カルシウム 化学特性,用途語,生産方法
性質
カルシウムの融点は842°C、沸点は1,484°Cであり、室温付近での密度は1.550g/cm3、融点における液体密度は1.378g/cm3です。
酸化数はほぼ+2です。空気中に単体のカルシウムを放置すると、水、酸素、二酸化炭素などと反応します。そのため、不活性ガスを充填するか、鉱油中に保存します。
溶解性
水と反応, エタノールを分解。エタノール、塩酸、硝酸及び硫酸に水素を発生して溶ける。
解説
Ca．原子番号20の元素．電子配置1s22s22p63s23p64s2の周期表2族元素．原子量40.08．6種類の安定同位体(40Ca，42Ca，43Ca，44Ca，46Ca，48Ca)と6種類の放射性同位体が知られている．1808年H. Davy(デイビー)が塩化カルシウムの融解電解により遊離した．Davyは古くから知られている石灰calx(ラテン名)から元素名をとった．宇田川榕菴は天保8年(1837年)の「舎密開宗」のなかで，加爾究母(カルキウム)カルキ，メタールとしている．天然には遊離状態では存在せず，炭酸塩，硫酸塩，フッ化物，リン酸塩，ケイ酸塩として多量に存在する．地殻中の存在度52900 ppm．海水中に0.04％，河川の溶解物中に20％ 含まれている．骨，歯などの主成分である．塩化カルシウムと塩化カリウムの混合物の融解電解により得られ，真空蒸留により精製する．常温では，銀白色の軟らかい金属で展性・延性がある．面心立方格子構造．格子定数a＝0.557 nm．250 ℃ 以上で六方最密充填構造，450 ℃ 以上で体心立方格子構造になる．融点839 ℃，沸点1480 ℃．密度1.55 g cm－3(20 ℃)．融解熱9.2 kJ mol－1，蒸発熱150 kJ mol－1．炎色反応は橙赤色．常温で酸素，ハロゲンと直接化合する．水と反応して水素を発生し，水酸化カルシウムとなる．塩酸，硝酸，硫酸とはげしく反応し，その酸のカルシウム塩を生じる．高温では酸素，窒素，硫黄，ハロゲン，セレン，リン，ヒ素，炭素，ケイ素，ホウ素と直接化合する．液体アンモニアに溶け，水銀とはアマルガムをつくり，多くの金属と合金をつくる．還元性が強く，多くの有機物や金属酸化物を還元する．高真空用ゲッターに用いられるほか，脱酸剤，脱硫剤，脱りん剤として金属や合金の精錬に，また脱窒素剤として希ガスの精製などに用いられる．還元剤としてはジルコニウム，ウラン，トリウムの製造に用いられる．アルミニウムとの合金は軸受メタルに，鉛との合金はバッテリ用の電極に，マグネシウムとの合金は耐熱合金に用いられる．[CAS 7440-70-2]
森北出版「化学辞典（第2版）
用途
金属?合金の脱酸剤、鉄系合金の脱硫?脱酸剤、稀ガスの精製
用途
製鋼の脱硫、脱酸剤、磁石・・レアメタルの還元剤
用途
比較的融点が高く、蒸発しにくいので銅、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、クロムなど多くの金属及び合金の脱酸剤、鉄系合金の脱硫、脱酸剤。チタン、バナジウム、ジルコニウム、クロム、トリウム、ウランなどの金属を製造する際の還元剤。ナトリウムで活性化すれば窒素と結合しやすくなるので、アルゴン、ヘリウムなど希ガスの精製に使用。高真空を得るためのゲッターにも使用される。合金元素としての用途は鉛に添加すると非常に硬化し高温カタサもホワイトメタルより高くなるので軸受合金に使用。特殊鋼に添加すれば炭化物の形成を押え、結晶粒度の調節剤となる。マグネシウム鋳物に添加して表面をきれいにし、結晶粒を微細化する。8%程度のCaを含んだAl-Ca合金は軽く、加工性よく、被切削性も良好と報告されている。アルミニウムの再生地金の溶解に添加すればSn，Bi，Sb，Si，Pbなどの不純物を除去する。Ca-Zn合金は有機化学の還元剤などに使用される。
構造
カルシウムは第2族元素で、アルカリ土類金属の1種です。元素記号はCaで、原子量は40.08です。温度によって、3つの結晶構造があります。250°C以下では立方最密充填構造が、250〜450°Cでは六方最密充填構造が、450〜839°Cでは体心立方格子が最も安定な構造です。
カルシウムには、安定同位体が4種あります。40Ca、42Ca、43Ca、44Caです。割合は40Caが96.94％、44Caが2.086％、42Caが0.647％、43Caが0.135％です。それ以外にも、地球上には46Caと48Caという2種の長寿命の放射性同位体が存在します。
また、宇宙線由来の中性子を40Caが捕獲すると41Caが生じるため、天然に微量放射性同位体として存在しています。さらに、人工的にカルシウムの同位体を作ることも可能です。
使用上の注意
不活性ガス封入
化学的特性
Calcium is a silvery-white metal when freshly cut, which tarnishes to a blue-gray color in air. It can also be found as a powder.
Calcium cations (Ca2+ ) and calcium salts are among the most commonly encountered substances in water, arising mostly from dissolution of minerals. Calcium often is the most abundant cation in river water. Among the most common calcium minerals are the two crystalline forms of calcium carbonate-calcite and aragonite (CaCO 3 , limestone is primarily calcite), calcium sulfate (the dehydrated form, CaSO4 , is anhydrite; the hydrated form, CaSO4.2H2O, is gypsum), calcium magnesium carbonate (CaMg(CO3) 2 , dolomite), and, less often, calcium fluoride (CaF2 , fluorite).
物理的性質
Bright, silvery-white metal; face-centered cubic crystal structure (α = 0.5582 nm) at ordinary temperatures, transforming to body-centered cubic form (α = 0.4407) at 430°C; density 1.54 g/cm
3 at 20°C; hardness 2 Mohs, 17 Brinnel (500 kg load); melts at 851°C; vaporizes at 1,482°C; electrical resistivity 3.43 and 4.60 microhm-cm at 0° and 20°C, respectively; modulus of elasticity 3-4x106 psi; mass magnetic susceptibility +1.10x10-6 cgs; surface tension 255 dynes/cm; brick-red color when introduced to flame (flame test); standard reduction potential E° = -2.87V.
使用
Calcium is used as a deoxidizer for copper,steel, and beryllium in metallurgy; to hardenlead for bearing; and in making alloys.
調製方法
Calcium may be obtained by electrolytic or thermal reduction of its salts.Electrolytic reduction involves electrolysis of partially molten calcium chloride at 780° to 800°C in a graphite lined steel vessel. The method requires precise control of temperature and current. The solid deposit of metal produced may contain entrapped salt and impurities such as chlorine and nitrogen. It is re-melted to reduce impurity levels.
Currently, thermal reduction processes have replaced the electrolysis method. The starting material in these methods is limestone, which is calcined to produce calcium oxide. The latter is ground, mixed and compacted with aluminum, and reduced at temperatures between 1,000° to 1,200°C under vacuum. Calcium vapors formed in low yield under such thermodynamic conditions are transferred from the reactor and condensed in cool zones, thus shifting the equilibrium to allow formation of more calcium vapors. The reactions are as follows:
4Ca + 2Al → CaO?Al
2O
3 + 3Ca (vapor)
6Ca + 2Al → 3CaO?Al
2O
3 + 3Ca (vapor).
定義
Alkaline-earth element of atomic number 20, group
IIA of the periodic table. Aw 40.08. Valence 2. Six
stable isotopes.
一般的な説明
A silvery, soft metal that turns grayish white on exposure to air. Used in metallurgy.
空気と水の反応
Pyrophoric ignites in air when finely divided, then burns with crimson flame [Merck 11th ed. 1989]. Calcium rapidly decomposes in water, the heat of reaction is sufficient that hydrolysis released hydrogen may ignite [Lab. Gov. Chemist 1966].
反応プロフィール
Boron trifluoride reacts with incandescence when heated with alkali metals or alkaline earth metals except magnesium [Merck 11th ed. 1989]. Calcium reacts violently with acids [Lab. Govt. Chemist 1965]. Finely divided Calcium burns spontaneously in chlorine at elevated temperatures [Mellor 3:637, 638, 651 1946-47]. Finely divided or massive Calcium burns spontaneously in fluorine at ordinary temperatures. Calcium is incompatible with metal oxides, alkali metal hydroxides, chlorine fluorides, dinitrogen tetraoxide, and sulfur(with sulfur reacts explosively when ignited) [Bretherick, 5th Ed., 1995].
危険性
Evolves hydrogen with moisture.
Flammable in finely divided state. Fire and
explosion hazard when heated or on contact with
strong oxidizing agents.
健康ハザード
Calcium is an essential nutrient for plants and animals, essential for bone, nervous system, and cell development. Recommended daily intakes for adults are between 800 and 1200 mg/day. Most of this is obtained in food; drinking water typically accounts for 50–300 mg/day, depending on the water hardness and assuming inges- tion of 2 L/day. Calcium in food and water is essentially nontoxic. A number of stud- ies suggest that water hardness protects against cardiovascular disease. One possible adverse effect from ingestion of high concentrations of calcium for long periods of time may be a greater risk of kidney stones. The presence of calcium in water decreases the toxicity of many metals to aquatic life. Stream standards for these met- als are expressed as a function of hardness and pH. Thus, the presence of calcium in water is beneficial and no limits on calcium have been established for protection of human or aquatic health.
火災危険
Produce flammable gases on contact with water. May ignite on contact with water or moist air. Some react vigorously or explosively on contact with water. May be ignited by heat, sparks or flames. May re-ignite after fire is extinguished. Some are transported in highly flammable liquids. Runoff may create fire or explosion hazard.
使用用途
カルシウムは、各種カルシウム塩として、さまざまな用途に用いられています。は道路の凍結防止剤に、はチョーク、排煙脱硫、飼料等に利用されます。
酸化カルシウム (生石灰) は、乾燥剤やとして、さらに欧米等ではパン生地調整剤やイーストフード等として使用されている食品添加物です。また、 (消石灰) は、酸性土壌の中和剤やこんにゃくの凝固剤など、食品添加物として用いられています。
化学反応
空気中でカルシウムを加熱すると、炎を出して燃焼します。カルシウムに水を加えると水素が発生し、水酸化カルシウム水溶液 (石灰水) が生成します。水酸化カルシウム水溶液に二酸化炭素を加えると、炭酸カルシウムの白色沈殿を得ることが可能です。ただし、二酸化炭素を過剰に通すと沈殿は溶解します。
可逆的な反応なので、加熱によって再び炭酸カルシウムの沈殿に戻ります。1,170°C以上に炭酸カルシウムを熱すると、酸化カルシウムを生成可能です。酸化カルシウムを水と反応させると、水酸化カルシウムになります。
気相中でカルシウムとハロゲンの反応によって、ハロゲン化物を得ることも可能です。カルシウムをアルコールに溶かすと、カルシウムアルコキシドが生成されます。カルシウムが液体アンモニアに溶けると溶液は青色になり、アンモニアの蒸発によってヘキサアンミンカルシウムが得られます。
ソースです
主にカルシウムは炭酸カルシウムとして、世界中の大理石や石灰岩などの塊状鉱床に含まれています。現在カルシウムは、地球温暖化の原因とされている二酸化炭素を、炭酸カルシウムの形で封じ込めるため、注目を集めています。
その一方でカルシウムは、ヒトなどの生物に必要となる、代表的なミネラルです。例えば、真核細胞生物には必須元素で、植物にも肥料として必要です。ただし、カルシウムのサプリメントによって、認知症になる可能性が高まると報告されています。
作用機序
About 48% of serum calcium is ionic, ca 46% is bound to blood proteins, the rest is present as diffusible complexes, e.g., of citrate. The calcium ion level must be maintained within definite limits.
Bones act as a reservoir of certain ions, in particular Ca2+ and PO4
3-, which readily exchange between bones and blood. Bone structure comprises a strong organic matrix combined with an inorganic phase which is principally hydroxyapatite, 3Ca3(PO4)2·Ca(OH)2. Bones contain two forms of hydroxyapatite. The less soluble crystalline form contributes to the rigidity of the structure. The crystals are quite stable, but because of the small size present a very large surface area available for rapid exchange of ions and molecules with other tissues. There is also a more soluble intercrystalline fraction. Bone salts also contain small amounts of magnesium, sodium, carbonate, citrate, chloride, and fluoride. Osteoporosis is reported to result when bone resorption is relatively faster than bone formation. The calcium ion, necessary for blood-clot formation, stimulates release of bloodclotting factors from platelets.
職業ばく露
Calcium is used as a raw material for
aluminum, copper, and lead alloys.
発がん性
No studies on the carcinogenicity
of elemental calcium were noted. The carcinogenicity of
calcium chromate is attributed solely to intracellular soluble
chromium.
純化方法
Clean the metal by washing it with ether to remove adhering paraffin, file the surface in an argon-filled glove box, and wash it with ethanol containing 2% of conc HCl. Then wash it with dry ethanol, dry it in a vacuum and store it under pure argon [Addison et al. J Chem Soc 3868 1962].
不和合性
Forms hydrogen gas on contact with air;
finely divided material or dust may ignite spontaneously. A
strong reducing agent; reacts violently with water, acids,
strong oxidizers (such as chlorine, bromine, and fluorine),
alkaline carbonates, dinitrogen tetroxide; halogenated
hydrocarbons; lead chloride, halogens, alkaline hydroxides,
oxygen, silicon, sulfur, chlorine, fluorine, chlorine trifluoride, and many other substances. Reacts with water to produce flammable hydrogen gas
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