Кальцій (Calcium), Ca, хімічний елемент II групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 20, атомна маса 40,08; срібний-білий легкий метал. Природний елемент представляє суміш шести стабільних ізотопів: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca і 48 Ca, з яких найбільш поширений 40 Ca (96, 97%).
З'єднання Ca — вапняк, мармур, гіпс (а також вапно — продукт випалення вапняку) вже в глибокій старовині застосовувалися в будівельній справі. Аж до кінця 18 ст хіміки вважали вапно простим тілом. У 1789 А. Лавуазье передбачив, що вапно, магнезія, барит, глинозем і кремнезем — речовини складні. У 1808 Р. Деві, піддаючи електролізу з ртутним катодом суміш вологого гашеного вапна з окислом ртуті, приготував амальгаму Ca, а відігнавши з неї ртуть, отримав метал, названий «кальцій» (від латів.(латинський) calx, родовий відмінок calcis — вапно).
Поширення в природі. По поширеності в земній корі Ca займає 5-е місце (після Про, Si, Al і Fe); вміст 2,96% по масі. Він енергійно мігрує і накопичується в різних геохімічних системах, утворюючи 385 мінералів (4-е місце по числу мінералів). У мантії Землі Ca мало і, ймовірно, ще менше в земному ядрі (у залізних метеоритах 0,02%). Ca переважає в нижній частині земної кори, накопичуючись в основних породах; велика частина Ca поміщена в польовому шпаті — анортіте Ca [Al 2 Si 2 O 8 ]; вміст в основних породах 6,72%, в кислих (граніти і ін.) 1,58%. У біосфері відбувається виключно різка диференціація Ca, пов'язана головним чином з «карбонатною рівновагою»: при взаємодії вуглекислого газу з карбонатом Caco 3 утворюється розчинний бікарбонат Са (НСО 3 ) 2 :
СаСО 3 + H 2 O + Co 2 Û Са (НСО 3 ) 2 Û Ca 2+ + 2hco 3 -.
Ця реакція обратіма і є основою перерозподілу Ca. При високому вмісті Co 2 у водах Ca знаходиться в розчині, а при низькому вмісті Co 2 в осад випадає мінерал кальцит СаСОз, утворюючи потужні поклади вапняку, мела, мармуру.
Величезну роль в історії Ca грає і біогенна міграція. У живій речовині з елементів — металів Ca — головний. Відомі організми, які містять більше 10% Ca (більше вуглецю), що будують свій скелет з з'єднань Ca, головним чином з СаСО 3 (вапняні водорості, багато молюсків, голкошкірих, корали, корненожки і так далі). З похованням скелетів морських тварин і рослин пов'язано накопичення колосальних мас водоростевих, коралових і інших вапняків, які, занурюючись в земні глибини і мінералізуясь, перетворюються на різні види мармуру.
Величезні території з вологим кліматом (лісові зони, тундра) характеризуються дефіцитом Ca — тут він легко вилуговується з грунтів. З цим пов'язана низька родючість грунтів, низька продуктивність домашніх тварин, їх малі розміри, незрідка хвороби скелета. Тому велике значення має вапнування грунтів, підгодівля домашніх тварин і птиць і так далі Навпроти, в сухому кліматі СаСО 3 важко розчинимо, тому ландшафти степів і пустель багаті Ca. У солончаках і солоних озерах часто накопичується гіпс Caso 4 ·2H 2 O.
Реки приносять в океан багато Ca, але він не затримується в океанічній воді (ср. вміст 0,04%), а концентрується в скелетах організмів і після їх загибелі осідає на дно переважно у формі СаСО 3 . Вапняні іли широко поширені на дні всіх океанів на глибинах не більше 4000 м-код (на великих глибинах відбувається розчинення СаСО 3 , організми там незрідка відчувають дефіцит Ca).
Важливу роль в міграції Ca грають підземні води. У вапнякових масивах вони місцями енергійно вилуговують СаСО 3 , з чим пов'язаний розвиток карсту, утворення печер, сталактитів і сталагмітів. Окрім кальциту, в морях минулих геологічних епох було широко поширено відкладення фосфатів Ca (наприклад, родовища фосфорітов Каратау в Казахстані), доломіту СаСО 3 ·MgCO 3 , а в лагунах при випарі —гипса.
В ході геологічної історії зростало біогенне карбонатообразованіє, а хімічне осадження кальциту зменшувалося. У докембрійських морях (понад 600 млн. років назад) не було тварин з вапняним скелетом; вони придбали широке поширення починаючи з кембрію (корали, губки і так далі). Це пов'язують з високим вмістом Co 2 в атмосфері докембрія.
Фізичні і хімічні властивості. Кристалічна решітка а-форми Ca (стійкою при звичайній температурі) гранецентрована кубічна а = 5,56 . Атомний радіус 1,97, іонний радіус Ca 2+ , 1,04 . Щільність 1,54 г/см 3 (20 °С). Вище 464 °C стійка гексагональна b-форма. t пл 851°c, t кіп 1482 °C; температурний коефіцієнт лінійного розширення 22×10 -6 (0—300 °C); теплопровідність при 20 °C 125,6 Вт/(м-код ×К) або 0,3 кал/ ( см × сік °С); питома теплоємність (0—100 °С) 623,9 дж/(кг × До ) або 0,149 кал/ ( г ×°C); питомий електроопір при 20°c 4,6×10 -8 ом × м-код або 4,6×10 -6 ом × см ; температурний коефіцієнт електроопоу 4,57×10 -3 (20 °C). Модуль пружності 26 Гн/м 2 (2600 кгс/мм 2 ); межа міцності при розтягуванні 60 Мн/м 2 (6 кгс/мм 2 ); межа пружності 4 Мн/м 2 (0,4 кгс/мм 2 ), межа текучості 38 Мн/м 2 (3,8 кгс/мм 2 ); відносне подовження 50%; твердість по Брінеллю 200—300 Мн/м 2 (20—30 кгс/мм 2 ). До. досить високої чистоти пластичний, добре пресується, прокатується і піддається обробці різанням.
Конфігурація зовнішньої електронної оболонки атома Ca 4s 2 , відповідно до чого Ca в з'єднаннях 2-валентний. Хімічно Ca дуже активний. При звичайній температурі Ca легко взаємодіє з киснем і вологою повітря, тому його зберігають в герметично закритих судинах або під мінеральним маслом. При нагріванні на повітрі або в кисні запалав, даючи основний оксид CAO (див. Кальцію окисел ). Відомі також перекиси Ca — Cao 2 і СаО 4 . З холодною водою Ca взаємодіє спочатку швидко, потім реакція сповільнюється унаслідок утворення плівки Ca (ВІН) 2 (див. Кальцію гідроокис ). Ca енергійно взаємодіє з гарячою водою і кислотами, виділяючи H 2 (окрім концентрованої Hno 3 ). З фтором реагує на холоду, а з хлором і бромом — вище 400 °С, даючи відповідно Caf 2 , Cacl 2 і Cabr 2 (див. Кальцію фторид, Кальцію хлорид, Кальцію бромід ). Ці галогеніди в розплавленому стані утворюють з Ca так званого субз'єднання — CAF, CACI, в яких Ca формально одновалентний. При нагріванні Ca з сіркою виходить кальцію сульфід CAS, останній приєднує сірку, утворюючи полісульфіди (Cas 2 , Cas 4 і ін.). Взаємодіючи з сухим воднем при 300—400 °C Ca утворює гідрид Cah 2 — іонне з'єднання, в якому водень є аніоном. При 500 °C Ca і азот дають нітрид Ca 3 N 2 ; взаємодія Ca з аміаком на холоду приводить до комплексного аміакату Ca [Nh 3 ] 6 . При нагріванні без доступу повітря з графітом, кремнієм або фосфором Ca дає відповідно карбід кальцію Cac 2 , силіциди Casi 2 і фосфід Ca 3 P 2 . Ca утворює інтерметалеві з'єднання з Al, Ag, Au, Cu, Li, Mg, Pb, Sn і ін.
Здобуття і вживання. У промисловості Ca отримують двома способами: 1) нагріванням брикетованої суміші CAO і пороша Al при 1200 °С у вакуумі 0,01—0,02 мм рт. ст .; що виділяються по реакції: 6cao +2Al = 3 СаО×l 2 O 3 + 3Са пари Ca конденсуються на холодній поверхні; 2) електролізом розплаву Cacl 2 і Kcl з рідким мідно-кальцієвим катодом готують сплав Cu — Ca (65% Ca), з якого Ca відганяють при температурі 950—1000 °С у вакуумі 0,1—0,001 мм рт. ст .
У вигляді чистого металу Ca застосовують як відновник U, Th, Cr, V, Zr, Cs, Rb і деяких рідкоземельних металів з їх з'єднань. Його використовують також для розкислювання сталей бронз і ін. сплавів, для видалення сірки з нафтопродуктів, для обезводнення органічних рідин, для очищення аргону від домішки азоту і як поглинач газів в електровакуумних приладах. Велике вживання в техніці отримали антифрикційні матеріали системи Pb—na—ca, а також сплави Pb—ca, що служать для виготовлення оболонки електричних кабелів. Сплав Ca—si—ca (силікокальцій) застосовується як розкислювач і дегазатор у виробництві якісних сталей. Про вживання з'єднань До. див.(дивися) у відповідних статтях.
А. Я. Фішер, А. І. Перельман.
Кальцій в організмі. Ca — один з біогенних елементів, необхідних для нормального протікання життєвих процесів. Він присутній у всіх тканинах і рідинах тварин і рослин. Лише рідкі організми можуть розвиватися в середовищі, позбавленою Ca в деяких організмів вміст Ca досягає 38%; у людини — 1,4—2%. Клітки рослинних і тваринних організмів потребують строго певних співвідношень іонів Ca 2+ , Na + і К + в позаклітинних середовищах. Рослини отримують Ca з грунту. По їх відношенню до Ca рослини ділять на кальцефілів і кальцефобів . Тварини отримують Ca з їжею і водою. Ca необхідний для утворення ряду клітинних структур, підтримки нормальної проникності зовнішніх клітинних мембран, для запліднення яйцеклітин риб і ін. тварин, активації ряду ферментів. Іони Ca 2+ передають збудження на м'язове волокно, викликаючи його скорочення, збільшують силу сердечних скорочень підвищують фагоцитарну функцію лейкоцитів, активують систему захисних білків крові, беруть участь в її згортанні. У клітках майже весь Ca знаходиться у вигляді з'єднань з білками, нуклеїновими кислотами, фосфоліпідами, в комплексах з неорганічними фосфатами і органічними кислотами. У плазмі крові людини і вищих тварин лише 20—40% Ca може бути пов'язане з білками. У тварин, що володіють скелетом, до 97—99% всього Ca використовується як будівельний матеріал: у безхребетних в основному у вигляді Caco 3 (раковини молюсків, корали), в хребетних — у вигляді фосфатів. Багато безхребетних запасають Ca перед лінькой для побудови нового скелета або для забезпечення життєвих функції в несприятливих умовах.
Вміст Ca в крові людини і вищих тварин регулюється гормонами паращитовідних і щитовідной залоз. Найважливішу роль в цих процесах грає вітамін D. Всмоктування Ca відбувається в передньому відділі тонкого кишечника. Засвоєння Ca погіршується при зниженні кислотності в кишечнику і залежить від співвідношення Ca, Р і жиру в їжі. Оптимальні співвідношення Ca/p в коров'ячому молоці близько 1,3 (у картоплі 0,15, в бобах 0,13, в м'ясі 0,016). При надлишку в їжі Р або щавлевої кислоти всмоктування Ca погіршується, Жовчні кислоти прискорюють його всмоктування. Оптимальні співвідношення Са/жір в їжі людини 0,04—0,08 г Ca на 1 г жиру. Виділення Ca відбувається головним чином через кишечник. Ссавці в період лактації втрачає багато Ca з молоком. При порушеннях фосфорно-кальцієвого обміну у молодих тварин і дітей розвивається рахіт, у дорослих тварин — зміна складу і будови скелета (остеомаляція ).
І. А. Ськульський.
В медицині вживання препаратів Ca усуває порушення, пов'язані з недоліком іонів Ca 2+ в організмі (при тетанії, спазмофілії, рахіті). Препарати Ca знижують підвищену чутливість до алергенів і використовуються для лікування алергічних захворювань (сироваткова хвороба, кропив'янка, ангіоневротичний набряк, сінна ліхорадкаї ін.). Препарати Ca зменшують підвищену проникність судин і надають протизапальну дію. Їх застосовують при геморагічному васкуліті, променевій хворобі, запальних і ексудативних процесах (пневмонія, плеврит, ендометріт і ін.) і деяких шкірних захворюваннях. Призначають як кровоспинні засоби, для поліпшення діяльності сердечного м'яза і посилення дії препаратів наперстянки; як слабкі сечогінні і як протиотрути при отруєнні солями магнію. Разом з ін. засобами препарати Ca застосовують для стимулювання пологової діяльності. Хлористий кальцій вводять через рот і внутрішньовенно. Оссокальцинол (15%-ная стерильна суспензія особливим чином приготованого кісткового порошку в персиковому маслі) запропонований для тканинної терапії. До препаратів Ca відноситься також гіпс (Caso 4 ), вживаний в хірургії для гіпсових пов'язок, і мів (СаСО 3 ), що призначається всередину при підвищеній кислотності шлункового соку і для приготування зубного порошку.
Літ.: Коротка хімічна енциклопедія, т. 2, М. 1963, с. 370—75; Родякин Ст Ст, Кальцій, його з'єднання і сплави, М., 1967; Капланський С. Я., Мінеральний обмін, М. — Л.,1938; Вишневих медів С. І., Обмін макроелементів у сільськогосподарських тварин, М., 1967.
