13.2. Кальций

Электронное строение атома: 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶4s².

Валентность II.

Степени окисления: 0, +2.

Простое вещество

Физические свойства

Серебристо-белый, довольно твердый, легкий металл.

Получение

Электролизом расплавов солей (6 ч. CaCl₂ и 1 ч. CaF₂, последний добавляется для понижения температуры плавления хлорида кальция):

Химические свойства

Сильный восстановитель. Во всех реакциях легко отдает валентные электроны и превращается в положительно заряженный катион.

I. Взаимодействие с простыми веществами.

1) При обычных условиях - с хлором, кислородом:

Ca + Cl₂  CaCl₂ ; 2Ca + O₂ 2CaO

2) При нагревании - с некоторыми неметаллами:

Ca + S  CaS ; 3Ca +N₂  Ca₃N₂

Ca + 2C  CaC₂ ; Ca + H₂  CaH₂

II. Взаимодействие со сложными веществами.

1) С водой:

Ca + 2H₂O  Ca(OH)₂ + H₂

2) С кислотами (при взаимодействии с кислотами-”неокислителями” вытесняет водород из кислот, а с кислотами-”окислителями” - образуются продукты восстановления серы и азота):

Ca+H₂SO₄(pазб.)  CaSO₄ + H₂

4Ca + 5H₂SO₄(конц.)  4СaSO₄ + H₂S + 4H₂O

4Ca + 10HNO₃(разб)  4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ +3H₂o

4Са + 10HNO₃(конц.)  4Ca(NO₃)₂ + N₂O +5H₂O

3) С оксидами (при нагревании):

V₂O₅ + 5Ca  2V + 5CaO

Cоединения кальция

СаО - оксид кальция(II), негашеная известь

Получение

1) Взаимодействие с кислородом (см. свойства Са).

2) Термическое разложение карбоната кальция:

CaCO₃ CaO + CO₂

Химические свойства

СаО - типичный основной оксид, взаимодействует с водой, кислотами и кислотными оксидами:

СаО + H₂O  Ca(OH)₂

CaO + 2Hcl  CaCl₂ +H₂o; CaO + N₂O₅  Ca(NO₃)₂

Ca(oh)2 - гидроксид кальция(II), гашеная известь

Получение

Взаимодействием оксида кальция с водой (см. выше).

Химические свойства

1) Ca(OH)₂ - растворимое основание, его раствор в воде называется известковой водой.

Диссоциация: Сa(OH)₂  Ca^2 +2OH^

2) Реакции с кислотами, кислотными оксидами и солями:

а) Ca(OH)₂ + H₂SO₄  CaSO₄ + H₂O

б) Са(OH)₂ + CO₂  CaCO₃ + H₂O (раствор мутнеет),

[осадок исчезает при дальнейшем пропускании углекислого газа:

CaСО₃ + CO₂ + H₂O  Ca(HCO₃)₂ ]

в) Са(OH)₂ + Na₂CO₃  CaCO₃ + 2NaOH

Гидрид кальция CaH2 и карбид кальция СаС2

Получение

Взаимодействие кальция с водородом и углеродом (см. выше).

Карбид кальция, кроме того, получают взаимодействием оксида кальция с углеродом при нагревании:

СaO+3C CaC₂ + CO

Химические свойства

Наиболее важным является взаимодействие с водой:

CaH₂ + 2H₂O  Ca(OH)₂ + 2H₂

CaC₂ + 2H₂O  C₂H₂ + Ca(OH)₂

13.3. Жесткость воды и способы ее устранения

Жесткость воды - совокупность свойств, обусловленных содержанием в ней ионов Са^2 и Mg^2.

Количественно выражается суммой миллиэквивалентов этих ионов в 1 л воды. Один миллиэквивалент жесткости соответствует 20,04 мг/л Ca²⁺ или 12,16 мг/л Mg²⁺. Мягкая вода имеет общую жесткость менее 4 мэкв/л, жесткая - более 8 мэкв/л.

В жесткой воде плохо развариваются продукты питания, так как катионы кальция с белками пищи образуют нерастворимые соединения.

Постоянное употребление жесткой воды может привести к отложению солей (мочекаменная болезнь) в организме человека. В то же время мягкая вода плохо влияет на состояние зубной эмали. Жесткая вода из-за образования накипи непригодна для использования в паровых котлах, вредна для металлических конструкций, трубопроводов. В жесткой воде плохо мылится мыло, так как оно связывается ионами Сa^2, Mg^2, и пена образуется лишь после полного осаждения этих ионов:

2С₁₇H₃₅COO^ + Ca^2  (C₁₇H₃₅COO)₂Ca

2C₁₇H₃₅COO^ + Mg^2  (C₁₇H₃₅COO)₂Mg

Общая жесткость воды складывается из временной и постоянной жесткости. Различие между ними, а также способы устранения приведены в таблице:

Жесткость воды
временная (карбонатная)	постоянная (некарбонатная)
катионы
Сa2, Mg2	Ca2, Mg2
анионы
HCO3	Cl, SO42
Устранение
1. Кипячение.
Сa(HCO3)2  CaCO3+ H2O+ CO2	кипячением устранить нельзя
Mg(HCO3)2  Mg(OH)2 + 2CO2
2. Известково-содовый метод.
а) Добавление гашеной извести:
Сa(HC03)2+Сa(0H)22CaC03+2H20	MgCl2+Ca(OH)2Mg(OH)2+CaCl2
б) Добавление соды:
Сa(HCO3)2 + Na2CO3  CaCO3 + +2NaHCO3	CaCl2 + Na2CO3  CaCO3+2NaCl
3. Фосфатный метод.
3Ca(HCO3)2+2Na3PО4Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3	3MgSO4 + 2Na3PO4 Mg3(PO4)2+ +3Na2SO4
4. Использование катионитов (твердых веществ, содержащих подвижные катионы, способные обмениваться на катионы внешней среды).
Ca2 (раствор) + Na2R(полимер)  СaR(полимер) + 2Na (раствор), Mg2 (раствор) + Na2R(полимер)  MgR(полимер) + 2Na (раствор), где R - остаток ионообменной смолы (катионита)