меньше из-за потерь при проведении реакции и выделении продукта.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что кальций встречается в природе в свободном виде. Так думают, потому что металл описывают как отдельное простое вещество, но его высокая активность приводит к образованию соединений. Проверка: если речь идёт о природных минералах, ищите в их составе кальций, например в известняке или гипсе, а не куски свободного металла.

Ошибка: записывать ион кальция как Ca⁺. Её допускают, если забывают, что на внешнем слое два электрона и оба обычно отдаются. Проверка: сравните число отданных электронов с зарядом иона — потеря двух электронов даёт Ca²⁺, а не Ca⁺.

Ошибка: путать оксид CaO и гидроксид Ca(OH)₂. Названия похожи, и оба вещества связаны с кальцием и кислородом, но гидроксид дополнительно содержит водород. Проверка: при добавлении воды к оксиду запишите CaO + H₂O → Ca(OH)₂; формулы и состав веществ различны.

Ошибка: забывать коэффициент 2 перед водой в уравнении реакции кальция с водой. Это происходит, если уравнивать только атомы кальция или не пересчитать водород. Проверка: посчитайте атомы каждого элемента с обеих сторон: в Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂ их число совпадает.

Связь с другими темами

Для понимания свойств кальция нужны знания о строении атома, электронных слоях и положении элементов в таблице. Понятия валентности и иона помогают объяснить образование Ca²⁺ и составлять формулы солей. На примере кальция можно учиться предсказывать реакции других щелочноземельных металлов.

Реакции кальция пригодятся при изучении соединений и свойств металлов. Минералы кальция связывают химию с круговоротом веществ в природе, жёсткостью воды и строительными материалами. Например, известняк и мрамор используют в строительстве, а соединения кальция влияют на состав природной воды.

Что запомнить

• Кальций — элемент главной подгруппы II группы, его символ — Ca.
• На внешнем электронном слое атома кальция находятся два электрона.
• В соединениях кальций обычно образует ион Ca²⁺ и проявляет валентность II.
• В природе кальций содержится в составе минералов, в том числе известняка, мела и гипса.
• Кальций реагирует с кислородом и водой.
• При реакции кальция с водой образуются гидроксид кальция и водород.
• Известковая вода мутнеет при пропускании углекислого газа.