36. Кальций

Определения и обозначения

Кальций — химический элемент с порядковым номером 20, символом Ca и относительной атомной массой около 40. Он расположен в главной подгруппе II группы, в четвёртом периоде Периодической системы. Положение элемента помогает предсказать число внешних электронов и свойства его соединений.

Щелочноземельные металлы — элементы главной подгруппы II группы, к которой относится и кальций. Для них характерно наличие двух электронов на внешнем уровне и образование ионов с зарядом 2+. Название группы напоминает, что оксиды этих металлов исторически называли «землями»; оно помогает отличать группу от щелочных металлов.

Оксид кальция — соединение кальция с кислородом состава CaO, которое называют негашёной известью. Это твёрдое белое вещество с основными свойствами: оно реагирует с водой, кислотами и кислотными оксидами. CaO нужен для получения гашёной извести и производства строительных материалов.

Гидроксид кальция — основание состава Ca(OH)₂, известное как гашёная известь. В воде оно растворяется мало; прозрачный раствор называют известковой водой, а взвесь вещества — известковым молоком. Гидроксид проявляет основные свойства: взаимодействует с кислотами и углекислым газом, поэтому его используют в строительстве и для обнаружения CO₂.

Как это устроено

Порядковый номер кальция равен 20, значит, в нейтральном атоме 20 протонов и 20 электронов. Четвёртый период указывает на четыре занятых энергетических уровня, а главная подгруппа II группы — на два электрона на внешнем уровне. Их распределение записывают как 2, 8, 8, 2; отдавая два внешних электрона, атом превращается в Ca²⁺.

Атом кальция сравнительно легко отдаёт внешние электроны, поэтому в реакциях он выступает восстановителем: отдаёт электроны другому веществу. Сам кальций при этом окисляется и обычно приобретает степень окисления +2. Вторая частица принимает электроны и восстанавливается; именно такое перераспределение электронов объясняет образование ионных соединений кальция.

Кальций — твёрдый серебристо-белый металл, проводящий электрический ток и тепло. Эти свойства связаны с металлической связью: внешние электроны могут перемещаться между частицами кристалла. По сравнению с щелочными металлами кальций менее мягкий и обычно менее активный, однако на воздухе постепенно покрывается оксидной плёнкой, а при нагревании реагирует значительно быстрее.

В кислороде кальций горит ярким пламенем, образуя оксид: 2Ca + O₂ → 2CaO. С водой металл даёт гидроксид и водород: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑; заметны пузырьки газа, а раствор приобретает щелочную реакцию. С соляной кислотой кальций образует соль и водород: Ca + 2HCl → CaCl₂ + H₂↑, поэтому также наблюдается газовыделение. С неметаллами, например хлором и серой, он образует бинарные соединения: Ca + Cl₂ → CaCl₂, Ca + S → CaS; реакция с хлором сопровождается выделением тепла.

В природе кальций встречается в соединениях, например в известняке, меле и мраморе, основу которых составляет CaCO₃. При сильном нагревании карбонат разлагается: CaCO₃ → CaO + CO₂↑; так получают негашёную известь. При добавлении воды происходит экзотермическая реакция CaO + H₂O → Ca(OH)₂, а пропускание CO₂ через гидроксид снова даёт CaCO₃: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O. CaO и Ca(OH)₂ используют при производстве строительных смесей, а известняк — как сырьё для цемента и извести.

Кальций: строение, свойства, получение и применение

Читайте таблицу по строкам: сначала соотнесите положение кальция с его строением и химической ролью, затем проследите реакции и продукты. Формулы показывают состав веществ или уравнения превращений, а последний столбец связывает свойства с практическим применением. Стрелки вверх и вниз возле формул газов и осадков указывают на выделение газа и образование осадка.

Разбор задач

Задача 1. Что можно определить по положению кальция?

Условие: определить число электронов в атоме, число электронов на внешнем уровне, тип элемента и возможную степень окисления кальция. Используем порядковый номер, группу и период, не смешивая их значения. Порядковый номер описывает заряд ядра, а период и главная подгруппа помогают судить о распределении электронов.

1. Порядковый номер Ca равен 20, поэтому у нейтрального атома 20 электронов.
2. Кальций находится в главной подгруппе II группы: на внешнем уровне два электрона.
3. Четвёртый период указывает на четыре энергетических уровня; кальций — металл.
4. Атом может отдать два внешних электрона и образовать Ca²⁺, поэтому характерная степень окисления равна +2.

Ответ: 20 электронов, два электрона на внешнем уровне; кальций — металл, обычно проявляющий степень окисления +2. Проверка: электронная конфигурация 2, 8, 8, 2 содержит в сумме 20 электронов. Такой способ рассуждения подходит и для других элементов главных подгрупп.

Задача 2. Реакции кальция и окислительно-восстановительная роль

Условие: составить уравнения реакций кальция с кислородом, водой и соляной кислотой, расставить коэффициенты и определить окислитель и восстановитель. Сначала устанавливаем продукты: с кислородом получается оксид, а с водой и кислотой — водород и соединение кальция. Затем проверяем, сколько атомов каждого элемента должно быть по обе стороны уравнения.

1. С кислородом: 2Ca + O₂ → 2CaO. Кальций отдаёт электроны и является восстановителем, кислород принимает их и является окислителем.
2. С водой: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. Кальций окисляется до Ca²⁺, а водород из воды восстанавливается до H₂.
3. С кислотой: Ca + 2HCl → CaCl₂ + H₂↑. Кальций — восстановитель, ионы водорода H⁺ — окислитель.
4. Проверяем баланс: число атомов слева и справа одинаково, а в каждой реакции меняются степени окисления.

Ответ: приведённые уравнения расставлены коэффициентами; кальций во всех трёх реакциях — восстановитель. Признаки реакций с водой и кислотой — выделение водорода, а при взаимодействии с кислородом — горение и образование твёрдого оксида. Окислитель принимает электроны, поэтому его определяют по восстановлению, а не по названию вещества.

Задача 3. Цепочка известковых превращений и расчёт

Условие: провести превращения CaCO₃ → CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃ и найти массу CaO, полученную из 100 г CaCO₃. Сначала записываем уравнения: CaCO₃ → CaO + CO₂↑; CaO + H₂O → Ca(OH)₂; Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Для расчёта используем первое уравнение: один моль карбоната даёт один моль оксида.

1. Находим молярную массу CaCO₃: 40 + 12 + 3 · 16 = 100 г/моль.
2. Количество вещества CaCO₃: n = m/M = 100/100 = 1 моль.
3. По коэффициентам уравнения из 1 моль CaCO₃ образуется 1 моль CaO.
4. Молярная масса CaO равна 40 + 16 = 56 г/моль; значит, масса продукта m = nM = 1 · 56 = 56 г.

Ответ: из 100 г CaCO₃ теоретически получится 56 г CaO. Проверка массового соотношения: оставшаяся часть массы соответствует выделившемуся CO₂, масса которого равна 44 г; 56 + 44 = 100 г. Если в задаче дана другая масса карбоната, сначала находят её количество вещества, а затем используют соотношение коэффициентов.

Типичные ошибки

Ошибка: приписывать кальцию степень окисления +1, как щелочным металлам. Так происходит, если ориентироваться лишь на то, что это активный металл, и не учитывать номер группы. Проверьте число внешних электронов: у кальция их два, значит, обычный ион — Ca²⁺, а степень окисления в соединениях обычно +2.

Ошибка: записывать гидроксид кальция как CaOH или Ca(OH)₃. Причина — забывают, что гидроксид-ион OH⁻ имеет заряд −1, а катион кальция — заряд +2. Для нейтрального соединения нужны два гидроксид-иона, поэтому верная формула Ca(OH)₂; скобки показывают, что группа OH повторяется дважды.

Ошибка: описывать реакцию кальция с водой так, будто условия и продукты можно не уточнять. Кальций реагирует с водой с образованием Ca(OH)₂ и H₂, но реакцию может замедлять слой малорастворимого гидроксида на поверхности. Проверьте запись по атомам: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂; пузырьки водорода — ожидаемый признак.

Ошибка: путать известняк, негашёную и гашёную известь. Их названия похожи, поэтому легко перепутать сами вещества и этапы получения. Запомните соответствия: известняк — CaCO₃, негашёная известь — CaO, гашёная известь — Ca(OH)₂; переход CaO в Ca(OH)₂ происходит при добавлении воды.

Связь с другими темами

Для понимания кальция нужны знания о строении атома, периодическом законе, химической связи, степенях окисления и свойствах металлов: они помогают объяснять образование Ca²⁺ и ход реакций. Тема также опирается на понятия кислот, оснований, солей и реакций замещения и обмена. Соединения кальция встретятся при изучении круговорота углерода, жёсткости воды и качественных реакций: например, помутнение известковой воды помогает обнаружить углекислый газ.

Что запомнить

• Кальций — активный металл II группы, главной подгруппы, четвёртого периода.
• На внешнем энергетическом уровне атом кальция имеет два электрона.
• В соединениях кальций обычно проявляет степень окисления +2.
• Кальций — сильный восстановитель и реагирует с кислородом, водой, кислотами и неметаллами.
• Оксид кальция CaO называют негашёной известью, а гидроксид кальция Ca(OH)₂ — гашёной известью.
• Цепочка превращений известковых соединений включает реакции CaCO₃, CaO, Ca(OH)₂ и CO₂.
• Соединения кальция широко используют в строительстве, промышленности и сельском хозяйстве.