鈣

鈣（calcium）是一種金屬元素，元素符號為Ca，相對原子質量為40.078。鈣單質是銀白色軟金屬，暴露在空氣中會變成灰白色6，密度為1.54g/cm3，熔點839℃，沸點1484℃7。鈣元素位于元素周期表中ⅡA族，屬于堿土金屬，化學性質活潑。其在空氣中燃燒生成氧化鈣和氮化鈣，與熱水劇烈反應釋放氫氣，可與鹵素、硫、氮等非金屬單質發(fā)生反應。能熱還原幾乎所有的金屬氧化物。1自然界中，鈣以碳酸鹽、硫酸鹽等形式存在，如方解石(CaCO3)、石膏(CaSO4·2H2O)。7

鈣是生物體的常量元素之一，在細胞的信號轉導等方面發(fā)揮著重要作用。人體中99%鈣的在骨骼中，鈣攝入量低可能會導致骨質疏松等問題。8

金屬鈣可作為還原劑，用來制備其他金屬；用作脫水劑，制造無水酒精；在石油工業(yè)中用作脫硫劑；在冶金工業(yè)中可用于去氧或去硫。4

研究簡史

長期以來，化學家們將從含碳酸鈣的石灰石焙燒獲得的鈣的氧化物當作是不可再分割的物質，直至戴維于1808年開始對氧化鈣進行電解。1808年5月，戴維從貝齊里烏斯和蓬丁電解生石灰和水銀的混合物中取得鈣的實驗中獲得了啟發(fā)，他將濕潤的生石灰和氧化汞按3比1的比例混合后，放置在一鉑片上，與電池的正極相接，然后將混合物做出一個凹陷，灌入水銀，插入鉑絲，與電池的負極相接，電解之后得到了較大量的鈣汞合金。隨后，戴維把鈣汞合金蒸餾，得到了銀白色的金屬鈣。從此鈣被確定為元素，并被命名為calcium。calcium來自拉丁文中表示生石灰的詞calx。9

理化性質

物理性質

鈣為銀白色柔軟輕金屬，質比鈉硬，比鋁、鎂軟，富延展性，相對密度為1.54g/cm3，熔點839℃，沸點1484℃。常溫時，鈣晶體呈面心立方體。熔化熱9.204kJ/mol，蒸發(fā)熱189.09kJ/mol，磁化率1.08×10-6，晶格常數(shù)a=0.5565nm。3焰色為橙紅。7面心立方的α-Ca在464℃轉變?yōu)榱浇Y晶γ-Ca。21

化學性質

鈣屬于堿土金屬，具有堿土金屬的化學性質。其外圍電子排布為[Ar]4s2。20總的來說化學性質非常活潑，具有很強的還原能力，易與鹵素、硫、氮等化合。加熱時能還原幾乎所有的金屬氧化物。易燃。鈣在空氣中被氧化逐漸變暗，鈣愈純變暗得愈慢。21

• 氧化反應

金屬鈣的表面覆蓋了一層很薄的氧化物，這使得鈣可以免受空氣的進一步侵蝕。鈣在元素周期表中緊靠在鎂的下邊，在空氣中比鎂有更大的反應活性。在空氣中點燃金屬鈣會發(fā)生燃燒，生成氧化鈣（CaO）和氮化鈣（Ca3N2）的混合物。2

鈣和鍶和鋇一樣能生成過氧化物過氧化鈣CaO2，但它不能通過氧化鈣單質制得。不過它們都能通過液相制備，然后從金屬鹽溶液中以MO2·8H2O形式沉淀析出。鈣、鍶和鋇的過氧化物隨著原子半徑的增大其穩(wěn)定性增強。20

• 鈣與水的反應

鈣會與水緩慢地反應，這與在元素周期表中緊靠在鈣上方的鎂不同，后者實際上不與冷水發(fā)生反應。這個反應生成氫氧化鈣[Ca(OH)2]和氫氣。金屬鈣會在水中下沉，大約1h之后，會明顯出現(xiàn)附著在金屬表面的氫氣氣泡。2

類似地，如果把水換成醇ROH也可以反應，生成醇鹽Ca(OR)2。20

• 鈣與鹵素單質的反應

金屬鈣同鹵素單質氟氣（F2）、氯氣（Cl2）、溴單質（Br2）和碘單質（I2）劇烈反應，分別生成二鹵化物氟化鈣（Ⅱ）（CaF2）、氯化鈣（Ⅱ）（CaCl2）、溴化鈣（Ⅱ）（CaBr2）和碘化鈣（Ⅱ）（CaI2）。同溴和碘的反應需要加熱，以確保能夠生成產物。2

• 鈣與酸的反應

金屬鈣能迅速溶解在稀鹽酸中，生成氫氣和包含鈣（Ⅱ）離子的水溶液。2

• 鈣與氫氣的反應

鈣在加熱時能與氫直接化合，生成離子型氫化物氫化鈣CaH2，鈣比鋇更容易反應20：

CaH2為白色晶體，在干燥空氣中穩(wěn)定，是很強的還原劑，在工業(yè)規(guī)模的還原反應中用作氫氣源，制備硼、鈦、釩和其他單質，而且也可用作微量水的干燥劑。在其他化學工業(yè)中和科學研究中都有廣泛應用。

CaH2受熱時可以分解為氫氣和游離金屬，也易與水反應產生氫氣，原因是H-與水解離出的H+結合成為H2 :7

• 與液氨反應

與堿金屬一樣，鈣可以溶于液氨，生成溶劑合電子和鈣離子，形成具有較好導電性的深藍色溶液，含等當量的堿土金屬和堿金屬液氨溶液，有相同的可見光譜，這種光譜來自與溶劑化電子有關的躍遷20：

該溶液可發(fā)生與鈣金屬本身類似的化學反應，但不穩(wěn)定，特別是過渡金屬化合物的存在可催化其分解為氨基化鈣。但在無水，不接觸空氣及不存在過渡金屬化合物的條件下，其溶液可在液氨沸點溫度（-33℃）下長時間保存。7

• 與二氧化碳反應

與鍶和鋇類似，鈣在高溫下與二氧化碳反應生成碳化鈣和氧化鈣：20

鈣跟碳在高溫下反應也能生成碳化鈣CaC2。21

• 鈣離子的鑒定

若溶液中含有Ca2+，則加入草酸銨[(NH4)2C2O4]后會生成白色沉淀：7

相關化合物

• 氧化鈣與氫氧化鈣

氧化鈣俗稱生石灰或石灰，白色結晶固體，是重要的建筑材料，在冶煉廠中用作助熔劑，以除去硫、磷、硅等雜質。在化工中用作制取電石（CaC2）的原料，還可用作生產鈣的化學試劑，用于污水處理、造紙等，其產量次于硫酸。

氧化鈣可以由它的碳酸鹽或硝酸鹽加熱分解得到，一般是通過加熱碳酸鈣來制備：

氧化鈣可與水反應生成氫氧化鈣（Ca(OH)2），并釋放出大量熱：

Ca(OH)2為白色固體，易潮解，是一種強堿，對纖維、皮膚有強烈的腐蝕作用。Ca(OH)2的溶解度不大，且隨溫度升高而減小。在空氣中吸收CO2生成碳酸鈣（CaCO3）。7

• 硫酸鈣

二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O）稱為石膏，又稱生石膏，白色粉末，微溶于水。在120℃下經煅燒、部分脫水，可得到半水硫酸鈣（CaSO4·1/2H2O，又稱熟石膏），也為白色粉末，有吸潮性，熟石膏粉末與水混后可形成塑性易澆砌漿體，隔一定時間后硬化成堅固石狀體，并微量膨脹、放熱，故可用來制造模型、塑像、粉筆和石膏繃帶等，還用于生成某些涂料、陶器。二水硫酸鈣的工業(yè)生產是使用氯化鈣與硫酸鐵反應。7

制備方法

熔鹽電解法和金屬熱還原法是工業(yè)上生產金屬鈣的主要方法，其所能產出的金屬鈣的純度大多在99%~99.9%，但能耗較大，成本較高。高純金屬鈣制備的首選方法是真空蒸餾法，該方法可以將工業(yè)金屬鈣轉為純度大于99.999%的高純金屬鈣。10

電解法是國內金屬工業(yè)化生產的主要方法，其原理是基于金屬鈣與雜質元素不同的電極電位，在電解過程中陽極的選擇性放電和陰極的選擇性沉積。國內外工業(yè)上生產金屬鈣主要采用氯化鈣的熔鹽電解。通常是以含鈣10%~15%的銅鈣合金液體作陰極，石墨電極作陽極，電解氯化鈣熔體制取富含鈣的鈣銅合金。電解過程可在較低的溫度（700℃）下進行，獲得的鈣銅合金含鈣范圍較寬（65%）。所得鈣銅合金經蒸餾后獲得金屬鈣。11

先由石灰石與鹽酸反應得到氯化鈣：工業(yè)上，金屬鈣可以通過電解熔融的氯化鈣（CaCl2）來生產。2

陰極：

陽極：

氯化鈣可通過鹽酸與碳酸鈣的反應而得。氯化鈣也是索爾維法的副產品，這是以前生產碳酸鈉的方法。2

此外還有另一種制備鈣的途徑，就是用鋁還原氧化鈣（CaO），或用金屬鈉還原氯化鈣（CaCl2），這種方法一般用于少量設備。2

熱還原法主要為鋁熱還原法和硅熱還原法，過程分為石灰石煅燒和石灰的還原兩個步驟。將氧化鈣、鋁粉及礦化劑按配比壓制成球，烘干后投入真空電爐中冶煉，使氧化鈣還原成鈣蒸氣，經冷凝后制得金屬鈣。相比之下，此工藝具有一定的節(jié)能效果，且成本相對較低、投資較少。

應用領域

工業(yè)用途

金屬鈣具有高負電性、化學性質活潑等特性，在冶金、石油化工、電池能源等領域均有廣泛的應用12。高純鈣是制備許多高純金屬和稀土材料的還原劑，在原子工業(yè)和國防軍工領域有著不可或缺的作用。1310

金屬鈣可用作脫氧劑、還原劑、脫硫劑、脫碳劑及油類脫水劑等。也用于生產氫化鈣、合金電極、蓄電池及維生素A等。鈣用作高溫熱還原劑，可從氧化物、鹵化物中制取金屬鉻、釷、鈾、稀土元素、鋯，以及磁性材料釤鈷合金、吸氫材料鑭鎳合金和鈦鎳合金等。鈣還可用作冶煉錫青銅、鎳、鋼的脫氧劑、有機溶劑的脫水劑、石油精制的脫硫劑、純制惰性氣體（如氦）的除氮劑，分解具有惡臭的噻吩和硫醇。3

Ca–Si合金加入鋼中，可以阻止碳化物生成。含鈣0.04%的鉛鈣合金有較高硬度和耐蝕性能，用作電纜線外皮和蓄電池鉛板；鋁合金中加入鈣，可增強塑性。3

生理功能

鈣是生物體的常量元素之一，在細胞的信號轉導等方面發(fā)揮著重要作用。它是一種次級信使，可與多種細胞蛋白相互作用，調節(jié)各種生理過程，并在病毒感染等疾病中發(fā)揮作用14。骨骼是鈣元素的主要儲存場所，并在受控條件下將Ca2+離子釋放到血液中。血液中的鈣一部分以Ca2+離子的形式游離存在，一部分與血清白蛋白等血液蛋白結合。

人體中99%鈣的在骨骼中，鈣攝入量低可能會導致骨質疏松等問題。日常生活中，如果鈣攝入不足，人體就會出現(xiàn)生理性鈣透支，造成血鈣水平下降。在缺鈣初期，可能只會發(fā)生可逆性生理功能異常，如心臟出現(xiàn)室性早博、情緒不穩(wěn)定、睡眠質量下降等反應。當血鈣水平下降到一定閾值時，就會促使甲狀旁腺分泌甲狀旁腺素。甲狀旁腺素具有破骨作用，即將骨骼中的鈣反抽調出來，維持血鈣水平，但骨鈣持續(xù)大量釋出會導致骨質疏松和骨質增生。1516

鈣最容易吸收的形式是鈣鹽，如碳酸鈣或磷酸鈣。對于孕婦，則葡萄糖酸鈣和乳酸鈣更好。老年人更適合乳酸鈣、葡萄糖酸鈣和檸檬酸鈣。富含鈣的食物有芹菜、油菜、羊肉和雞肉，以及各種魚蝦類水產品和大部分干果等。15

分布情況

地殼中鈣含量為4.15%，占第五位，也是第三豐富的金屬，僅次于鋁和鐵。主要的含鈣礦物有石灰石CaCO3、白云石CaCO3·MgCO3、石膏CaSO4·2H2O、螢石CaF2、磷灰石Ca5(PO4)3F等。蛋殼、珍珠、珊瑚、一些動物的殼體和土壤中都含有鈣。海水中氯化鈣占0.15%。

計算化學數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)21：

1.疏水參數(shù)計算參考值（XlogP）:無

2.氫鍵供體數(shù)量:0

3.氫鍵受體數(shù)量:0

4.可旋轉化學鍵數(shù)量:0

5.互變異構體數(shù)量:無

6.拓撲分子極性表面積0

7.重原子數(shù)量:1

8.表面電荷:0

9.復雜度:0

10.同位素原子數(shù)量:0

11.確定原子立構中心數(shù)量:0

12.不確定原子立構中心數(shù)量:0

13.確定化學鍵立構中心數(shù)量:0

14.不確定化學鍵立構中心數(shù)量:0

15.共價鍵單元數(shù)量:1

安全事宜

注：以下為鈣金屬粉的安全事項。因為大塊的鈣金屬在正常情況下不太可能燃燒或與水發(fā)生強烈反應。只有粉末狀鈣金屬才