CALCIUM: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, GEWINNUNG, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Kalzium ist ein Erdalkalimetall, das zum Periodensystem der Gruppe 2 (Mr. Becambara) gehört. Dieses Metall nimmt unter den in der Erdkruste vorhandenen Elementen den fünften Platz im Überfluss ein; hinter Eisen und Aluminium. Es wird durch das chemische Symbol Ca dargestellt und seine Ordnungszahl beträgt 20.

Calcium macht 3,64% der Erdkruste aus und ist mit 2% seines Gewichts das am häufigsten vorkommende Metall im menschlichen Körper. Er ist nicht frei in der Natur; aber es ist Teil zahlreicher Mineralien und chemischer Verbindungen.

Hochreines metallisches Kalzium, das in Mineralöl gespeichert ist, um es vor Sauerstoff und Feuchtigkeit zu schützen. Quelle: 2 × 910

Zum Beispiel kommt es im Mineral Calcit vor, das wiederum Teil von Kalkstein ist. Calciumcarbonat kommt in der Erde als Marmor, Dolomit, Eierschale, Koralle, Perlen, Stalaktiten, Stalagmiten sowie in den Schalen vieler Meerestiere oder Schnecken vor.

Darüber hinaus ist Kalzium Teil anderer Mineralien wie Gips, Anhydrit, Fluorit und Apatit. Es ist daher nicht verwunderlich, dass es auf kultureller Ebene gleichbedeutend mit Knochen ist.

An der Luft wird Calcium mit einer gelblichen Beschichtung bedeckt, dem Produkt einer Mischung aus Calciumoxid, Nitrid und Hydroxid. Frisch geschnitten ist die Oberfläche jedoch glänzend, silbrig-weißlich. Es ist weich mit einer Härte auf der Mohs-Skala von 1,75.

Calcium erfüllt bei Lebewesen zahlreiche Funktionen, darunter Teile von Verbindungen, die die Struktur und Funktion des Knochensystems bestimmen. Es greift in die Gerinnungskaskade ein, indem es mehrere Gerinnungsfaktoren aktiviert, die als Faktor IV identifiziert wurden.

Darüber hinaus ist Calcium an der Muskelkontraktion beteiligt, was die Vereinigung kontraktiler Proteine ​​(Actin und Myosin) ermöglicht. und erleichtert die Freisetzung einiger Neurotransmitter, einschließlich Acetylcholin.

Chemisch ist es fast immer an seinen organischen oder anorganischen Verbindungen wie dem zweiwertigen Kation Ca ^{2+ beteiligt} . Es ist eines der Kationen mit der höchsten Koordinationszahl, dh es kann gleichzeitig mit mehreren Molekülen oder Ionen interagieren.

Geschichte

In alten Zeiten

Calciumverbindungen wie Kalk (CaO) oder Gips (CaSO ₄ ) werden seit Jahrtausenden vom Menschen verwendet, deren chemische Struktur unbekannt ist. Kalk als Baumaterial und Gips für die Herstellung der Skulpturen wurde 7.000 Jahre vor Christus verwendet

In Mesopotamien wurde ein Kalkofen gefunden, der 2.500 v. Chr. Verwendet wurde. In naher Zeit wurde beim Bau der Großen Pyramide von Gizeh Gips verwendet.

Identifizierung und Isolierung

Joseph Black (1755) erklärte, dass Kalk leichter ist als der Kalkstein (Calciumcarbonat), aus dem er stammt. Dies liegt daran, dass es beim Erhitzen Kohlendioxid verliert.

Antoine Lavoiser (1787) kam zu dem Schluss, dass Kalk ein Oxid eines unbekannten chemischen Elements sein muss.

Sir Humphrey Davy (1808) tat genau in dem Jahr, in dem er Bor entdeckte, dasselbe mit Kalzium unter Verwendung der Elektrolysetechnik, die von Jakar Berzelius und Magnus Martin verwendet wurde.

Davy isolierte Calcium und Magnesium unter Verwendung des gleichen experimentellen Designs. Er mischte das Calciumoxid mit dem Quecksilber (II) -oxid auf einer Platinplatte, die als Anode (+) verwendet wurde, während die Kathode (-) ein Platindraht war, der teilweise in Quecksilber getaucht war.

Durch Elektrolyse entstand ein Amalgam aus Kalzium und Quecksilber. Zur Reinigung des Calciums wurde das Amalgam destilliert. Es wurde jedoch kein reines Calcium erhalten.

Eigenschaften

Physische Beschreibung

Silberweißliches Metall, wechselt an der Luft zu grauweiß. In feuchter Luft nimmt es ein wolkiges Blaugrau an. Festes oder trockenes Pulver. Kristallstruktur auf dem Gesicht zentriert.

Atomares Gewicht

40,078 g / mol.

Schmelzpunkt

842 ° C.

Siedepunkt

1.484 ° C.

Dichte

-1,55 g / cm ³ bei Raumtemperatur.

-1,378 g / cm ³ in flüssigem Zustand am Schmelzpunkt.

Schmelzwärme

8,54 kJ / mol.

Verdampfungswärme

154,7 kJ / mol.

Molare Kalorienkapazität

25,929 J / (mol · K).

Spezifische Kalorienkapazität

0,63 J / gK

Elektronegativität

1,0 auf der Pauling-Skala

Ionisationsenergie

-Erste Ionisation 589,8 kJ / mol

- Zweite Ionisation 1.145 kJ / mol

-Dritte Ionisation 4,912 kJ / mol

-Vierte Ionisation 6.490,57 kJ / mol und es gibt 4 weitere Ionisationsenergien.

Atomradio

197 Uhr

Kovalenter Radius

176 ± 22 Uhr

Wärmeausdehnung

22,3 um / m · K bei 20ºC.

Wärmeleitfähigkeit

201 W / m K.

Elektrischer widerstand

336 nΩ · m bei 20 ° C.

Härte

1,75 auf der Mohs-Skala.

Isotope

Calcium hat 6 natürliche Isotope: ⁴⁰ Ca, ⁴² Ca, ⁴³ Ca, ⁴⁴ Ca, ⁴⁶ Ca und ⁴⁸ Ca sowie 19 radioaktive synthetische Isotope. Die am häufigsten vorkommenden Isotope sind ⁴⁰ Ca (96,94%), ⁴⁴ Ca (2,086%) und ⁴² Ca (0,647%).

Reaktivität

Calcium reagiert spontan mit Wasser und erzeugt Calciumhydroxid und Wasserstoffgas. Reagiert mit Sauerstoff und Stickstoff in der Luft unter Bildung von Calciumoxid bzw. Calciumnitrid. Beim Spalten brennt es spontan an der Luft.

Wenn Calcium erhitzt wird, reagiert es mit Wasserstoff unter Bildung eines Halogenids. Es reagiert auch mit allen Halogenen unter Bildung von Halogeniden. Es reagiert auch mit Bor, Schwefel, Kohlenstoff und Phosphor.

Struktur und Elektronenkonfiguration von Calcium

Calciumatome sind durch metallische Bindungen verbunden und tragen ihre beiden Valenzelektronen zur Flut der Elektronen bei. Somit definiert die Wechselwirkung zwischen den Ca-Atomen und den resultierenden elektronischen Banden einen Kristall mit einer flächenzentrierten kubischen Struktur (ccc auf Spanisch oder fcc auf Englisch für flächenzentrierte kubische Struktur).

Wenn dieser Calcium-ccc-Kristall auf eine Temperatur um 450 ° C erhitzt wird, geht er in die hcp-Phase über (kompakt hexagonal oder am nächsten gepackt hexagonal). Mit anderen Worten, die Struktur wird dichter, als ob die Bewegung der Elektronen und die Schwingungen der Atome den Abstand, der sie trennt, zusammenziehen würden.

Das Calciumatom hat die folgende elektronische Konfiguration:

4s ²

Dies würde erklären, dass die beiden Valenzelektronen für dieses Metall aus seinem äußersten 4s-Orbital stammen. Wenn es sie verliert, wird das zweiwertige Kation Ca ^{2+ gebildet} , das isoelektronisch zum Edelgas Argon ist; Das heißt, sowohl Ar als auch Ca ²⁺ haben die gleiche Anzahl von Elektronen.

Es sind die 4s-Orbitale von Calcium, die zusammen die Valenzbande dieser Kristalle bilden. Gleiches gilt für die leeren 4p-Orbitale, die ein Leitungsband bilden.

Erhalten

Calcium wird kommerziell durch Elektrolyse von geschmolzenem Calciumchlorid hergestellt. An den Elektroden treten folgende Reaktionen auf:

An der Anode: 2Cl ^- (l) => Cl ₂ (g) + 2e ^-

Calcium wird als Metall auf der Kathode abgeschieden, indem Elektronen aus ionischem Calcium eingefangen werden.

An der Kathode: Ca ²⁺ (l) + 2 e ^- => Ca (s)

In kleinem Maßstab kann Calcium durch Reduktion von Calciumoxid mit Aluminium oder Calciumchlorid mit metallischem Natrium hergestellt werden.

6 CaO + 2 Al => 3 Ca + Ca ₃ Al ₂ O ₆

CaCl ₂ + 2 Na => Ca + NaCl

Anwendungen

Elementares Kalzium

Calcium wird als Additiv bei der Herstellung von Glaskolben verwendet und dem Kolben während seiner anfänglichen Herstellungsphase zugesetzt. Es wird auch am Ende hinzugefügt, so dass es sich mit den im Kolben verbleibenden Gasen verbindet.

Es wird als Desintegrator bei der Herstellung von Metallen wie Kupfer und Stahl verwendet. Die Legierung aus Kalzium und Cäsium wird in Feuersteinen von Feuerzeugen verwendet, um die Funken zu erzeugen. Calcium ist ein Reduktionsmittel, hat aber auch Desoxidations- und Desoxidationsanwendungen.

Calcium wird zur Herstellung von Metallen wie Chrom, Thorium, Uran, Zirkonium und anderen aus ihren Oxiden verwendet. Es wird als Legierungsmittel für Aluminium, Kupfer, Blei, Magnesium und andere unedle Metalle verwendet. und als Desoxidationsmittel für einige Hochtemperaturlegierungen.

Calcium in Legierung mit Blei (0,04%) dient als Mantel für Telefonkabel. Es wird in Legierungen mit Magnesium in orthopädischen Implantaten verwendet, um deren Lebensdauer zu verlängern.

Kalziumkarbonat

Es ist ein Füllstoff für Keramik, Glas, Kunststoffe und Farben sowie ein Rohstoff für die Herstellung von Kalk. Hochreines synthetisches Carbonat wird medizinisch als Antazida- und Kalzium-Nahrungsergänzungsmittel verwendet. Es wird auch als Zusatzstoff in Lebensmitteln verwendet.

Calciumoxid

Calciumoxid wird in der Bauindustrie verwendet, um die Wände zu verblenden. Es ist auch in Beton eingearbeitet. Im 19. Jahrhundert wurden Kalziumoxidblöcke verbrannt, um die Bühnen mit intensivem weißem Licht zu beleuchten.

Kalk (wieder Calciumoxid) wird verwendet, um unerwünschte Komponenten wie Siliziumdioxid (SiO ₂ ), die im Eisenmaterial vorhanden sind, aus Stahl zu entfernen . Das Produkt der Reaktion ist Calciumsilikat (CaSiO ₃ ), das als "Schlacke" bezeichnet wird.

Kalk verbindet sich mit Wasser, um Calciumhydroxid zu bilden; Diese Verbindung flockt aus und sinkt, wodurch Verunreinigungen auf den Boden der Tanks gezogen werden.

Das Innere der Schornsteine ​​ist mit Kalk ausgekleidet, um Dämpfe aus den Fabriken zu entfernen. Beispielsweise fängt es Schwefeldioxid (SO ₂ ) ein, das zum sauren Regen beiträgt, und wandelt es in Calciumsulfit (CaSO ₃ ) um.

Calciumchlorid

Calciumchlorid wird zur Kontrolle des Eises auf Straßen verwendet. Conditioner für die in Konserven enthaltene Tomate; Herstellung von PKW- und LKW-Karosserien.

Calciumsulfat

Es wird üblicherweise als CaSO ₄ · 2H ₂ O (Gips) dargestellt, das als Bodenverbesserer verwendet wird. Kalzinierter Gips wird zur Herstellung von Fliesen, Brettern und Lamellen verwendet. Es wird auch zur Immobilisierung von Knochenbrüchen verwendet.

Calciumphosphate

Calciumphosphate kommen in der Natur in verschiedenen Formen vor und werden als Düngemittel verwendet. Das saure Calciumsalz (CaH ₂ PO ₄ ) wird als Dünger und Stabilisator für Kunststoffe verwendet. Calciumphosphat kommt als Teil des Knochengewebes vor, insbesondere als Hydroxylapatit.

Andere Calciumverbindungen

Es gibt zahlreiche Calciumverbindungen mit verschiedenen Anwendungen. Beispielsweise wird Calciumcarbid verwendet, um Acetylen zu erhalten, das in Schweißbrennern verwendet wird. Calciumalginat wird als Verdickungsmittel in Lebensmitteln wie Eiscreme verwendet.

Calciumhypochlorit wird als Bleichmittel, Deodorant, Fungizid und Algizid verwendet.

Calciumpermanganat ist eine Raketentreibstoffflüssigkeit. Es wird auch als Wasserreinigungsmittel und in der Textilherstellung verwendet.

Biologische Funktion

Calcium erfüllt bei Lebewesen zahlreiche Funktionen:

-Es greift als Faktor IV in die Gerinnungskaskade ein.

-Es ist notwendig für die Aktivierung mehrerer Gerinnungsfaktoren, einschließlich Thrombin.

- Im Skelettmuskel setzt Kalzium die Hemmwirkung eines Proteinsystems auf die Muskelkontraktion frei und ermöglicht die Bildung von Aktin-Myosin-Brücken, die eine Kontraktion verursachen.

-Stabilisiert die Ionenkanäle anregbarer Zellen. Bei Hypokalzämie werden Natriumkanäle aktiviert, wodurch Natrium in die Zellen gelangt und eine anhaltende Kontraktion (Tetanie) erzeugt wird, die tödlich sein kann.

- Darüber hinaus begünstigt Calcium die Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin an den präsynaptischen Terminals.

Risiken und Vorsichtsmaßnahmen

Reagiert exotherm mit Wasser. Daher kann es nach Einnahme zu schweren Verletzungen des Mundes, der Speiseröhre oder des Magens kommen.

Arbeiter sind diesem Risiko an Orten ausgesetzt, an denen das Element Kalzium produziert wird oder an denen Metall angewendet wird. Die Vorsichtsmaßnahmen bestehen darin, sich mit Masken zu schützen, die das Einatmen von Staub, Kleidung und ausreichender Belüftung vermeiden.

Hyperkalzämie ist äußerst gefährlich und kann hauptsächlich durch übermäßige Sekretion von Nebenschilddrüsenhormon oder übermäßiger Aufnahme von Vitamin D verursacht werden. Eine übermäßige Aufnahme von Kalzium, beispielsweise über 2,5 g / Tag, ist selten eine Ursache für Hyperkalzämie .

In den Nieren bildet sich überschüssiges Kalzium, das Nierensteine ​​und Nierennephrose verursacht. Darüber hinaus verändert die Ansammlung von Kalzium in den Wänden der Blutgefäße deren Elastizität, was die Ursache für Bluthochdruck, verlangsamte Durchblutung und Thrombose sein kann.

Eine grundlegende Vorsichtsmaßnahme ist die Einbeziehung von Kalzämie in die Labortests, wenn der Arzt Merkmale in den Symptomen des Patienten beobachtet, die ihn auf eine Hyperkalzämie hinweisen lassen und die entsprechende Behandlung einleiten.

Verweise

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