"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Кальций образует соединения, которые встречаются в природе и широко используются в строительстве: оксид, гидроксид и карбонат кальция. Известняк при нагревании превращается в негашёную известь, а её взаимодействие с водой даёт гашёную известь и сопровождается выделением тепла. Растворённые соли кальция и магния определяют жёсткость воды. Она бывает временной и постоянной: кипячение помогает устранить первую, но не вторую.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид кальция CaO — соединение кальция с кислородом, которое называют негашёной известью. Его получают обжигом известняка, то есть нагреванием карбоната кальция, а также взаимодействием кальция с кислородом. CaO нужен для производства гашёной извести и строительных материалов. Его используют и как осушитель: он связывает воду, превращаясь в гидроксид.
Гашёная известь Ca(OH)₂ — гидроксид кальция, который получают из оксида кальция и воды. Это твёрдое малорастворимое основание: его раствор окрашивает лакмус в синий цвет и реагирует с кислотами. Гашёную известь применяют в строительных растворах и для побелки. Знание её формулы помогает не путать продукт гашения с исходным CaO.
Известняк, мел и мрамор — природные формы карбоната кальция CaCO₃. Они различаются происхождением, строением и внешним видом, но имеют общую химическую основу. Известняк используют как строительный материал и сырьё для получения извести; мел применяют, например, для письма и в производстве; мрамор служит облицовочным и скульптурным камнем. Формула CaCO₃ позволяет предсказать их реакции.
Жёсткость воды — свойство, связанное с растворёнными в воде солями кальция и магния. Временная жёсткость обусловлена главным образом гидрокарбонатами этих металлов и уменьшается при кипячении. Постоянную жёсткость вызывают другие растворимые соли, например сульфаты и хлориды; кипячение их не удаляет. Различение видов жёсткости показывает, какой способ умягчения воды подойдёт.
При взаимодействии кальция с кислородом образуется оксид: 2Ca + O₂ → 2CaO. В промышленности CaO получают чаще из карбоната кальция, которым богаты известняк и мел. При сильном нагревании частицы CaCO₃ распадаются на оксид и углекислый газ: CaCO₃ → CaO + CO₂↑. Удаление газа и высокая температура способствуют разложению, а этот процесс называют обжигом известняка.
Оксид кальция активно взаимодействует с водой: CaO + H₂O → Ca(OH)₂. При образовании гидроксида выделяется тепло, поэтому смесь нагревается; превращение и называют гашением извести. Получившийся гидроксид проявляет свойства основания: например, нейтрализует кислоту с образованием соли и воды. В строительстве его используют в растворах, а при контакте с углекислым газом он может образовать карбонат кальция.
Карбонат кальция устойчив при обычных условиях, но при нагревании распадается на CaO и CO₂. Поэтому обжиг позволяет получить из природного известняка негашёную известь. С кислотами CaCO₃ тоже реагирует, потому что кислотный остаток вытесняет углекислый газ из карбоната. Например: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O; пузырьки газа служат признаком этой реакции.
Временная жёсткость возникает, когда в воде растворены гидрокарбонаты кальция и магния. При кипячении гидрокарбонат кальция разлагается: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O. Малорастворимый карбонат выпадает в осадок, а часть растворённых соединений удаляется из воды. Поэтому после кипячения временная жёсткость уменьшается, хотя результат зависит от количества солей.
Постоянную жёсткость создают растворимые соли кальция и магния, не относящиеся к гидрокарбонатам, например CaSO₄ и MgCl₂. При обычном кипячении они не дают осадка, который можно было бы отделить, поэтому остаются в воде. Чтобы снизить такую жёсткость, применяют специальные способы умягчения, например реагенты, переводящие ионы металлов в осадок, или фильтры с ионообменными материалами. Выбор способа зависит от состава воды.
| Вещество или вид жёсткости | Формула или причина | Характерное свойство или способ устранения | Применение или пример |
|---|---|---|---|
| Оксид кальция | CaO | Реагирует с водой с выделением тепла | Негашёная известь; получение гидроксида кальция |
| Гидроксид кальция | Ca(OH)₂ | Основание; нейтрализует кислоты | Гашёная известь; строительные растворы, побелка |
| Карбонат кальция | CaCO₃ | При нагревании разлагается; с кислотами выделяет CO₂ | Известняк, мел, мрамор; строительство и производство извести |
| Временная жёсткость | Гидрокарбонаты кальция и магния | Уменьшается при кипячении | Осадок при кипячении воды |
| Постоянная жёсткость | Другие растворимые соли кальция и магния | Кипячением не устраняется; нужны специальные способы | Например, соли CaSO₄ и MgCl₂ |
Сначала найдите в таблице формулу вещества или причину жёсткости, затем сопоставьте её со свойством. Если нужно выбрать способ обработки воды, проверьте, связана ли жёсткость с гидрокарбонатами. Примеры применения показывают, где соединения кальция встречаются в быту и промышленности.
Условие. Составить уравнения получения негашёной извести из карбоната кальция и гашёной извести из оксида кальция. В первой реакции карбонат нужно нагреть, а во второй к оксиду добавляют воду. Проследим, какие вещества образуются на каждом этапе.
Ответ: CaCO₃ → CaO + CO₂↑; CaO + H₂O → Ca(OH)₂.
Условие. При разложении 100 г CaCO₃ получают CaO с выходом 80%. Найти массу оксида кальция. Выход показывает, какая часть теоретически возможного продукта действительно получена, поэтому сначала вычислим теоретическую массу.
Ответ: можно получить 44,8 г CaO.
Условие. В воде растворены гидрокарбонат кальция и сульфат кальция. Определить, какая часть жёсткости устранится кипячением, и записать соответствующую реакцию. Нужно классифицировать каждую соль, а не считать, что все соединения кальция ведут себя одинаково.
Ответ: кипячение уменьшит временную жёсткость, вызванную Ca(HCO₃)₂; постоянная жёсткость из-за CaSO₄ останется.
Считать, что жёсткость вызывают только соли кальция. Такое мнение возникает из-за того, что в примерах часто разбирают соединения кальция, но растворимые соли магния тоже делают воду жёсткой. Проверяйте формулировку определения: в ней должны быть названы оба металла — кальций и магний.
Полагать, что кипячение устраняет любую жёсткость. Ошибка появляется, если запомнить только факт образования осадка при кипячении и распространить его на все соли. Уточните, какая соль растворена: кипячение уменьшает жёсткость от гидрокарбонатов, но не удаляет постоянную.
Путать CaO и Ca(OH)₂. Обе формулы относятся к извести и содержат кальций, поэтому их легко поменять местами. Проверьте состав: в CaO нет водорода, а гидроксид содержит группу OH; Ca(OH)₂ образуется при реакции CaO с водой.
Записывать разложение CaCO₃ без углекислого газа или неверно расставлять коэффициенты. Так бывает, если учитывать только нужный твёрдый продукт и забывать о сохранении атомов. Пересчитайте кальций, углерод и кислород с обеих сторон: уравнение CaCO₃ → CaO + CO₂ сохраняет каждый из них.
Для разбора соединений кальция нужно знать, как составляют формулы оксидов, оснований, кислот и солей. Эти знания помогают распознавать CaO, Ca(OH)₂ и CaCO₃ и записывать уравнения их превращений. При расчётах по уравнению реакции пригодятся молярная масса, соотношение количеств веществ и понятие выхода продукта.
Жёсткость воды связана с изучением растворов и обменных реакций: важно понимать, какие вещества остаются растворёнными, а какие образуют осадок. Эти знания применяют при очистке и умягчении воды. Они помогают объяснить, почему кипячение подходит для временной жёсткости, но не для постоянной.
Чем негашёная известь отличается от гашёной?
Негашёная известь — это оксид кальция CaO, а гашёная — гидроксид кальция Ca(OH)₂. Гашёную известь получают, добавляя воду к оксиду.
Почему при гашении извести выделяется тепло?
При реакции CaO с водой образуется Ca(OH)₂, и одновременно выделяется энергия. Поэтому смесь нагревается; такую реакцию называют экзотермической.
Как отличить карбонат кальция от других веществ?
К карбонату кальция можно добавить кислоту: при реакции выделяются пузырьки углекислого газа. Например, CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.
Какие соли вызывают временную жёсткость воды?
Временную жёсткость вызывают растворённые гидрокарбонаты кальция и магния. При кипячении они разлагаются, поэтому часть солей выпадает в осадок и жёсткость уменьшается.
Почему кипячение не устраняет постоянную жёсткость?
Постоянную жёсткость создают другие растворимые соли кальция и магния, например сульфаты. При обычном кипячении они не разлагаются, поэтому для умягчения нужны специальные способы.
§ 45. Важнейшие соединения кальция. Жёсткость воды
