Строение атома кальция: характеристика элемента периодической системы Менделеева и электронная конфигурация

Что представляет собой кальций

Кальций – это химический элемент периодической системы Д. И. Менделеева под №20. Мягкий серебристо-белый металл блестит, но затем тускнеет под пленкой-оксидом.

Состоит из шести стабильных изотопов, при этом 97% состава приходится на Ca40.

Относится к щелочноземельным металлам.

Международное обозначение – Calcium (Ca).

Общие сведения

Каждый химический элемент состоит из молекул, компонентами которых являются атомы. Последние состоят из следующих структурных единиц:

1. Ядра.
2. Электроны.

Последние вращаются вокруг ядра по орбитам, которые только отображаются на чертежах (графической схеме). Орбита — условное обозначение расстояния между ядром и электронами, удерживающимися посредством сил кулоновского притяжения. На основании анализа структуры кристаллической решетки ученые открыли некоторые очень важные физико-химические свойства веществ. Например, благодаря изучению строения атома калия, его поместили в ряд щелочных металлов. Он вступает в мгновенную реакцию с водой, образуя щелочь.

Ядро атома

Ядро — основной компонент атома, в котором сосредоточена основная масса. Оно имеет положительный заряд, притягивающий электроны, и состоит из протонов и нейтронов. Протий (легкий изотоп водорода) — единственный химический элемент, не содержащий нейтроны. Если ядро рассматривать в качестве частицы, то химики и физики называют его нуклидом, а нуклоны — совокупность положительно заряженных атомарных единиц.

Количество протонов обозначается литерой «Z», а нейтронов — N. Эти 2 коэффициента, как правило, равны. Однако иногда N превышает или меньше показателя Z. В этом случае говорят, что химический элемент является изотопом или изотоном, т. е. нестандартным. Чтобы их отличать между собой, следует запомнить 2 правила:

1. Одинаковое Z и разное N — изотопы.
2. Одинаковое N и разное Z — изотоны.

Число «Z» соответствует порядковому номеру в таблице Д. И. Менделеева. Алгебраическая сумма Z и N эквивалентна массовому атомарному числу А, которое также указывается в периодической системе. Оно имеет и другое название — молекулярная масса химического элемента. Кроме того, у ядра существуют и другие характеристики. К основным из них относятся следующие:

1. Заряд.
2. Масса.

Коэффициент Z определяет уровень электрического заряда. Впервые его открыл ученый Г. Мозли в 1913 году опытным путем, измеряя длину электромагнитной волны водорода. Для других элементов была установлена такая же зависимость от порядкового номера элемента. Заряд протонов, входящих в состав ядра, действует на электроны, которые вращаются вокруг него. Следует отметить, что положительная частица не может притянуть отрицательную, поскольку поле, создающее связь между ними, не способно это сделать.

В некоторых случаях заряд не может удержать электрон. При этом последний «отрывается» с орбитали. В результате такого процесса образуется ион, т. е. атом, который может взаимодействовать с другими.

Структуру строения можно интерпретировать с планетами, вращающимися вокруг Солнца. Последнее не может притянуть их, поскольку недостаточно силы притяжения, которая зависит от расстояния и массы.

Следующей характеристикой ядра является масса. Она измеряется в атомарных единицах массы — а. е. м. Одна «а.е.м.» эквивалентна 1/12 массы атома углерода, который обозначается литерой «С».

Информация об электронах

Электрон — элементарная частица, имеющая отрицательный заряд. Ее масса намного меньше, чем у ядра. У каждой частицы есть своя орбиталь, которая показывает валентность химического элемента. Электроны не только входят в состав атома, но и бывают свободными, т. е. влияют на электрическую проводимость веществ. На основании этого утверждения ученые сделали вывод, что материалы могут классифицироваться на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Первые имеют свободные электроны, во вторых они появляются только при воздействии каких-либо внешних сил, способных «вырвать» отрицательно заряженные элементарные частицы с орбитали. В диэлектриках или изоляторах они отсутствуют.

Атомная структура

Рассмотрим строение атома кальция. Ядро несет положительный заряд (+20). Внутри него имеются 20 нейтронов и столько же протонов, вокруг ядра движутся по 4 орбитам 20 электронов, распределенных по 2:8:8:2.

Степень окисления кальция равняется +2. На внешнем энергетическом уровне атом содержит 2 спаренных s-электрона, которые он легко отдает при химических реакциях.

Они определяют валентность элемента. Электронное строение атома кальция: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 (коротко 4s2).

Внимание! Моль — это определенное (6,02 · 1023) количество молекул. Моль одного вещества имеет массу, отличающуюся от массы моля другого вещества, поскольку строение молекул и, соответственно, их вес будут разными.

Молярная масса кальция — это отношение массы вещества к числу молей: Формула, по которой рассчитывается масса в молях:

,Где M — молярная масса.

m — масса вещества.

n — количество моль.

Молярная масса кальция составляет 40,08 г/моль.

Атомная масса, изотопы

Относительная атомная масса кальция 40.07 а. е. м. У элемента есть шесть природных изотопов. Разница между ними определяется числом нейтронов.

Возможное количество нейтронов в Ca:

• 40,
• 42,
• 43,
• 44,
• 46,
• 48.

Все изотопы кальция устойчивые, не обладают радиоактивностью. Самый распространенный 40.

Каково отличие атомов от ионов

Ионы — это частицы, образованные при удалении или присоединении электронов к атому. Бывают положительно (катион) или отрицательно (анион) заряженными при потере или получении дополнительных электронов. Могут существовать как в составе молекул химических соединений, так и в самостоятельном виде (плазма, газ или жидкость).

Строение атома кальция отличается от иона. Атом представляет собой нейтральную частицу с одинаковым количеством электронов и протонов. В этом заключается основное отличие атома от иона.

Атом кальция отличается от иона своим зарядом и свойствами. Строение атома кальция таково, что на внешней оболочке находятся 2 электрона, которые могут вступать в различные связи. При соединении элемента 2 внешних электрона переходят на орбиты других атомов, превращая нейтральный атом в положительно заряженный ион Ca++. При этом атом имеет восстановительные свойства, а ион — окислительные.

Физико-химические свойства кальция

Кальций — химический элемент, относящийся к щелочно-земельным металлам. Он обозначается литерой «Са». В периодической системе находится под порядковым номером «20». Кроме того, обладает атомарной массой, равной 40 а. е. м. (А = 40 а. е. м.). Основным его источником в природе является карбонат кальция или мел, химическая формула которого имеет вид CaCO3.

Температура плавления Са составляет 854 градусов по шкале Цельсия. Под высоким давлением пропускает электрический ток в одном направлении. При взаимодействии с кислородом, входящим в состав атмосферного воздуха, окисляется (Ca2O). Примером окислительной реакции является мел, которые крошится, а при ударе — разбивается на части.

В лабораторных условиях его можно получить при электролизе расплавленного CaCl2. Последнее вещество называется хлоридом кальция. Электролиз — физико-химический процесс, при котором через какое-либо вещество пропускают постоянный ток. В этом случае ионы (заряжены положительно) направляются к электроду (катоду), имеющему отрицательный потенциал (-), а катионы — к положительному (аноду). При этом распад хлорида кальция можно записать в таком виде: ион (Ca2+) и катион (Cl 2 2-).

Схема строения атома и электронная конфигурация кальция определяют его другие химические свойства. Он реагирует с большинством веществ, являющимися сложными и простыми. Сохранить его в чистом виде довольно сложно. Например, чтобы сберечь «чистый» Ca, нужно покрыть его парафином или керосином в емкости без дополнительного доступа кислорода.

Электронная оболочка

Электронная оболочка атома — форма, позволяющая научным путем доказать возможность взаимодействия элемента с другими веществами. Принципы ее образования имеют следующие формулировки:

1. Минимум энергии: определяет энергетический обмен между электронами, заполняющими орбитали.
2. Паули: на орбитали могут находиться только 2 отрицательно заряженные частицы с противоположными спинами (векторами вращения).
3. Хунда: заполнение орбиталей с максимальным количеством электронов с учетом спинов.

Ядро атома имеет положительный заряд «+20», который соответствует порядковому номеру в периодической таблице элементов. Количество Z = 20 и N = 20. Следовательно, вокруг ядра двигаются 20 электронов, поскольку количество положительных нуклонов равняется числу отрицательно заряженных частиц.

Схематически обозначение структуры, состоящей из четырех орбит, имеет такой вид: +20 Ca)2)8)8)2. В этом случае можно записать электронную конфигурацию элемента: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2. Если сложить показатели степеней подуровней орбит, получается «20», т. е. 2+2+6+2+6+2. Электронная формула заполняется по такому алгоритму:

1. Выписывается порядковый номер: 20.
2. На первом подуровне должно быть не более 2: 1 s2. Первая орбиталь заполнена.
3. Вторая орбита (до 6 на подуровне 2р и 2 на 2s): 2s22p6.
4. Третья состоит из двух подуровней, на каждом из которых может находиться 2 и 6 частиц соответственно: 3s2 3 p6 .
5. Четвертая также включает 2 подуровня 4s и 4p, но частиц хватает только на 4s: 4 s2.
6. Проверка количества электронов: 2+2+6+2+6+2 = 20 (результат соответствует действительности, т. е. равен Z).

На основании электронной конфигурации можно определить еще один параметр Cа, который называется валентностью. Она равна 2, поскольку последняя орбиталь имеет только 2 электрона.

Таким образом, кальций является двухвалентным элементом и обладает физическими и химическими свойствами, которые присущи щелочно-земельным металлам.

Электронная схема кальция

Ca: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 → Ca2+: 1s22s22p63s23p64s0

You need to enable JavaScript to run this app.

Одинаковую электронную конфигурацию имеют ион кальция +2 и -4Si, -3P, -2S, -1Cl, Ar, +1K, +3Sc, +4Ti, +5V, +7Mn

Порядок заполнения оболочек атома кальция (Ca2+) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на ‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14

Кальций имеет 20 электронов, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:

2 электрона на 1s-подуровне

2 электрона на 2s-подуровне

6 электронов на 2p-подуровне

2 электрона на 3s-подуровне

6 электронов на 3p-подуровне

Количество электронов

Элемент находится в четвертом периоде таблицы Менделеева. Значит, электроны находятся рядом с ядром на четырех орбиталях:

• на первой — 2 e—;
• на второй — 8 e—;
• на третьей — 8 e—;
• на четвертой — 2 e—.

Электроны одинаковы по массе, силе заряда и строению, но имеют разные направления движения и траектории:

• s-электроны — вращаются вокруг собранных в ядро протонов и нейтронов, образуя сферу.
• p-электроны — описывают восьмерки по трем плоскостям.

В природе есть электроны, двигающиеся по более сложным схемам. Они описывают вокруг ядра двойные и четверные восьмерки в различных плоскостях. Но в атоме Ca их нет.

Если расписать строение с учетом электронных орбит, получится следующая формула: 1s22s22p63s23p64s2. Графическая формула (электронная конфигурация кальция) выглядит как [Ar] 4s².

Благодаря двум свободным s-электронам на четвертом энергетическом уровне Ca химически активен. Он почти никогда не находится в свободном состоянии, соединяясь в природе с водой или кислородом.

Состав распространенных соединений кальция:

• CaO — известняк;
• Ca CO3 — известняк, мрамор, мел;
• CaSO 4 ·2H 2 O — гипс;
• cacl2 — пищевая добавка.

При взаимодействии с водой идет образование щелочи — гидроксида кальция. Реакция проходит с выделением водорода.

Каждый атом Ca присоединяет 2 группы OH. В результате формула гидроксида выглядит как Cа (OH)2.

Степень окисления кальция

Атомы кальция в соединениях имеют степени окисления 2.

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле между атомами основана на разделении электронов, таким образом, если у атома виртуально увеличивается заряд, то степень окисления отрицательная (электроны несут отрицательный заряд), если заряд уменьшается, то степень окисления положительная.

Степень окисления иона Ca2+ = 2

Ионы кальция

2+Ca Ca 0

Валентность Ca

Атомы кальция в соединениях проявляют валентность II.

Валентность кальция характеризует способность атома Ca к образованию хмических связей. Валентность следует из строения электронной оболочки атома, электроны, участвующие в образовании химических соединений называются валентными электронами. Более обширное определение валентности это:

Число химических связей, которыми данный атом соединён с другими атомами

Валентность не имеет знака.

Квантовые числа Ca

Квантовые числа определяются последним электроном в конфигурации, для атома Ca эти числа имеют значение N = 4, L = 0, Ml = 1, Ms = -½

Энергия ионизации

Чем ближе электрон к центру атома — тем больше энергии необходимо, что бы его оторвать. Энергия, затрачиваемая на отрыв электрона от атома называется энергией ионизации и обозначается Eo. Если не указано иное, то энергия ионизации — это энергия отрыва первого электрона, также существуют энергии ионизации для каждого последующего электрона.

Энергия ионизации Ca:
Eo = 590 кДж/моль

Технология получения

Конечный продукт промышленного производства – металлический кальций.

Металлический Кальций

Получение металла проходит двумя методами:

1. Электролиз. Расплавляют CaCl2, задействуя медно-кальциевый анод. Из полученного медно-кальциевого сплава (2:1) отгоняют металл.
2. Алюминотермия. Прокаливается смесь CaO и порошковый алюминий. Конденсат из кальциевых паров аккумулируется на охлаждаемой поверхности.

Для обоих способов получения металла требуется вакуум и 960-1900°С.

Единственный производитель кальция в Европе – Чепецкий механический завод. Его открыли в 1949 году для нужд отечественной урановой промышленности. Уже тогда СССР отработал процесс восстановления урана кальцием. Сегодняшний ассортимент шире.

Применение

Главное применение металлического кальция — это использование его как восстановителя при получении металлов, особенно никеля, меди и нержавеющей стали. Кальций и его гидрид используются также для получения трудно восстанавливаемых металлов, таких, как хром, торий и уран. Сплавы кальция со свинцом применяются в некоторых видах аккумуляторных батарей и при производстве подшипников. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов. Чистый металлический кальций широко применяется в металлотермии при получении редкоземельных элементов.

Кальций широко применяется в металлургии для раскисления стали наряду с алюминием или в сочетании с ним. Внепечная обработка кальцийсодержащими проволоками занимает ведущее положение в связи с многофакторностью влияния кальция на физико-химическое состояние расплава, макро- и микроструктуры металла, качество и свойства металлопродукции и является неотъемлемой частью технологии производства стали. В современной металлургии для ввода в расплав кальция используется инжекционная проволока, представляющая из себя кальций (иногда силикокальций или алюмокальций) в виде порошка или прессованного металла в стальной оболочке. Наряду с раскислением (удалением растворенного в стали кислорода) использование кальция позволяет получить благоприятные по природе, составу и форме неметаллические включения, не разрушающиеся в ходе дальнейших технологических операций.

Изотоп 48Ca — один из эффективных и употребительных материалов для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементов таблицы Менделеева. Это связано с тем, что кальций-48 является дважды магическим ядром, поэтому его устойчивость позволяет ему быть достаточно нейтроноизбыточным для лёгкого ядра; при синтезе сверхтяжёлых ядер необходим избыток нейтронов.

Промышленность

Львиная доля продукции металлургических комбинатов достается промышленному комплексу.

Здесь миссия кальция многогранна:

• Восстановление редкоземельных, тугоплавких элементов из соединений. Речь о хроме, никеле, меди, тории, уране.
• Удаление серы из бензина, керосина, других нефтепродуктов.
• Раскисление стали и сплавов цветных металлов.
• Получение антифрикционных сплавов.
• Очистка электровакуумных приборов от воздуха, других газов.
• Обезвоживание органических растворителей.

Металл используется при производстве аккумуляторных батарей, подшипников, оболочек кабелей.

Наука

Изотоп Ca-48 – материал с высоким КПД для производства сверхтяжелых элементов.

Кальцием восстанавливают уран.

С его помощью ученые пополняют таблицу Менделеева.

Другие сферы

Кальциевые материалы нашли применение на бытовом уровне:

• Строительный материал (известняк, гипс, мрамор).
• Сырье при производстве гипса, включая медицинский.
• Дезинфектор (хлорка).
• Мелки для рисования.
• Аптечные препараты, БАДы (особенно с витамином D).

Эстетично выглядящие образцы (флюорит, кальцинит, мрамор) попадают в минералогические коллекции.

Биологическая роль

Кальций — распространённый макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть находится в скелете и зубах. В костях кальций содержится в виде гидроксиапатита. Из различных форм карбоната кальция (извести) состоят «скелеты» большинства групп беспозвоночных (губки, коралловые полипы, моллюски и др.). Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови, а также служат одним из универсальных вторичных посредников внутри клеток и регулируют самые разные внутриклеточные процессы — мышечное сокращение, экзоцитоз, в том числе секрецию гормонов и нейромедиаторов. Концентрация кальция в цитоплазме клеток человека составляет около 10−4 ммоль/л, в межклеточных жидкостях около 2,5 ммоль/л.

Потребность в кальции зависит от возраста. Для взрослых в возрасте 19—50 лет и детей 4—8 лет включительно дневная потребность (RDA) составляет 1000 мг, а для детей в возрасте от 9 до 18 лет включительно — 1300 мг в сутки . В подростковом возрасте потребление достаточного количества кальция очень важно из-за интенсивного роста скелета. Однако по данным исследований в США всего 11 % девочек и 31 % мальчиков в возрасте 12—19 лет достигают своих потребностей. В сбалансированной диете большая часть кальция (около 80 %) поступает в организм ребёнка с молочными продуктами. Оставшийся кальций приходится на зерновые (в том числе цельнозерновой хлеб и гречку), бобовые, апельсины, зелень, орехи. Всасывание кальция в кишечнике происходит двумя способами: через клетки кишечника (трансцеллюлярно) и межклеточно (парацелюллярно). Первый механизм опосредован действием активной формы витамина D (кальцитриола) и её кишечными рецепторами. Он играет большую роль при малом и умеренном потреблении кальция. При большем содержании кальция в диете основную роль начинает играть межклеточная абсорбция, которая связана с большим градиентом концентрации кальция. За счёт чрезклеточного механизма кальций всасывается в большей степени в двенадцатиперстной кишке (из-за наибольшей концентрации там рецепторов в кальцитриолу). За счёт межклеточного пассивного переноса абсорбция кальция наиболее активна во всех трёх отделах тонкого кишечника. Всасыванию кальция парацеллюлярно способствует лактоза (молочный сахар).

Усвоению кальция препятствуют некоторые животные жиры (включая жир коровьего молока и говяжий жир, но не сало) и пальмовое масло. Содержащиеся в таких жирах пальмитиновая и стеариновая жирные кислоты отщепляются при переваривании в кишечнике и в свободном виде прочно связывают кальций, образуя пальмитат кальция и стеарат кальция (нерастворимые мыла). В виде этого мыла со стулом теряется как кальций, так и жир. Этот механизм ответственен за снижение всасывания кальция, снижение минерализации костей и снижение косвенных показателей их прочности у младенцев при использовании детских смесей на основе пальмового масла (пальмового олеина). У таких детей образование кальциевых мыл в кишечнике ассоциируется с уплотнением стула, уменьшением его частоты, а также более частым срыгиванием и коликами.

Концентрация кальция в крови из-за её важности для большого числа жизненно важных процессов точно регулируется, и при правильном питании и достаточном потреблении обезжиренных молочных продуктов и витамина D дефицита не возникает. Длительный дефицит кальция и/или витамина D в диете приводит к увеличению риска остеопороза, а в младенчестве вызывает рахит.

Избыточные дозы кальция и витамина D могут вызвать гиперкальцемию. Максимальная безопасная доза для взрослых в возрасте от 19 до 50 лет включительно составляет 2500 мг в сутки (около 340 г сыра Эдам).

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 H He 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og 8 Uue Ubn Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs

Электрохимический ряд активности металлов

Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu, Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2, W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

Жизненные процессы

Макроэлемент аккумулируется костями и зубами.

Известь (карбонат кальция) – строительный материал ракушек, кораллов, яичной скорлупы, накипи в чайнике.

Вещество задействовано в следующих процессах:

• Свертывание крови.
• Сокращение мышц.
• Секреция гормонов.

Тело человека массой 60 кг содержит полтора килограмма кальция.

Достаточное количество металла критично для детей и подростков: их скелет растет каждую минуту. У младенцев может проявиться рахитичность.

Питание

Макроэлемент поступает в организм во время еды. В детском возрасте продукт номер один – молоко.

Рацион взрослых разнообразнее. Веществом насыщены продукты всех групп:

• Цельнозерновой хлеб, гречка.
• Морепродукты, рыба (особенно мягкие кости).
• Бобовые.
• Орехи, свежий кунжут.
• Листовой салат, укроп, петрушка, спаржа.

Всасыванию кальция содействует лактоза, препятствуют кофе, углеводы, пальмовое масло, животные жиры (кроме сала).

Нормы

Суточная потребность в макроэлементе определяется возрастом (г):

Возраст (лет)	Количество кальция (мг)
0-6	1490
7-9	750
10-12 (мальчики)	910
10-12 (девочки)	1250
13-19	1250
20-49	1050
49+	1150-1350

Беременным и кормящим матерям требуется повышенная норма вещества.

Какую роль играет внутри организма

Имеет важное структурное значение, являясь строительным материалом для твердых покровов, костей, зубов, роговых пластин, копыт животных. Раковины моллюсков практически полностью состоят из кальцинированных соединений. Велика биологическая роль кальция. В организме человека он осуществляет массу функций, участвуя в большинстве жизненно важных процессов:

• регулирует мышечные сокращения, секрецию нейромедиаторов,
• воздействуя на кровеносную систему, регулирует давление,
• принимает активное участие в регулировании свертывания крови и обмена веществ внутри клеток,
• участвует в постоянном обновлении состава костей,
• укрепляет иммунную систему,
• способствует синтезу ферментов и гормонов,
• воздействует на мышцы, регулирует сердечные сокращения,
• влияет на внутриклеточные процессы,
• защищает клетку, регулируя проницаемость мембраны.

Суточное пополнение организма человека кальцием должно составлять не менее 800-1250 мг, предельная норма — 2500 мг/сут.

Важно! Это единственный элемент, способный нормализовать кислотно-щелочной баланс в организме. Преобладание кислоты вызывает активное образование солей, камней в почках, создаст предпосылки к возникновению сердечно-сосудистых заболеваний.

Свойства кальция и его соединений

Ваша оценка?