Calci

Calci,  20Ca
Quang phổ vạch của calci
Tính chất chung
Tên, ký hiệu	Calci, Ca
Hình dạng	Ánh kim xám bạc
Calci trong bảng tuần hoàn
Mg ↑ Ca ↓ Sr Kali ← Calci → Scandi
Số nguyên tử (Z)	20
Khối lượng nguyên tử chuẩn (±) (Ar)	40,078(4)
Phân loại	kim loại kiềm thổ
Nhóm, phân lớp	2, s
Chu kỳ	Chu kỳ 4
Cấu hình electron	[Ar] 4s2
mỗi lớp	2, 8, 8, 2
Tính chất vật lý
Màu sắc	Ánh kim xám bạc
Trạng thái vật chất	Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy	1115 K ​(842 °C, ​1548 °F)
Nhiệt độ sôi	1757 K ​(1484 °C, ​2703 °F)
Mật độ	1,55 g·cm−3(ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng	ở nhiệt độ nóng chảy: 1,378 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy	8,54 kJ·mol−1
Nhiệt bay hơi	154,7 kJ·mol−1
Nhiệt dung	25,929 J·mol−1·K−1
Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở T (K) 864 956 1071 1227 1443 1755
Tính chất nguyên tử
Trạng thái ôxy hóa	+2, +1 ​Base mạnh
Độ âm điện	1,00 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa	Thứ nhất: 589.8 kJ·mol−1 Thứ hai: 1145.4 kJ·mol−1 Thứ ba: 4912.4 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trị	thực nghiệm: 197 pm
Bán kính liên kết cộng hóa trị	176±10 pm
Bán kính van der Waals	231 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể	​Lập phương tâm mặt
Vận tốc âm thanh	que mỏng: 3810 m·s−1 (ở 20 °C)
Độ giãn nở nhiệt	22,3 µm·m−1·K−1 (ở 25 °C)
Độ dẫn nhiệt	201 W·m−1·K−1
Điện trở suất	ở 20 °C: 33,6 n Ω·m
Tính chất từ	Nghịch từ
Mô đun Young	20 GPa
Mô đun cắt	7,4 GPa
Mô đun nén	17 GPa
Hệ số Poisson	0,31
Độ cứng theo thang Mohs	1,75
Độ cứng theo thang Brinell	167 MPa
Số đăng ký CAS	7440-70-2
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Calci
iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP 40Ca 96.941% 40Ca ổn định với 20 neutron 41Ca Vết 1,03×105 năm ε - 41K 42Ca 0.647% 42Ca ổn định với 22 neutron 43Ca 0.135% 43Ca ổn định với 23 neutron 44Ca 2.086% 44Ca ổn định với 24 neutron 45Ca Tổng hợp 162,7 ngày β− 0.258 45Sc 46Ca 0.004% >2.8×1015 năm β−β− ? 46Ti 47Ca Tổng hợp 4,536 ngày β− 0.694, 1.99 47Sc γ 1.297 - 48Ca 0.187% >4×1019 năm β−β− ? 48Ti

Calci (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp calcium /kalsjɔm/), còn được viết là canxi, là nguyên tố hoá học ký hiệu Ca, số thứ tự 20 trong bảng tuần hoàn. Nó là một kim loại kiềm thổ có nguyên tử khối là 40.

Calci là nguyên tố thiết yếu cho sinh vật sống, đặc biệt trong sinh lý học tế bào và tồn tại dưới 3 dạng trong máu: 50% dưới dạng ion Ca²⁺, gần 50% kết hợp với protein huyết tương, chủ yếu là albumin và chỉ còn rất ít dưới dạng phức hợp với phosphat, citrat, cacbonat. Ở đây có sự di chuyển ion Ca²⁺ vào và ra khỏi tế bào chất có vai trò mang tín hiệu cho nhiều quá trình tế bào. Là một khoáng chất chính trong việc tạo xương, răng và vỏ sò, calci là kim loại phổ biến nhất về khối lượng có trong nhiều loài động vật.

Đặc tính

Về hóa học, calci là một kim loại mềm và phản ứng mạnh (mặc dù chỉ cứng hơn chì, nó có thể bị cắt bằng dao một cách khó khăn). Nó là nguyên tố kim loại có màu bạc phải được tách ra bằng phương pháp điện phân từ muối nóng chảy như calci chloride. Khi được tạo ra, nó nhanh chóng hình thành một lớp áo oxide và nitrit màu trắng xám do tiếp xúc với không khí. Ở dạng khối, kim loại khó đốt cháy, thậm chí còn khó hơn các miếng magnesi; nhưng khi cắt ra, kim loại cháy trong không khí cho ngọn lửa cam-đỏ có độ chói cao. Kim loại calci phản ứng với nước tạo khí hydro với tốc độ nhanh đến mức có thể nhận biết được, nhưng không đủ nhanh ở nhiệt độ phòng để tạo ra nhiều nhiệt, do vậy nên nó rất hữu ích trong việc dùng sản xuất hydro. Tuy nhiên, khi ở dạng bột nó phản ứng với nước cực kỳ nhanh do diện tích bề mặt tiếp xúc tăng do ở dạng bột. Một phần phản ứng với nước bị chậm lại do nó tạo ra sản phẩm không hòa tan là calci hydroxide có tính bảo vệ.

Calci có tỉ trọng 1,55 g/cm³, là kim loại kiềm thổ nhẹ nhất; magie (1,74) và beryli (1,84) nặng hơn mặc dù chúng có số khối nhỏ hơn. Kể từ stronti trở đi, các kim loại kiềm thổ có tỷ trọng tăng theo số khối. Calci có hai đồng hình.

Calci có điện trở suất lớn hơn đồng và nhôm, tính trên cùng khối lượng, do nó có khối lượng riêng thấp hơn, nó cũng là chất dẫn điện tốt hơn hai loại trên. Tuy nhiên, trong thực tế nó ít khi được sử dụng bởi rất dễ phản ứng với không khí.

Các muối của calci không màu cho dù calci ở dạng nào đi nữa, và ion calci hòa tan (Ca²⁺) cũng không màu. Cùng với các muối của magnesi và các muối của kim loại kiềm thổ khác, các muối calci thường tan khá trong nước ngoại trừ calci hydroxide, calci sulfat, calci cacbonat và calci phosphat. Khi ở trong dung dịch, ion calci cho nhiều vị giác ấn tượng như mặn, chua, trơn.

Lịch sử

Vôi ở dạng vật liệu xây dựng đã được sử dụng từ thời tiền sử cách nay khoảng 7000 đến 14000 TCN. Lò vôi được định tuổi đầu tiên có niên đại 2500 TCN và được tìm thấy ở Khafajah Mesopotamia. Calcium (từ tiếng Latin calx, thuộc về calcis, nghĩa là "vôi") đã được biết từ rất sớm vào thế kỷ I khi người La Mã cổ đại điều chế vôi ở dạng calci oxide. Văn liệu năm 975 ghi nhận rằng calci sulfat là chất hữu ích trong việc hình thành xương. Nó không được tách biệt mãi cho đến năm 1808 ở Anh khi Sir Humphry Davy điện phân một hỗn hợp gồm vôi và thủy ngân oxide..

Ứng dụng

Calci là một thành phần quan trọng của khẩu phần dinh dưỡng. Sự thiếu hụt rất nhỏ của nó đã ảnh hưởng tới sự hình thành và phát triển của xương và răng. Thừa calci có thể dẫn đến sỏi thận (vì khi nồng độ cao dễ bị kết tinh gây ngưng trệ quá trình bài tiết). Vitamin D là cần thiết để hấp thụ calci. Các sản phẩm sữa chứa một lượng lớn calci.

Để hiểu thêm về vai trò của calci trong thế giới sự sống, xem thêm bài Calci trong sinh học.

Các ứng dụng khác còn có:

• Chất khử trong việc điều chế các kim loại khác như urani, zirconi hay thori.
• Chất chống oxy hóa, chống sulfide hóa hay chống carbide hóa cho các loại hợp kim chứa hay không chứa sắt.
• Một chất tạo thành trong các hợp kim của nhôm, beryli, đồng, chì hay magiê.
• Nó được sử dụng trong sản xuất xi măng hay vữa xây sử dụng rộng rãi trong xây dựng.
• Đồng vị calci-48 được sử dụng để tổng hợp một số nguyên tố siêu urani như nobeli hay oganesson.

Hợp chất

Vôi sống (CaO) được sử dụng trong nhiều quy trình làm sạch hóa học và được sản xuất bằng cách nung nóng đá vôi. Khi thêm nước vào vôi sống thì nó tạo ra vôi tôi Ca(OH)₂. Khi Ca(OH)₂ được trộn với cát nó tạo ra vữa sử dụng trong xây dựng, vữa này cứng lại khi để lâu trong không khí do carbon dioxide có phản ứng chậm với vôi tôi tạo ra cacbonat calci. Trộn với các chất khác, chẳng hạn đất sét và thạch cao khi bị nung nóng ở nhiệt độ cao, CaO tạo ra một thành phần quan trọng của xi măng Portland là cờ lanh ke (clinker).

Khi nước thấm qua đá vôi hoặc các loại đá cacbonat,nó hòa tan một phần của đá (do sự hiện diện của khí CO₂) và sinh ra các loại hình nhũ đá cũng như hình thành nên nước cứng. Các hợp chất quan trọng của calci là nitrat, sulfide, chloride, carbide, xyanua và hypôclorit calci.

Đồng vị

Calci có 6 đồng vị ổn định, hai trong chúng có nguồn gốc tự nhiên: đồng vị Ca⁴⁰ và đồng vị phóng xạ Ca⁴¹ với chu kỳ bán rã = 103.000 năm. 97% của nguyên tố này là ở dạng Ca⁴⁰. Ca⁴⁰ là một trong các sản phẩm sinh ra bởi sự phân rã của K⁴⁰, cùng với Ar⁴⁰. Trong khi tỷ lệ K/Ar được sử dụng rộng rãi trong địa chất học thì sự phổ biến của Ca⁴⁰ trong tự nhiên đã cản trở việc sử dụng chỉ số K/Ca này trong địa chất. Không giống như các đồng vị có nguồn gốc vũ trụ được tạo ra trong khí quyển, Ca⁴¹ được sản xuất do việc hấp thụ neutron của Ca⁴⁰. Phần lớn của việc tạo ra đồng vị này là ở những mét cao nhất hay ở những lớp đất đá mà ở đó các bức xạ neutron vũ trụ là đủ mạnh. Ca⁴¹ đã thu được sự chú ý của các nhà khoa học trong nghiên cứu các chòm sao vì Ca⁴¹ phân rã thành K⁴¹, một chỉ số quan trọng của các bất thường trong hệ Mặt Trời.

Calci trong sinh học

Calci là nguyên tố thiết yếu cho sự sống. Mức calci trong động vật có vú được kiểm soát chặt. regulated, Trong cơ thể thì 98% calci nằm ở xương và răng; 2% còn lại là ion calci nằm trong máu để thực hiện các chức năng thần kinh cơ, đông máu. Trong máu, Ca ở dưới 3 dạng: 50% dưới dạng ion Ca++, gần 50% kết hợp với protein huyết tương, chủ yếu là albumin và chỉ còn rất ít dưới dạng phức hợp với phosphat, citrat, carbonat.

Nếu tuyến cận giáp bị kích thích do thiếu calci, tuyến cận giáp phải liên tục tiết ra quá nhiều hooc môn, chức năng tuyến cận giáp làm việc quá mức nên không còn kiểm soát được nồng độ calci trong máu nữa, do vậy nồng độ calci trong máu tăng cao, dẫn đến loạn nhịp tim. Khi nhịp tim loạn thì tuyến giáp lại phải tiết ra hooc môn để giảm nồng độ calci trong máu, chuyển lượng calci thừa đó ra ngoài tới các tổ chức khác để duy trì ổn định nồng độ calci trong máu. Quá trình đó gọi là "calci di chuyển".

Phương trình

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

CaO + 2CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

CaCO₃ (t^o) → CaO + CO₂↑

Ca + 2HCl → CaCl₂ + H₂↑

CaO + 3C → CaC₂ + CO (xảy ra ở nhiệt độ 3.000 °C)

Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện truyền tải về Calci.

Các hợp chất Ca (Calci)