Сегодняшняя статья будет посвящена химическому элементу, в ядре которого двадцать протонов. Это кальций. Он очень распространён в природе, однако в чистом виде вы, мои дорогие друзья, вероятно никогда его не видели.
В чистом виде кальций не опасен. Однако некоторые из его соединений токсичны. И в то же время этот металл играет фундаментальную роль в биохимии. И без него мы не смогли бы жить.
Кальций, как и калий, очень близок к химической стабильности. Ему для её обретения нужно просто потерять два электрона из двадцати, которые у него есть. И всего делов. Однако именно по этой причине этот химический элемент очень редко можно встретить в чистом виде. Если оставить его на открытом воздухе, например, то за очень короткое время он вступит в реакцию со всем, с чем только возможно, и образует оксиды и другие соединения. Поэтому если у вас есть немного чистого кальция, придётся предпринять определённые меры, чтобы сохранить его в чистой металлической форме.
Первым получил кальций неутомимый и блестящий сэр Хамфри Дэви. Ему удалось сделать это в 1808 году, всего через год после того, как учёный добыл первый чистый калий в истории человечества.
Разная известь
Вы наверняка ранее представляли кальций, когда в минуты досуга читали статьи по химии, как что-то, из чего состоит яичная скорлупа или, на худой конец, молочный творог. Однако кальций, что очевидно из его положения в таблице Менделеева, является металлом. Мало того. Это «очень металлический» металл, который безудержно желает как можно быстрее избавиться от двух электронов, которые, как уже отмечалось выше, мешают его стабильности.
На самом деле кальций проводит электричество даже лучше, чем медь!
Название «кальций» происходит от латинского «calcis», что означает «известь». А это слово относится к более чем одному соединению кальция. Я уверен, что вы слышали о негашёной и гашеной извести: это оксид кальция (CaO) и гидроксид кальция (Ca (OH)2) соответственно. Оксид кальция (негашёная известь) сравнительно легко добывается из известняковых пород: карбонат кальция (СаСО3) чрезвычайно распространён в земной коре и при достаточном нагревании (приблизительно до 800°С) разлагается следующим образом:
СаСО3 -> СаО + СО2
Полученный оксид кальция имеет интенсивный белый цвет, и на протяжении многих веков использовался в строительстве в качестве связующего вещества или для покраски домов. Наверняка каждому из вас, друзья мои, приходилось «белить» потолки, стены или даже заборы за дохлую крысу с верёвочкой. Так вот. Этот завораживающе красивый белый цвет даёт побелке именно оксид кальция. Но это происходит не сразу после проведения соответствующих работ. То, что вы видите, когда смотрите на только что побеленный забор, – это не CaO (негашёная известь), а CaCO3. Дело в том, что оксид кальция вступает в реакцию с некоторыми химическими соединениями, поэтому его нечасто можно увидеть таким, какой он есть на самом деле.
С течением времени на открытом воздухе он медленно соединяется с CO2, образуя карбонат кальция, из которого он когда-то был получен. И именно это соединение даёт цвет побеленным заборам и бордюрам на режимных территориях.
Кальций может быть опасен
Конечно же, вы наверняка слышали, что негашёная известь очень опасна! И это действительно так. Реакция с CO2 не является проблемой, а вот реакция, которая происходит с водой – совсем другое дело. Оксид кальция очень бурно реагирует с ней экзотермически, с выделением огромного количества тепла. В результате этой химической реакции появляется гидроксид кальция (Ca (OH)2 («мёртвая известь»):
СаО + Н2О -> Са (ОН)2
Опасность этой реакции состоит в том, что в живых существах много воды, а это может привести к тому, что негашёная известь спровоцирует обезвоживание живого организма, при этом выделяя много тепла.
Поэтому негашёную известь часто используют в качестве дезинфицирующего средства.
«Мёртвая известь» (гидроксид) является довольно сильным основанием. Однако это соединение не вызывает такой бурной реакции, как в предыдущем случае. Если гидроксид достаточно нагреть (примерно до 500 ºC) он снова разложится на два предыдущих соединения.
Некоторые описания знаменитого греческого огня указывают на то, что вода не только не тушила его, но и делала пламя более интенсивным. Поэтому совершенно не исключено, что одним из ингредиентов этого огня был именно СаО, поскольку его реакция с водой, смешанной с другими соединениями, способными гореть, имела бы именно такой эффект до тех пор, пока вся негашёная известь не превратилась бы в гидроксид кальция.
Гидроксид кальция, кстати, тоже имеет приятный белый цвет.
Применение соединений кальция
Еще одним любопытным свойством оксида кальция является то, что при достаточном нагревании он светится очень белым и очень интенсивным светом: настолько ярким, что в XIX веке его использовали в театральных прожекторах. Это почти забытые так называемые «кальциевые фонари».
Но, кроме карбоната кальция, содержащегося в больших количествах в известняковых породах или мраморе, есть еще один очень распространённый минерал в разных формах, посредством которого мы также годами контактировали с кальцием, не подозревая об этом: это гипс или алебастр, который представляет собой не что иное, как сульфат гидратированного кальция (CaSO4·2H2O). Большинство мелков, которыми вы пишите на школьных досках, сделаны именно из CaSO4·2H2O (раньше их делали из карбоната кальция, но, думаю, сейчас такие уже не выпускают).
Люди также используют и другие соединения кальция для различных целей. Двумя наиболее известными из них являются хлорид кальция (CaCl2), которым иногда покрывают улицы и дороги, чтобы снизить температуру замерзания воды и таким образом предотвратить образование на них льда, и гипохлорит кальция (Ca (ClO) 2), который часто используется в качестве дезинфицирующего средства и фунгицида, например, в плавательных бассейнах.
Большая часть знакомого нам кальция имеет биологическое происхождение. И очень часто подобные соединения имеют белый цвет. Именно поэтому мы подсознательно считаем, что и кальций имеет белый цвет.
Карбонат кальция (CaCO3) входит в состав панцирей и других жёстких структур беспозвоночных, и именно по этой причине многие осадочные породы содержат так много кальция.
Поскольку в земной коре находится огромное количество кальция, и он очень легко вступает в химические реакции, этот элемент является очень доступным источником сырья для постройки более или менее жёстких структур. И живые существа на протяжении всей своей эволюции активно пользовались подобными свойствами кальция.
Кальций в биохимии
У позвоночных соли кальция являются основным материалом для «строительства» костей и зубов.
Помимо карбоната кальция, еще более распространены соли этого металла с фосфором, в основном гидроксиапатит, фосфат кальция, который образует кристаллы достаточной консистенции для использования в костной структуре животных.
Любой взрослый человек содержит примерно один килограмм кальция. 99% этого металла находится в скелете, и именно кальций в основном отвечает за то, что скелет является более или менее «непрозрачным» для рентгеновских лучей. Так происходит потому, что кальций имеет относительно высокую атомную массу.
Дефицит кальция может вызвать проблемы со здоровьем. И такое заболевание, как остеопороз является хорошим примером. А особенно недостаток кальция опасен в детстве и подростковом возрасте.
Витамин D3 или холекальциферол регулирует всасывание кальция в кишечнике, поэтому даже при достаточном поступлении кальция в рацион в детском возрасте возможен его дефицит. Поэтому этот витамин еще называют витамином рахита, так как его дефицит вызывает это заболевание во время роста организма, поскольку кальция не хватает для образования гидроксиапатита, а вместе с этим и развития здоровых костей.
Холекальциферол можно получать из продуктов, которые его содержат, таких как молоко и яйца. Также он вырабатывается нашим организмом в коже под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. И это одна из сложных ситуаций поддержания баланса: с одной стороны, это излучение может вызвать рак, а с другой стороны, оно позволяет нам «производить» необходимые для организма витамины.
Кальций – универсальный и распространённый металл. Он выполняет в нашем организме и другие важные функции, помимо структурной. Ионы кальция Ca2+ так же играют решающую роль в передаче нервных импульсов и клеточном осмосе. Гипокальциемия (слишком низкая концентрация ионов кальция в крови) сопровождается судорогами и непроизвольными мышечными сокращениями.
Всего нужно в меру
Конечно, избыток кальция – это тоже нехорошо. А гиперкальциемия даже может повредить клетки, которые способны выдерживать лишь определённую концентрацию этого металла. Избыток кальция может вызвать повышенную утомляемость, сердечную аритмию и даже (если это очень большой избыток) кому и сердечную недостаточность.
Кроме того, наш организм мудр, но не идеален. И когда ему не хватает кальция, он восстанавливает его в почках, а если слишком много, фильтрует его там, чтобы избавиться от него. Именно так появляются камни в почках. Кто знает, что это, никому старается не рассказывать про них на ночь.
Итак, с одной стороны, кальций в нашем организме используется в виде солей, придающих твёрдость нашим костям. А с другой стороны, он присутствует в крови и клетках в виде ионов, регулирующих разные биологические процессы. И наше тело способно превращать одно в другое в соответствии с его потребностями. Например, если в крови недостаточно кальция, он будет «украден» из солей в ваших костях, чтобы восполнить этот дефицит.
Кальций, конечно, не является одним из самых экзотических элементов, учитывая его обилие и вполне обычные для металлов свойства. Однако он присутствует повсюду. И не только в вещах, которые мы создаём, но и в нашем собственном организме.
Но скромные элементы тоже заслуживают своей минуты славы, верно?
Всем добра.