Калцият (Calcium) е химичен елемент с атомен номер 20 и символ Ca, принадлежащ към групата на алкалоземните метали. Той е сребристо-бял, мек метал, който бързо реагира с кислород и вода, образувайки калциев оксид и хидроксид.
| Калций | |
 | |
| Информационна таблица | |
| Параметър | Информация |
|---|---|
| Име на елемента (български) | Калций |
| Латинско / международно наименование | Calcium |
| Химичен символ | Ca |
| Пореден номер (атомно число) | 20 |
| Период и група в таблицата | Период 4, група 2 |
| Блок (s, p, d, f) | s-блок |
| Категория / тип елемент | Алкалоземен метал |
| Атомна маса | 40.078 u |
| Изотопи | ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca, ⁴⁸Ca |
| Средна атомна маса | 40.078 |
| Плътност | 1.55 g/cm³ |
| Температура на топене | 842°C |
| Температура на кипене | 1484°C |
| Кристална структура | Кубична центрирана по лице (fcc) |
| Цвят / външен вид | Сребристо-бял |
| Агрегатно състояние при 20°C | Твърдо |
| Откривател / година на откриване | Сър Хъмфри Дейви, 1808 г. |
| Място на откриване | Англия |
| Етимология на името | От лат. calx – вар, варовик |
| Окислителни степени | +2 |
| Електронна конфигурация | [Ar] 4s² |
| Електроотрицателност (Паулинг) | 1.00 |
| Йонизационна енергия | 6.11 eV |
| Ковалентен радиус | 174 pm |
| Атомен радиус | 197 pm |
| Топлопроводимост | 200 W/(m·K) |
| Електрическа проводимост | Добра |
| Магнитни свойства | Диамагнитен |
| Честота в земната кора | 3.6% |
| Основни минерали и съединения | Варовик, гипс, флуорит, доломит, апатит |
| Разпространение в природата | Минерали, морска вода, скали |
| Основни производители в света | Китай, Русия, САЩ, Индия |
| Основни приложения | Строителство, металургия, медицина, земеделие |
| Биологично значение | Есенциален макроелемент |
| Токсичност и безопасност | Солите му са безопасни; металът – реактивен |
| Използване в индустрията | Цимент, гипс, вар, сплави |
| Използване в медицината / фармацията | Добавки, антиациди, лечение на остеопороза |
| Ядрени свойства | Изотоп ⁴⁸Ca използван в ядрен синтез |
| Наличие във Вселената | 6.4 ppm |
| Методи за рециклиране / повторна употреба | Преработка на варовикови материали |
| Глобално годишно производство | Над 400 милиона тона (като съединения, 2024 г.) |
| Научна дисциплина | Химия, биология, геология, медицина |
| CAS номер | 7440-70-2 |
| PubChem CID | 5460341 |
| Класификация по IUPAC | Алкалоземен метал |
| Символика и културно значение | Символ на здраве, стабилност и твърдост |
Калцият е петият най-разпространен елемент в земната кора и един от най-жизненоважните за живите организми. Без калций не би имало кости, зъби, миди, корали и черупки. Той е основен градивен елемент на скелета при животните и участва в жизненоважни процеси като съкращаването на мускулите, съсирването на кръвта и предаването на нервните импулси.
В природата калцият е буквално навсякъде – в варовика, мрамора, гипса, морската вода и дори в нашите клетки.
Физични и химични свойства
Калцият е мек, реактивен метал, който при прясно рязане има блестящо сребристо лице, но бързо потъмнява поради образуването на оксиден слой.
Физични характеристики:
- Атомен номер: 20
- Атомна маса: 40.078 u
- Плътност: 1.55 g/cm³
- Температура на топене: 842°C
- Температура на кипене: 1484°C
- Цвят: Сребристо-бял
- Агрегатно състояние при 20°C: Твърдо
Химични свойства:
- Калцият реагира с вода, като образува калциев хидроксид (Ca(OH)₂) и отделя водород: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
- При изгаряне във въздуха образува калциев оксид (CaO), познат като негасена вар.
- Реагира с киселини, халогени и неметали.
- Веществата, съдържащи калций, са слабо разтворими във вода, но играят важна роля в биологичните системи и геоложките процеси.
Калцият е добър електропроводник, но поради реактивността си се съхранява под минерално масло или в инертна атмосфера.
Историческо откриване
Калцият е известен на човечеството още от древността под формата на варовик, гипс и тебешир, които са използвани за строителство, скулптура и обработка на метали.
Чистият елемент е изолиран за първи път през 1808 г. от сър Хъмфри Дейви (Англия), чрез електролиза на стопилка от калциев оксид и живачен оксид. Той доказва, че калцият е отделен химичен елемент, а не съединение, както се смятало дотогава.
Разпространение в природата
Калцият е петият по изобилие елемент в земната кора (около 3.6% от масата ѝ). Среща се изключително широко под формата на минерали и соли:
- Варовик (CaCO₃)
- Мрамор (CaCO₃)
- Гипс (CaSO₄·2H₂O)
- Флуорит (CaF₂)
- Апатит (Ca₅(PO₄)₃(OH,F,Cl))
- Доломит (CaMg(CO₃)₂)
Калциевите минерали изграждат планини, пещери и морски седименти. Във водите на океаните и езерата калцият присъства под формата на разтворими соли. Основни находища и производители: Китай, САЩ, Индия, Русия, Бразилия, България (предимно в Родопите и Предбалкана).
Изотопи
Калцият има шест стабилни изотопа:
- ⁴⁰Ca (96.94%)
- ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca, ⁴⁸Ca
Изотопът ⁴⁸Ca е рядък и радиоактивен, използван в ядрената физика за изследвания и изкуствени реакции.
Биологично значение
Калцият е най-разпространеният минерал в човешкото тяло, като 99% от него се съдържа в костите и зъбите, а останалата част участва в жизнени процеси в клетките, кръвта и мускулите. Основни функции на калция в организма:
- Изграждане и поддържане на костите и зъбите;
- Регулиране на съкращаването на мускулите (вкл. сърдечния мускул);
- Участие в кръвосъсирването;
- Поддържане на нервната проводимост;
- Участие в клетъчната сигнализация и метаболизма.
- Дневна нужда от калций:
- Възрастни: около 1000–1200 mg/ден
- Деца и юноши: 1300 mg/ден
- Бременни и кърмещи жени: до 1500 mg/ден
Източници на калций в храната: Мляко и млечни продукти, сирене, кисело мляко, броколи, зеле, бадеми, сардини, сусам и минерална вода. Недостигът на калций (хипокалциемия) води до костна деминерализация, остеопороза, мускулни крампи и нарушена сърдечна функция.
Излишъкът (хиперкалциемия) може да причини бъбречни камъни и проблеми с абсорбцията на други минерали.
Приложения
- В строителството - Основна съставка на цимента, бетона, варовика и гипса. Калциевият карбонат се използва за производство на вар, мазилки и плочки.
- В металургията - Калцият служи като редуктор и обезоксидатор при производството на стомана, алуминий и други метали.
- В химическата промишленост - Използва се за неутрализация на киселини и производство на калциеви соли. Калциевият карбид (CaC₂) се използва за производство на ацетилен (C₂H₂).
- В земеделието - Калциевите торове подобряват структурата на почвите и неутрализират киселинността. Варуването е важна практика за обогатяване на почвата с калций.
- В медицината и фармацията - Калциевите препарати се използват за профилактика на остеопороза, алергии и мускулни спазми. Калциевите соли участват в състава на антиациди, които неутрализират стомашните киселини.
- В хранително-вкусовата промишленост - Калциевите съединения се използват като стабилизатори и втвърдители в сирена, консерви и напитки.
Екологично значение
Калцият играе основна роля в геологичния и биогеохимичния цикъл на Земята. Морските организми използват калций за изграждане на черупки и скелети. След смъртта им, тези структури се натрупват и образуват варовикови седименти.
Тези процеси регулират въглеродния баланс на планетата. В екологията калциевите съединения се използват за обезвреждане на киселинни отпадъци и прочистване на димни газове.
Интересни факти
Калцият съставлява около 2% от телесната маса на човека. Най-твърдата част на човешкото тяло – зъбният емайл – съдържа калциев фосфат. Варът (CaO) се нарича „негасена вар“, а след добавяне на вода става „гасена вар“ (Ca(OH)₂).
Във Вселената калцият се образува при свръхнови експлозии на звезди. Калцият дава оранжево-червено оцветяване на пламъка при химически анализ.