§ 45. Кальций и его соединения

Определения и обозначения

Кальций — химический элемент главной подгруппы второй группы периодической системы, обозначается Ca и имеет порядковый номер 20. Он расположен в четвёртом периоде; у его атома четыре электронных слоя и два электрона на внешнем уровне. Обычно кальций отдаёт эти два электрона, поэтому в соединениях проявляет степень окисления +2.

Оксид кальция, CaO, — основный оксид, состоящий из ионов Ca²⁺ и O²⁻. Его называют негашёной известью; с водой он образует гидроксид кальция, а с кислотами — соль и воду. Это важно для понимания получения извести и применения оксида в строительстве и металлургии.

Гидроксид кальция, Ca(OH)₂, — малорастворимое основание, известное как гашёная известь. Растворившаяся часть вещества сообщает воде щелочные свойства: меняет окраску индикаторов и нейтрализует кислоты. Раствор Ca(OH)₂ называют известковой водой, а его взвесь в воде — известковым молоком.

Карбонат кальция, CaCO₃, — малорастворимая соль, составляющая основу известняка, мела и мрамора. Формула показывает, что в соединении на один ион Ca²⁺ приходится карбонат-ион CO₃²⁻. Одинаковый состав этих природных форм помогает объяснить их общие реакции, хотя их внешний вид и строение пород различаются.

Как это устроено

У кальция на внешнем энергетическом уровне находятся два электрона, которые сравнительно легко отрываются от атома. При их отдаче образуется положительно заряженный ион Ca²⁺ с устойчивой электронной оболочкой аргона. Поэтому в реакциях кальций обычно выступает восстановителем, а его соединения содержат катионы с зарядом +2.

Кальций — активный металл, поэтому реагирует с кислородом при нагревании с образованием оксида: 2Ca + O₂ → 2CaO. С водой он взаимодействует с выделением водорода и образованием малорастворимого гидроксида: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. С кислотами металл вытесняет водород, например Ca + 2HCl → CaCl₂ + H₂↑; конкретная скорость реакции зависит от активности кислоты и условий.

Кальций нельзя выделить электролизом водного раствора его соли, потому что на катоде преимущественно восстанавливается вода. В результате выделяется водород, а не металл. Поэтому для получения кальция проводят электролиз расплава соли: в расплаве нет воды, которая конкурировала бы с ионами Ca²⁺ за электроны.

Цепочка Ca → CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃ показывает переход от металла к его основным соединениям. При обжиге известняка происходит CaCO₃ → CaO + CO₂, а добавление воды к оксиду приводит к реакции CaO + H₂O → Ca(OH)₂, называемой гашением извести. Углекислый газ связывает гидроксид в осадок: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O; именно поэтому известковая вода мутнеет.

Ион Ca²⁺ образует с некоторыми анионами малорастворимые соли, которые выпадают в осадок. Например, карбонат-ион даёт CaCO₃, а сульфат-ион — CaSO₄; такие реакции позволяют распознавать присутствие ионов кальция в растворе. Карбонат кальция накапливается в природных породах, а сульфат кальция встречается в виде гипса и используется для получения гипсовых материалов.

Основные соединения кальция: свойства и получение

Сначала найдите в таблице нужное вещество, затем сопоставьте его класс с характерными реакциями и способом получения. Стрелка вниз обозначает образование осадка, а нагревание в уравнении разложения необходимо проводить, чтобы реакция шла. Последний столбец показывает, какие свойства делают соединение полезным на практике.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнения реакций кальция с кислородом и водой, укажите продукты. Кальций образует соединения, в которых его степень окисления равна +2, поэтому формулы продуктов — CaO и Ca(OH)₂. После записи формул проверьте, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало.

1. С кислородом образуется оксид кальция: 2Ca + O₂ → 2CaO. Коэффициент 2 перед CaO нужен, чтобы уравнять два атома кислорода, а затем уравниваются атомы кальция.
2. С водой образуются гидроксид кальция и водород: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. Коэффициент 2 перед водой даёт четыре атома водорода: два остаются в гидроксиде, два входят в молекулу H₂.
3. Ответ: продукты реакций — CaO и Ca(OH)₂ с выделением H₂ во второй реакции.

Задача 2. Запишите превращения CaCO₃ → CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃ и условия каждого этапа. В этой цепочке сначала получают оксид из карбоната, затем гашёную известь, а в конце снова карбонат. Для каждого перехода подберите реагент или условие, соответствующее типу реакции.

1. Прокалите карбонат кальция: CaCO₃ → CaO + CO₂↑. Нагревание разлагает соль на оксид и газ.
2. Добавьте к оксиду воду: CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Реакция гашения извести идёт с выделением тепла.
3. Пропустите через гидроксид углекислый газ: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Ответ: для первого этапа нужно нагревание, для второго — вода, для третьего — CO₂.

Задача 3. При прокаливании 25,0 г известняка, содержащего 80% CaCO₃, определите объём CO₂ при н. у., если разложение прошло полностью. Сначала нужно учесть примеси и найти массу именно карбоната кальция. Затем по уравнению реакции определить количество CO₂ и перевести его в объём по молярному объёму газа при н. у.

1. Масса чистого CaCO₃: 25,0 г × 0,80 = 20,0 г.
2. По уравнению CaCO₃ → CaO + CO₂ один моль карбоната даёт один моль углекислого газа. M(CaCO₃) = 100 г/моль, поэтому n(CaCO₃) = 20,0/100 = 0,200 моль и n(CO₂) = 0,200 моль.
3. При н. у. Vₘ = 22,4 л/моль, значит V(CO₂) = 0,200 × 22,4 = 4,48 л. Ответ: 4,48 л CO₂.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что кальций образует ион Ca⁺. Её допускают, если не учитывают два электрона на внешнем уровне атома; при их отдаче получается Ca²⁺. Проверьте заряд по формуле соединения: в CaO ион O²⁻ уравновешен именно Ca²⁺.

Не следует описывать Ca(OH)₂ как хорошо растворимую сильную щёлочь без оговорок. Путаница возникает потому, что его раствор действительно имеет щелочные свойства, хотя самого вещества растворяется мало. Чтобы проверить себя, разделяйте два факта: раствор обладает щелочной средой, а гидроксид кальция малорастворим.

Известковую воду иногда путают с известковым молоком. Первая — прозрачный раствор Ca(OH)₂, второе — взвесь его частиц в воде; обе смеси содержат одно и то же вещество, но выглядят по-разному. Если жидкость прозрачная, это известковая вода, а если мутная из-за взвеси — известковое молоко.

Помутнение известковой воды не продолжается бесконечно при пропускании CO₂. Сначала возникает осадок CaCO₃, но при избытке газа он реагирует с водой и превращается в растворимый Ca(HCO₃)₂. Проверить ход процесса можно по наблюдению: сначала появляется мутность, а затем осадок может раствориться.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства кальция, нужно знать строение атома, электронные конфигурации и периодический закон: они помогают объяснить отдачу электронов и заряд иона. Также пригодятся понятия степени окисления и ионной связи. При записи реакций нужны знания о металлах, оксидах, основаниях, кислотах и солях, а также умение расставлять коэффициенты.

Тема связывает теоретическую химию с практикой. Карбонаты кальция и гидрокарбонаты участвуют в процессах, влияющих на жёсткость воды, а оксид и гидроксид применяют в производстве строительных материалов и при обработке почв. Известняк служит сырьём для получения извести, а реакции осаждения помогают распознавать ионы в растворах.

Что запомнить

• Кальций — активный металл, в соединениях обычно имеет степень окисления +2.
• Кальций получают электролизом расплава его соли.
• CaO называют негашёной известью, Ca(OH)₂ — гашёной известью.
• При взаимодействии CaO с водой образуется Ca(OH)₂.
• Пропускание CO₂ через известковую воду сначала приводит к выпадению CaCO₃.
• При нагревании CaCO₃ разлагается на CaO и CO₂.
• Известняк, мел и мрамор состоят преимущественно из CaCO₃.