Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 34. Кальцій. Кальцій гідроксид. Жорсткість води

Загальна характеристика кальцію

Кальцій називають лужноземельним елементом, оскільки він утворює луги. На зовнішньому енергетичному рівні його атоми містять по два електрони. Атоми Кальцію прагнуть віддавати електрони, набуваючи ступеня окиснення +2. У цьому випадку йони Кальцію набувають стійкої електронної конфігурації атомів інертного елемента Аргону (3s23p6), що зумовлює відновні властивості Кальцію.

Поширеність у природі

Магній і Кальцій у вигляді простих речовин у природі не трапляються. У земній корі вміст Кальцію становить 3,38 %, а Магнію — 2,35 % (відповідно третє і шосте місця серед металічних елементів). Значна кількість цих елементів міститься в морській воді: йонів Магнію — 0,14 %, Кальцію — 0,05 % (відповідно, друге і третє місця серед металічних елементів). Морська вода є одним із головних джерел магнієвмісної сировини.

Сполуки Кальцію містяться в багатьох живих організмах. Гідроксиапатит Ca5(PO4)3OH — основа кісткової тканини хребетних, а флуороапатит Ca5(PO4)3F — зубів. Кальцій карбонат CaCO3 є головною складовою черепашок та мушель молюсків і панцирів багатьох безхребетних, яєчної шкаралупи тощо.

Кальцій

Кальцій — типовий лужноземельний метал, хімічно активний, але дещо меншою мірою, ніж інші лужноземельні метали. У хімічних реакціях кальцій виявляє тільки відновні властивості.

1. Взаємодія з киснем. Кальцій за нагрівання на повітрі згоряє сліпучим полум'ям (мал. 34.1) з утворенням оксиду:

2Ca + O2 = 2CaO

Мал. 34.1. Горіння кальцію

2. Взаємодія з іншими неметалами. Кальцій активно взаємодіє з неметалами (фтором, йодом, хлором, фосфором тощо) із виділенням великої кількості теплоти. Промислово важливою є реакція з вуглецем.

У реакції кальцію з вуглецем утворюється кальцій карбід (ацетиленід), що є сировиною для одержання етину:

Ca + 2C = CaC2

Під час змішування з водою кальцій карбід активно реагує з утворенням кальцій гідроксиду та етину:

CaC2+ 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2

3. Взаємодія з водою. Кальцій витісняє водень із води за звичайних умов:

Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2

Кальцій гідроксид помірно розчиняється у воді, тому він є лугом і змінює забарвлення індикаторів (мал. 34.2).

Мал. 34.2. У результаті взаємодії кальцію з водою частина кальцій гідроксиду розчиняється у воді і змінює забарвлення універсального індикатора, а надлишок кальцій гідроксиду утворює білий осад

4. Взаємодія з кислотами. Як і інші метали, що розташовані в ряду активності ліворуч від водню, кальцій активно взаємодіє з розчинами кислот за звичайних умов:

Ca + 2HCl = CaCl2 + H2

Кальцій гідроксид

Кальцій гідроксид Са(ОН)2, або гашене вапно, — білий порошок, малорозчинний у воді. За температури 20 °С у 100 г води розчиняється 0,185 г кальцій гідроксиду, причому, на відміну від багатьох твердих речовин, із підвищенням температури його розчинність знижується: майже у два рази менша у киплячій воді.

Кальцій гідроксид у лабораторії можна добути взаємодією з водою, як зазначено вище, але зручніше й економічно вигідніше його добувати взаємодією кальцій оксиду з водою:

СаО + Н2О = Са(ОН)2

Саме цей процес, який називають гасінням вапна, використовують у будівництві під час приготування «вапняного тіста». Взаємодія кальцій оксиду з водою — надзвичайно екзотермічний процес, після заливання водою кальцій оксиду вода дуже нагрівається й закипає.

Кальцій гідроксид за нагрівання плавиться (tпл. = 512 °С), а за трохи вищої температури (580 °С) — розкладається:

Са(ОН)2 = СаО + Н2О

Кальцій гідроксид — сильний електроліт, тому його відносять до лугів. Хоча кальцій гідроксид малорозчинний, але та його частина, що міститься у водному розчині, піддається електролітичній дисоціації:

Са(ОН)2 = Са2+ + 2ОН-

Через це кальцій гідроксид виявляє всі загальні хімічні властивості основ. Він взаємодіє з:

• кислотними оксидами з утворенням середніх солей:

Са(ОН)2 + CO2 = СаСО3 + H2O;

• кислотами:

Ca(OH)2+ 2HCl = СаСl2 + 2H2O;

• кислими солями:

Ca(OH)2+ Ca(HCO3)2= 2CaCO3 + 2H2O;

• розчинними солями (за умови утворення осаду):

Ca(OH)2 +CuCl2 = Cu(OH)2↓ + CaCl2;

• амфотерними оксидами (за сплавляння):

Ca(OH)2 + ZnO = CaZnO2 + H2O;

• амфотерними гідроксидами (за сплавляння):

Ca(OH)2 + Zn(OH)2 = CaZnO2 + 2H2O.

Застосування кальцію та кальцій гідроксиду

• Більшу частину кальцію використовують для одержання чистих металів: нікелю, міді, рідкоземельних металів тощо.

• Сплав кальцію зі свинцем використовують для виготовлення акумуляторних батарей та підшипників.

• Кальцій карбонат використовують у виробництві цементу, сталі, скла.

• Кальцій оксид та кальцій гідроксид у чистому вигляді або у складі керамічних сумішей є сировиною для виготовлення вогнетривких матеріалів.

• Кальцій гідроксид (гашене вапно) є складовою будівельного розчину — в'яжучого матеріалу для укладання цегли, а також для виготовлення цементу й бетону.

• Із кальцій гідроксиду одержують вапняні добрива для зниження кислотності ґрунтів.

• Змішуванням кальцій гідроксиду з водою отримують вапняне молоко (суспензія кальцій гідроксиду у воді), а якщо його відфільтрувати, то залишиться прозорий розчин — насичений розчин кальцій гідроксиду — вапняна вода. Вапняне молоко використовують для побілки приміщень та стовбурів дерев навесні, одержання хлорного вапна, у виробництві цукру. Вапняну воду використовують для зниження карбонатної жорсткості води, у лабораторіях для виявлення вуглекислого газу.

Біологічне значення Rальцію і Магнію

Магній і Кальцій — важливі біогенні макроелементи, у значних кількостях вони містяться в тканинах тварин і рослин (мал. 34.3).

Мал. 34.3. Коралові поліпи складаються переважно з кальцій карбонату

Магній — необхідний живим організмам для синтезу білків і АТФ у клітинах. Разом із Кальцієм він бере участь у передачі нервових імпульсів та скороченні м'язів. Нестача Магнію в організмі спричиняє безсоння, хронічну втому, остеопороз, артрит, мігрень, м'язові судоми тощо.

На Магній багаті гарбузове насіння, какао, кунжут, висівки, горіхи (мал. 34.4). Джерелом Магнію є також свіжі зелені овочі.

Мал. 34.4. Продукти, що поповнюють організм людини Магнієм

Тканини тварин містять 1,5-2 % Кальцію. Йони Кальцію беруть участь у процесах зсідання крові, секреції деяких гормонів. Кальцій необхідний для розвитку та функціонування опорно-рухового апарату (кісток) і зубів, тому забезпечення організму Кальцієм дуже важливе в дитячому й підлітковому віці. У разі нестачі Кальцію в організмі виникають м'язові судоми, біль у суглобах, порушення процесів росту в дітей, остеопороз.

Багато Кальцію міститься в молочних продуктах, м'ясі, рибі, у деяких рослинних продуктах, зокрема в бобових, гречці (мал. 34.5).

Мал. 34.5. Продукти, що забезпечують організм людини Кальцієм

Жорсткість води

Жорсткість води — це природна властивість води, зумовлена наявністю в ній розчинних солей Кальцію і Магнію. Сумарну концентрацію йонів Магнію й Кальцію у воді називають загальною жорсткістю води.

Розрізняють постійну й тимчасову жорсткість води (табл. 5).

Таблиця 5. Порівняння видів жорсткості води

Ознака для порівняння

Тимчасова жорсткість (карбонатна)

Постійна жорсткість (некарбонатна)

Причини жорсткості

Наявність розчинених гідрогенкарбонатів Магнію і Кальцію: Mg(HCO3)2 і Ca(HCO3)2

Наявність сульфатів, хлоридів або деяких інших солей Кальцію і Магнію, наприклад CaCl2, MgSO4 тощо

Джерела жорсткої води

Річкова й озерна вода, водопровідна вода, природні газовані мінеральні води

Морська вода, вода солоних озер, природні негазовані мінеральні води

Способи усунення

Усувається кип'ятінням, додаванням кислот або соди Na2CO3

Не усувається кип'ятінням, але видаляється додаванням соди Na2CO3 або пропусканням крізь йонообмінні смоли

Вода стає жорсткою під час проходження крізь пласти вапняку. Розчинений у воді вуглекислий газ взаємодіє з вапняком, утворюючи розчинні гідрогенкарбонати:

CaCO3↓ + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2

Під час кип'ятіння тимчасова жорсткість зникає, оскільки йони Кальцію і Магнію видаляються у вигляді нерозчинного накипу:

Саме цей процес спричиняє утворення вапняного нальоту в трубах із гарячою водою, у котлах ТЕЦ та побутових водонагрівних приладах (мал. 34.6). Домішки сполук Феруму(ІІІ), які також часто містяться у водопровідній воді, надають накипу жовтого кольору. Цей наліт перешкоджає нормальному теплообміну, що спричиняє надмірну витрату палива, пошкодження труб, плавлення чайників тощо. Для усунення вапняного нальоту в чайнику необхідно залити його на ніч розбавленим розчином оцту або лимонної кислоти.

Мал. 34.6. Накип, що утворюється на дні чайника та нагрівному елементі пральної машини

Через жорсткість морську воду не має сенсу використовувати для миття рук — у жорсткій воді мило не милиться внаслідок утворення нерозчинних стеаратів. Також неможливо прати в жорсткій воді, тому що основний компонент прального порошку утворює з йонами Магнію і Кальцію нерозчинну у воді сполуку.

Природна помірна жорсткість води забезпечує організм людини Кальцієм для повноцінного розвитку кісток. Надлишкова жорсткість води може стати причиною утворення каменів у нирках, які є солями Кальцію й Магнію зі щавлевою кислотою (магній оксалат MgC2O4 і кальцій оксалат CaC2O4).

Ключова ідея

Кальцій — активний поширений металічний елемент, у сполуках перебуває у ступені окиснення +2, є важливим біогенним елементом.

Контрольні запитання

476. Схарактеризуйте електронну будову атомів кальцію.

477. Схарактеризуйте поширеність Магнію і кальцію в природі та їх біологічне значення.

478. Схарактеризуйте фізичні та хімічні властивості кальцій гідроксиду.

479. Що називають жорсткістю води? Які існують види жорсткості води та способи її усунення?

480. Схарактеризуйте негативні наслідки використання жорсткої води в побуті та промисловості.

481. Порівняйте фізичні властивості натрій гідроксиду та кальцій гідроксиду.

Завдання для засвоєння матеріалу

482. Складіть рівняння чотирьох принципово різних реакцій, у яких атоми кальцію перетворюються на йони Ca2+.

483. Наведіть рівняння реакцій, у яких: а) Кальцій окиснюється; б) Кальцій відновлюється; в) ступінь окиснення Кальцію не змінюється.

484. Доповніть йонно-молекулярні рівняння. Складіть для них молекулярні рівняння реакцій.

485. Як ви вважаєте, чому кальцій практично не взаємодіє з розчином сульфатної кислоти, проте досить активно реагує з водою?

Комплексні завдання

486. У певного зразка води жорсткість зумовлена наявністю кальцій хлориду в кількості 0,05 ммоль в 1 л води. Обчисліть масу натрій карбонату, необхідну для видалення всього кальцій хлориду в такій воді масою 10 тонн.

487. Певний зразок води містить 0,4 ммоль магній гідрогенкарбонату в 1 л води. Обчисліть масу осаду, що утвориться під час кип'ятіння такої води масою 2 кг.

Завдання з розвитку критичного мислення

488. Чи можна приготувати розчин у воді: а) кальцій оксиду; б) кальцій гідроксиду; в) кальцій карбіду; г) кальцій карбонату; д) кальцій хлориду; е) кальцій гідрогенкарбонату? Відповіді обґрунтуйте.

489. Які речовини з наведеного переліку можна застосувати для усунення тимчасової жорсткості води?

Натрій хлорид, натрій гідроксид, натрій карбонат, хлоридна кислота.

Дайте обґрунтовану відповідь, наведіть рівняння відповідних реакцій.

490. Чому не можна гасити водою палаючий кальцій або магній?

491. У магнію і кальцію різна хімічна активність. Чи можливо сконструювати гальванічний елемент за зразком елемента Якобі-Даніеля (§ 14), а замість цинку й міді використати магній і кальцій та, відповідно, розчинні солі Магнію і Кальцію?

492. Як без використання хімічних реактивів довести, що для певного зразка води характерна тимчасова жорсткість?

493. Дієтологами встановлено, що деякі тваринні (вершкове масло та яловичий жир) та рослинні (пальмова олія) жири перешкоджають засвоєнню кальцію організмом. Свинячого сала і соняшникової олії це не стосується. Виявилося, що в разі одночасного вживання і жири, і кальцієвмісні сполуки не засвоюються, а виводяться з організму. Запропонуйте пояснення цього факту з хімічної точки зору.