Элемент: кальций (Calcium)
Химический символ: Ca
Порядковый номер: 20
Год открытия: 1808
Стандартная атомная масса: 40.078
Температура плавления: 1115 К
Температура кипения: 1757 К
Плотность при стандартных условиях: 1.55 г/cм3
Скорость звука в кальции: 3810 м/с
Число стабильных изотопов: 5 (плюс 48Сa c периодом полураспада 4.3×1019лет). Теоретически должны быть нестабильны еще 40Ca и 46Са, но распады их не наблюдались ни разу)
Кристаллическая решётка: гранецентрированная кубическая (при 448 градусах Цельсия трансформируется в объемно-центрированную)
Химики любят создавать себе неудобства. Вот кто просил называть элементы, которые расположены рядом в таблице Менделеева похожими словами? И если неодим-празеодим (а был же еще и дидим) – ладно, все они редкие земли, то уж простите, калий и кальций… Что? Таблицы тогда еще не было? Все равно авторы названий создали головную боль поколениям школьников. А потом, как оказалось, и нейробиологов: кто же знал, что и калий, и кальций играют огромную роль в жизни нервной системы, при помощи которой химики их и изучают. Хорошо англоязычным – там не спутать «потассиум» и «кальциум». А каково нам?
Но – обо всем по порядку.
В земной коре и не только
В земной коре кальция достаточно: он занимает пятое место по распространенности среди элементов и третье среди металлов (а если верить вот этой научной работе, то на Луне кальций – четвёртый по распространенности). Да что там Земля и Луна – в каждом из нас И, конечно же, с минералами кальция человечество знакомо давным-давно. Даже те первобытные племена, которые никак не использовали горную породу и просто ели себе подобных, после каждой трапезы встречались с гидроксиапатитом Ca10(PO4)6(OH)2на матриксе – с костями то бишь. Да и едим мы при его помощи – зубная эмаль тоже более, чем на 90% состоит из гидроксиапатита.
Вообще, кальций образует невероятное количество минералов (нам встретилось число 385, но может быть, их еще больше). Это четвертое место среди количества минералов, в которых встречается тот или иной элемент. Мы писали пока что только про один из них – именно из флюорита, фторида кальция, был открыт фтор.
Из известняка (CaCO3) был выстроен дом, в котором родился автор (и который частично потом достраивал), мелом (разновидность известняка) мы писали в школе на доске, гипс (сульфат кальция) оберегал мою кисть во время перелома еще в третьем классе… Видимо, когда автор завершит свой земной путь, над ним будет возвышаться нечто либо из гранита (что вероятнее), в котором в среднем чуть более 3,5%CaO, либо из мрамора (что менее вероятно) – который тоже с точки зрения химии представляет собой карбонат кальция (ну или кальция-магния, если это доломитовый мрамор). А ведь нужно не забывать о раковинах и кораллах, тоже образованных карбонатом кальция, об апатите, который дал название прекрасному городу за Полярным кругом…
Но это все – минералы.
Простое вещество
Как химический элемент кальций определил все тот же Лавуазье, предположивший, что известь, получавшаяся обжигом известняка, содержит в себе некий химический элемент. И как вы думаете, кто сумел выделить чистый кальций, который часто путают с калием? Бинго! В 1807 году, как мы знаем, в своей Бейкеровской лекции сэр Гемфри Дэви рассказал о том, как он получил электролизом чистый калий в виде шариков, который самопроизвольно возгорались, а годом позже опубликовал работу, в которой описалполучение кальция (а заодно и магния, правда тот был уже открыт) электролизом смеси извести и оксида ртути, так что на выходе у него получилась амальгама кальция, из которой потом выделялся чистый металл.
сэр Гемфри Дэви
Электролитический способ получения кальция используется до сих пор. Однако позже наш соотечественник, Николай Николаевич Бекетов, автор диссертации «Исследования над явлениями вытеснения одних металлов другими». Именно он открыл реакцию алюминотермии – восстановление кальция (а потом и других металлов) алюминием при 1100-1200 градусах Цельсия при одной сотой атмосферы. Тогда восстановившийся кальций испаряется, после чего его легко конденсировать.
Николай Николаевич Бекетов
Кстати, получившийся кальций очень непохож на калий. Прочный, твердый, ковкий, неплохо хранится на воздухе (если влажность ниже 30 процентов), не горит в воде. Хотя, если его тонко диспергировать – сгорает в воздухе с образованием нитрида кальция. Правда, в руки его все же брать не стоит. Зато он горит в углекислом газе – и такое бывает.
Кальций окрашивает пламя горелки в оранжево-желтый цвет
Магия ядра
Нужно еще сказать о самом атоме кальция. Он – магический. Это слово для химика означает очень много – и совсем не то, что для любителя фэнтези. Дело в том, что ядра атомов состоят не просто из свалки протонов и нейтронов: эти частицы образуют оболочки. Заполненная оболочка особо стабильна, и вот как раз то количество протонов или нейтронов, образующее заполненную оболочку, называется магическим. Если повезет, и изотоп содержит и магическое число протонов, и магическое число нейтронов – то ядро получается дважды магическим и особо стабильно. Пока что мы знаем семь магических чисел: 2,8, 20, 28, 50, 82 и 126. Есть еще подозрение на 34, #ноэтонеточно.А какой у нас номер кальция? 20! Значит, любой изотоп кальция содержит 20 протонов, и, в любом случае, магический. Но два изотопа кальция, кальций-40 и кальций-48 магические дважды. Именно поэтому такой насыщенный нейтронами изотоп, как кальций-48, хоть и радиоактивен, но живет на порядки дольше, чем наша Вселенная. Кальций-40 тоже вроде бы должен быть нестабилен, но его распада вообще никто и никогда не видел.
И именно богатый нейтронами кальций-48 стал главным инструментом, главным оружием в штурме окраин Периодической таблицы – именно его ионами обстреливались мишени, чтобы получить, например, 118-й элемент.
Синтез оганесона
Соединения
Помимо минералов кальция, многие из нас знакомы с другими неорганическими соединениями кальция. Автор статьи с детства и отрочества знаком с двумя веществами: горьким и шумным.
Надо сказать, что автор текста с детства был очень болезненным мальчиком, и порой болел по полгода. Лечили тогда чем есть, в том числе – горьким хлористым кальцием (раствором). Не будем говорить об эффективности такого лечения, но по крайней мере, запомнилось надолго. Кстати, не так давно нашли минерал хлористого кальция — антарктицит, который оказался на дне озера Дон Жуан в Антарктиде. А вот когда я стал химиком-органиком, я использовал сухой хлористый кальций уже в своей работе – это прекрасный гигроскопичный материал для осушения различных веществ.
Хлористый кальций
Ну а кто не игрался в школе карбидом кальция. Вряд ли Фридрих Велер, синтезировавший его, предполагал, что полученный прямой реакцией кальция с углем (на самом деле получается ацетиленид – CaC2) сорвиголовы школьного возраста будут бросать в школьный туалет.
Карбид кальция
Не для того он разлагается в воде со взрывом, не для того! Вообще-то главное назначение карбида – источник ацетилена для сварки.
Хотя, кроме этих двух соединений, с детства человеку, выросшему в частном доме, знакомо еще два соединения – гашеная и негашеная известь. Оксид и гидроксид кальция. Каждую весну брали негашеную известь, гасили ее и белили все деревья около участка и на нем. Кстати, помимо простого оксида, существует еще и пероксид CaO2 и вроде бы существует супероксид Ca(O2)2.
Существуют и металлоорганические соединения нашего героя. Среди которых нужно, конечно же отметить дициклопентадиенил-кальций, аналог ферроцена. Кстати, он прекрасно получается прямым взаимодействием кальция и циклопентадиена.
Организм
Когда говорят о биологической роли кальция, еще в школе подразумевают зубы и кости. Гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2на матриксе – основа костной ткани. Все помнят опыт со школы, когда косточку вымачивают в кислоте, а затем завязывают в узел – когда минеральная часть ее растворена.
Кальциевый спайк в нейроне
Но не менее (а то и более важную) роль играет кальций в работе нашего мозга и нервной системы вообще. И не только в работе нейронов (в которой активно задействованы также натрий и калий). Критически важную роль ионы кальция играют в функционировании астроцитов, глиальных клеток мозга, роль которых в работе нашего мозга и сознания была очень недооцененной. Именно по так называемым кальциевым волнам, изменениям концентрации кальция, исследователи и судят по активности астроцитов.
Астроциты
Текст: Алексей Паевский
