الكالسيوم: الخصائص ، الهيكل ، الحصول ، الاستخدامات - كيمياء - 2025

و الكالسيوم هو معدن الأرض القلوية ينتمون إلى الجدول الدوري 2 مجموعة (السيد Becambara). يحتل هذا المعدن المرتبة الخامسة من حيث الوفرة بين العناصر الموجودة في القشرة الأرضية. خلف الحديد والالمنيوم. يمثله الرمز الكيميائي Ca ، ورقمه الذري هو 20.

يمثل الكالسيوم 3.64٪ من قشرة الأرض وهو أكثر المعادن وفرة في جسم الإنسان حيث يمثل 2٪ من وزنه. هو ليس حرا بطبيعته. لكنه جزء من العديد من المعادن والمركبات الكيميائية.

الكالسيوم المعدني عالي النقاء المخزن في الزيوت المعدنية لحمايته من الأكسجين والرطوبة. المصدر: 2 × 910

على سبيل المثال ، يوجد في معدن الكالسيت ، والذي بدوره جزء من الحجر الجيري. توجد كربونات الكالسيوم في الأرض على شكل رخام ، دولوميت ، قشر البيض ، مرجان ، لؤلؤ ، مقرنصات ، صواعد ، وكذلك في أصداف العديد من الحيوانات البحرية أو القواقع.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن الكالسيوم جزء من معادن أخرى ، مثل الجبس والأنهيدريت والفلوريت والأباتيت. ليس من المستغرب إذن أن تكون مرادفة للعظام على المستوى الثقافي.

عند تعرضه للهواء ، يصبح الكالسيوم مغطى بطبقة مائلة للصفرة ، وهو نتاج خليط من أكسيد الكالسيوم والنتريد والهيدروكسيد. ومع ذلك ، يتم قطع السطح حديثًا ، وهو لامع ، فضي مبيض. إنه ناعم مع صلابة بمقياس موس 1.75.

يؤدي الكالسيوم وظائف عديدة في الكائنات الحية ، من بينها جزء من المركبات التي تحدد بنية وعمل نظام العظام ؛ يتدخل في شلال التخثر عن طريق تنشيط العديد من عوامل التخثر ، والمعروفة باسم العامل الرابع.

علاوة على ذلك ، يشارك الكالسيوم في تقلص العضلات ، مما يسمح باتحاد البروتينات الانقباضية (الأكتين والميوسين) ؛ ويسهل إطلاق بعض النواقل العصبية ، بما في ذلك الأسيتيل كولين.

من الناحية الكيميائية ، تشارك دائمًا في مركباتها العضوية أو غير العضوية مثل الكاتيون ثنائي التكافؤ Ca ²⁺. إنه أحد الكاتيونات ذات أعلى رقم تنسيق ، أي أنه يمكن أن يتفاعل مع عدة جزيئات أو أيونات في نفس الوقت.

التاريخ

في الاوقات الفديمة

استخدم الإنسان مركبات الكالسيوم مثل الجير (CaO) أو الجبس (CaSO ₄) لآلاف السنين ، متجاهلاً تركيبها الكيميائي. تم استخدام الجير كمواد بناء والجص لصنع المنحوتات منذ 7000 عام قبل الميلاد

تم العثور على فرن الجير في بلاد ما بين النهرين والذي كان يستخدم 2500 قبل الميلاد.في فترة زمنية قريبة ، تم استخدام الجبس أثناء بناء الهرم الأكبر بالجيزة.

التحديد والعزلة

أوضح جوزيف بلاك (1755) أن الجير أخف من الحجر الجيري (كربونات الكالسيوم) الذي يعطي مصدره. هذا لأنه يفقد ثاني أكسيد الكربون أثناء التسخين.

خلص أنطوان لافوازر (1787) إلى أن الجير يجب أن يكون أكسيد عنصر كيميائي غير معروف.

السير همفري ديفي (1808) بالتحديد في العام الذي اكتشف فيه البورون ، فعل الشيء نفسه مع الكالسيوم باستخدام تقنية التحليل الكهربائي ، التي استخدمها جاكار برزيليوس وماغنوس مارتن.

عزل ديفي الكالسيوم والمغنيسيوم باستخدام نفس التصميم التجريبي. قام بخلط أكسيد الكالسيوم مع أكسيد الزئبق (II) على صفيحة بلاتينية ، يستخدم كأنود (+) ، بينما كان الكاثود (-) سلكًا بلاتينيًا مغمورًا جزئيًا في الزئبق.

أنتج التحليل الكهربائي مزيجًا من الكالسيوم والزئبق. لتنقية الكالسيوم ، تم تعريض الملغم للتقطير. ومع ذلك ، لم يتم الحصول على الكالسيوم النقي.

الخصائص

الوصف المادي

معدن فضي مبيض ، يتغير إلى أبيض مائل للرمادي عند تعرضه للهواء. في الهواء الرطب يتحول إلى أزرق رمادي غائم. مسحوق صلب أو جاف. تتمحور التركيبة البلورية على الوجه.

الوزن الذري

40.078 جم / مول.

نقطة الانصهار

842 درجة مئوية.

نقطة الغليان

1،484 درجة مئوية.

كثافة

-1.55 جم / سم ³ عند درجة حرارة الغرفة.

-1.378 جم / سم ³ في حالة سائلة عند نقطة الانصهار.

حرارة الانصهار

8.54 كيلوجول / مول.

حرارة التبخير

154.7 كيلوجول / مول.

قدرة السعرات الحرارية المولية

25.929 جول / (مول · ك).

قدرة محددة من السعرات الحرارية

0.63 جول / جرام ك

كهرسلبية

1.0 على مقياس بولينج

طاقة التأين

- التأين الأول 589.8 كيلو جول / مول

التأين الثاني 1،145 كيلو جول / مول

- التأين الثالث 4.912 كيلو جول / مول

- التأين الرابع 6490.57 كيلوجول / مول وهناك 4 طاقات تأين أخرى.

راديو ذري

197 م

نصف القطر التساهمي

176 ± 10 مساءً

التمدد الحراري

22.3 ميكرومتر / م · كلفن عند 20 درجة مئوية.

التوصيل الحراري

201 واط / م ك

المقاومة الكهربائية

336 نيوتن متر عند 20 درجة مئوية.

صلابة

1.75 على مقياس موس.

النظائر

يحتوي الكالسيوم على 6 نظائر طبيعية: ⁴⁰ Ca و ⁴² Ca و ⁴³ Ca و ⁴⁴ Ca و ⁴⁶ Ca و ⁴⁸ Ca و 19 نظيرًا صناعيًا مشعًا. أكثر النظائر وفرة هي ⁴⁰ Ca (96.94٪) ، ⁴⁴ Ca (2.086٪) و ⁴² Ca (0.647٪).

التفاعلية

يتفاعل الكالسيوم تلقائيًا مع الماء ، وينتج هيدروكسيد الكالسيوم وغاز الهيدروجين. يتفاعل مع الأكسجين والنيتروجين في الهواء ، وينتج على التوالي أكسيد الكالسيوم ونتريد الكالسيوم. عند الانقسام ، فإنه يحترق تلقائيًا في الهواء.

عندما يتم تسخين الكالسيوم ، فإنه يتفاعل مع الهيدروجين لتكوين هاليد. كما أنه يتفاعل مع جميع الهالوجينات لتكوين هاليدات. يتفاعل أيضًا مع البورون والكبريت والكربون والفوسفور.

تكوين الكالسيوم والبنية الإلكترونية

ترتبط ذرات الكالسيوم بروابط معدنية ، مما يساهم في إلكترونتي التكافؤ في مد الإلكترونات. وبالتالي ، ينتهي التفاعل بين ذرات الكالسيوم والنطاقات الإلكترونية الناتجة بتعريف بلورة بهيكل مكعب محوره الوجه (ccc ، بالإسبانية ؛ أو fcc ، باللغة الإنجليزية ، للمكعب المتمركز على الوجه).

إذا تم تسخين بلورة الكالسيوم ccc إلى درجة حرارة حوالي 450 درجة مئوية ، فإنها تخضع للانتقال إلى مرحلة hcp (سداسية مضغوطة ، أو أقرب سداسية معبأة). بمعنى آخر ، تصبح البنية أكثر كثافة ، كما لو أن حركة الإلكترونات واهتزازات الذرات تقلص المسافة التي تفصل بينها.

تحتوي ذرة الكالسيوم على التكوين الإلكتروني التالي:

4s ²

وهو ما يفسر أن إلكترونين التكافؤ لهذا المعدن يأتيان من مداره الخارجي 4 ثوانٍ. عندما يفقدهم ، ^يتشكل الكاتيون ثنائي التكافؤ Ca ²⁺ ، متساوي إلكترونيًا للغاز النبيل الأرجون ؛ أي أن كلا من Ar و Ca ²⁺ لهما نفس عدد الإلكترونات.

إنها مدارات 4s من الكالسيوم التي تتحد لإنشاء نطاق التكافؤ لهذه البلورات. يحدث الشيء نفسه مع المدارات 4p الفارغة ، والتي تنشئ نطاق توصيل.

الحصول

يتم إنتاج الكالسيوم تجاريا عن طريق التحليل الكهربائي لكلوريد الكالسيوم المصهور. تحدث التفاعلات التالية عند الأقطاب الكهربائية:

عند الأنود: 2Cl ^- (l) => Cl ₂ (g) + 2e ^-

يترسب الكالسيوم كمعدن على الكاثود عن طريق التقاط الإلكترونات من الكالسيوم الأيوني.

عند الكاثود: Ca ²⁺ (l) + 2 e ^- => Ca (s)

على نطاق صغير ، يمكن إنتاج الكالسيوم عن طريق اختزال أكسيد الكالسيوم بالألمنيوم ، أو كلوريد الكالسيوم بالصوديوم المعدني.

6 CaO + 2 Al => 3 Ca + Ca ₃ Al ₂ O ₆

CaCl ₂ + 2 Na => Ca + NaCl

التطبيقات

عنصر الكالسيوم

يستخدم الكالسيوم كمادة مضافة في صناعة المصابيح الزجاجية ، حيث يتم إضافته إلى اللمبة خلال مرحلة التصنيع الأولية. يضاف أيضًا في النهاية بحيث يتحد مع الغازات المتبقية داخل المصباح.

يتم استخدامه كمفكك في إنتاج المعادن مثل النحاس والصلب. تُستخدم سبيكة الكالسيوم والسيزيوم في أحجار الولاعات لتوليد الشرر. الكالسيوم عامل مختزل ، ولكن له أيضًا تطبيقات لإزالة الأكسدة وإزالة الأكسدة.

يستخدم الكالسيوم في تحضير المعادن مثل الكروم والثوريوم واليورانيوم والزركونيوم وغيرها من أكاسيدها. يتم استخدامه كعامل خلط للألمنيوم والنحاس والرصاص والمغنيسيوم والمعادن الأساسية الأخرى ؛ وكمزيل للأكسدة لبعض السبائك ذات درجة الحرارة العالية.

سبائك الكالسيوم مع الرصاص (0.04٪) بمثابة غلاف لكابلات الهاتف. يتم استخدامه في السبائك مع المغنيسيوم في زراعة العظام لإطالة عمرها.

كربونات الكالسيوم

وهي مادة حشو في السيراميك والزجاج والبلاستيك والدهانات ، وكذلك مادة خام لإنتاج الجير. تستخدم الكربونات الاصطناعية عالية النقاء طبيًا كمكمل غذائي مضاد للحموضة والكالسيوم. كما أنها تستخدم كمادة مضافة في الغذاء.

أكسيد الكالسيوم

يستخدم أكسيد الكالسيوم في صناعة البناء ، حيث يتم استخدامه في قشرة الجدران. كما يتم دمجها في الخرسانة. في القرن التاسع عشر ، تم حرق كتل من أكسيد الكالسيوم لإضاءة المراحل بضوء أبيض شديد.

يستخدم الجير (مرة أخرى ، أكسيد الكالسيوم) لإزالة المكونات غير المرغوب فيها مثل ثاني أكسيد السيليكون (SiO ₂) الموجودة في مادة الحديد من الفولاذ. ناتج التفاعل هو سيليكات الكالسيوم (CaSiO ₃) يسمى "الخبث".

يتحد الجير مع الماء لتكوين هيدروكسيد الكالسيوم. يتبلور هذا المركب ويغرق ، ويسحب الشوائب إلى قاع الخزانات.

يتم تبطين الجزء الداخلي من المداخن بالجير لإزالة الأبخرة من المصانع. على سبيل المثال ، يلتقط ثاني أكسيد الكبريت (SO ₂) ، الذي يساهم في هطول الأمطار الحمضية ، ويحولها إلى كبريتات الكالسيوم (CaSO ₃).

كلوريد الكالسيوم

يستخدم كلوريد الكالسيوم للتحكم في الجليد على الطرق ؛ مكيف الطماطم الموجودة في المعلبات ؛ تصنيع هياكل السيارات والشاحنات.

كبريتات الكالسيوم

يتم تقديمه بشكل شائع على أنه CaSO ₄ · 2H ₂ O (الجبس) ، يتم استخدامه كمكيف للتربة. يستخدم الجبس المكلس في صناعة البلاط والألواح والشرائح. كما أنها تستخدم في تثبيت كسور العظام.

فوسفات الكالسيوم

يوجد فوسفات الكالسيوم في أشكال مختلفة في الطبيعة ويستخدم كأسمدة. يستخدم ملح الكالسيوم الحمضي (CaH ₂ PO ₄) كسماد ومثبت للبلاستيك. تم العثور على فوسفات الكالسيوم كجزء من أنسجة العظام ، وخاصة هيدروكسيباتيت.

مركبات الكالسيوم الأخرى

هناك العديد من مركبات الكالسيوم ذات التطبيقات المختلفة. على سبيل المثال ، يتم استخدام كربيد الكالسيوم للحصول على الأسيتيلين المستخدم في مشاعل اللحام. يستخدم ألجينات الكالسيوم كعامل تثخين في المنتجات الغذائية مثل الآيس كريم.

يستخدم هيبوكلوريت الكالسيوم كعامل مبيض ومزيل للعرق ومبيد للفطريات ومبيد للطحالب.

برمنجنات الكالسيوم هو سائل يعمل بالوقود الصاروخي. كما أنها تستخدم كعامل لتنقية المياه وإنتاج المنسوجات.

الوظيفة البيولوجية

يؤدي الكالسيوم وظائف عديدة في الكائنات الحية:

- يتدخل في شلال التخثر كعامل IV.

- ضروري لتفعيل العديد من عوامل التخثر بما في ذلك الثرومبين.

- في العضلات الهيكلية ، يطلق الكالسيوم التأثير المثبط لنظام البروتين على تقلص العضلات ، مما يسمح بتكوين جسور الأكتين - الميوسين ، مما يؤدي إلى التقلص.

- يستقر القنوات الأيونية للخلايا المنشطة. في حالة نقص كالسيوم الدم ، يتم تنشيط قنوات الصوديوم ، مما يؤدي إلى دخول الصوديوم إلى الخلايا ، مما يؤدي إلى حدوث تقلص مستمر (تكزز) يمكن أن يكون مميتًا.

- بالإضافة إلى ذلك ، يفضل الكالسيوم إطلاق الناقل العصبي أستيل كولين في أطراف ما قبل المشبكي.

المخاطر والاحتياطات

يتفاعل مع الماء بشكل طارد للحرارة. لذلك ، يمكن أن يسبب إصابة خطيرة في الفم أو المريء أو المعدة بمجرد تناوله.

يتعرض العمال لهذا الخطر في الأماكن التي يتم فيها إنتاج عنصر الكالسيوم أو تلك التي يتم فيها استخدام المعدن. الاحتياطات هي حماية النفس بأقنعة تمنع تنفس الغبار والملابس والتهوية الكافية.

فرط كالسيوم الدم خطير للغاية ويمكن أن يكون سببه بشكل رئيسي الإفراط في إفراز هرمون الغدة الجار درقية أو الإفراط في تناول فيتامين د..

يتراكم الكالسيوم الزائد في الكلى مما يسبب حصوات الكلى وتليف الكلى. بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي تراكم الكالسيوم في جدران الأوعية الدموية إلى تعديل مرونتها ، مما قد يكون سببًا لارتفاع ضغط الدم وتباطؤ تدفق الدم والتخثر.

الاحتياط الأساسي هو إدراج الكالسيميا ضمن الفحوصات المخبرية ، عندما يلاحظ الطبيب خصائص في أعراض المريض تجعله يشتبه في فرط كالسيوم الدم ويبدأ العلاج المناسب.

المراجع

1. دبليو هال. (1921). التركيب البلوري للكالسيوم. doi.org/10.1103/PhysRev.17.42
2. ويكيبيديا. (2019). الكالسيوم. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. Advameg ، Inc. (2019). الكالسيوم. شرح الكيمياء. تم الاسترجاع من: chemistryexplained.com
4. تيموثي ب.هانوسا. (11 يناير 2019). الكالسيوم. Encyclopædia Britannica. تم الاسترجاع من: britannica.com
5. المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية. (2019). الكالسيوم. قاعدة بيانات PubChem. الرقم التعريفي للعميل = 5460341. تم الاسترجاع من: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. عناصر الويب. (2019). الكالسيوم: الأساسيات. تم الاسترجاع من: webelements.com