钙元素

引入

石灰石、生石灰、熟石灰有什么区别?它们之间如何转化?

为什么水壶用久了会有水垢?水垢的主要成分是什么?

钙在人体中除了构成骨骼,还有什么作用?

钙是地壳中含量第五多的元素,也是人体内含量最多的金属元素。从大理石到水泥,从骨骼到牙齿,钙的化合物在日常生活和建筑工业中无处不在。

正文

定义

钙（$\mathrm{Ca}$）是第 2 族（碱土金属元素）元素,原子序数 20,电子排布 $[\mathrm{Ar}]4s^2$,常见氧化态为 $+2$。

基本性质

性质	描述
原子序数	$20$
电子排布	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^2$
相对原子质量	$40.08$
常见氧化态	$+2$

钙单质

**物理性质:**银白色金属,密度 $1.55g/c{\mathrm{m}}^3$,熔点 $842{}^{\circ }\mathrm{C}$,质软。

**化学性质:**钙比镁更活泼。

$\mathrm{Ca}+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2+\mathrm{H}{}_2\uparrow$

钙与冷水即可反应,比镁活泼得多。

$2\mathrm{Ca}+\mathrm{O}{}_2\to 2\mathrm{CaO}$

$\mathrm{Ca}+\mathrm{Cl}{}_2\to \mathrm{CaCl}{}_2$

钙单质在工业上应用不多,但其化合物极为重要。

钙的重要化合物

石灰系列

名称	化学式	俗称	说明
碳酸钙	$\mathrm{CaCO}{}_3$	石灰石、大理石	白色固体,不溶于水
氧化钙	$\mathrm{CaO}$	生石灰	白色固体,与水反应放热
氢氧化钙	$\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2$	熟石灰、消石灰	微溶于水的白色粉末

石灰的转化:

$\mathrm{CaCO}{}_3\stackrel{高温}{\to }\mathrm{CaO}+\mathrm{CO}{}_2\uparrow$（石灰石煅烧制生石灰）

$\mathrm{CaO}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2$（生石灰与水反应,放出大量热）

$\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2+\mathrm{CO}{}_2\to \mathrm{CaCO}{}_3\downarrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$（石灰浆硬化,建筑上用于砌砖、粉刷）

氢氧化钙:

• 微溶于水,饱和溶液叫石灰水
• 石灰水通入 $\mathrm{CO}{}_2$ 变浑浊（检验 $\mathrm{CO}{}_2$ 的方法）:$\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2+\mathrm{CO}{}_2\to \mathrm{CaCO}{}_3\downarrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$
• 继续通入 $\mathrm{CO}{}_2$,沉淀溶解:$\mathrm{CaCO}{}_3+\mathrm{CO}{}_2+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Ca}(\mathrm{HCO}{}_3){}_2$

硫酸钙

$\mathrm{CaSO}{}_4$ 有两种常见形式:

形式	化学式	用途
生石膏	$\mathrm{CaSO}{}_4\cdot 2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	制石膏模型、石膏绷带
熟石膏	$2\mathrm{CaSO}{}_4\cdot \mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	加水后硬化

$2\mathrm{CaSO}{}_4\cdot 2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{150{}^{\circ }\mathrm{C}}{\to }2\mathrm{CaSO}{}_4\cdot \mathrm{H}{}_2\mathrm{O}+3\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

$2\mathrm{CaSO}{}_4\cdot \mathrm{H}{}_2\mathrm{O}+3\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to 2\mathrm{CaSO}{}_4\cdot 2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$（加水硬化）

氯化钙

$\mathrm{CaCl}{}_2$ 极易溶于水,吸湿性强,常用作干燥剂和融雪剂。

水垢与硬水

**硬水:**含有较多 $\mathrm{Ca}{}^{2+}$、$\mathrm{Mg}{}^{2+}$ 的水。

水垢的形成:

$\mathrm{Ca}(\mathrm{HCO}{}_3){}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{CaCO}{}_3\downarrow +\mathrm{CO}{}_2\uparrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

$\mathrm{Mg}(\mathrm{HCO}{}_3){}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{MgCO}{}_3+\mathrm{CO}{}_2\uparrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

$\mathrm{MgCO}{}_3+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{Mg}(\mathrm{OH}){}_2\downarrow +\mathrm{CO}{}_2\uparrow$

水垢的主要成分是 $\mathrm{CaCO}{}_3$ 和 $\mathrm{Mg}(\mathrm{OH}){}_2$。

硬水的软化:

• 加热煮沸（去除暂时硬度）
• 加石灰-纯碱法
• 离子交换法（家用净水器）

钙的存在与提取

自然界存在:

• 石灰石/大理石/方解石（$\mathrm{CaCO}{}_3$）
• 石膏（$\mathrm{CaSO}{}_4\cdot 2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$）
• 萤石（$\mathrm{CaF}{}_2$）
• 磷灰石（$\mathrm{Ca}{}_5(\mathrm{PO}{}_4){}_3\mathrm{F}$）

钙与人体

功能	说明
骨骼和牙齿	人体 $99\%$ 的钙存在于骨骼和牙齿中（羟基磷灰石）
肌肉收缩	$\mathrm{Ca}{}^{2+}$ 参与肌肉收缩的信号传导
血液凝固	$\mathrm{Ca}{}^{2+}$ 是凝血过程的必需因子
神经传导	参与神经递质的释放

缺钙:

• 儿童:佝偻病、发育迟缓
• 成人:骨质疏松、抽筋
• 老年人:骨折风险增加

补钙:

• 食物来源:牛奶、豆制品、小鱼干、深绿色蔬菜
• 维生素 D 促进钙吸收（晒太阳或补充鱼肝油）

引出

碳酸钙的热分解温度为什么比碳酸镁高?

石灰岩溶洞（钟乳石、石笋）是如何形成的?

为什么补钙时要同时补充维生素 D?

参考:碱土金属元素、镁元素、沉淀溶解平衡