Кальцій. Кальцій гідроксид. Жорсткість води

Учитель хімії Ракова Оксана Леонідівна

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.

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 (t_пл. = 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.

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).

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.

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).

Контрольні запитання

1. Схарактеризуйте електронну будову атомів кальцію.

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

3. Схарактеризуйте фізичні та хімічні властивості кальцій гідроксиду.

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

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

6. Порівняйте фізичні властивості натрій гідроксиду та кальцій гідроксиду.

Завдання для засвоєння матеріалу

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

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

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

Комплексні завдання

10. 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.

11. 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

12. 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.

13. 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.

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

15. 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?

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

17. 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.

Розгадай ребуси