Cálcio: propriedades, estrutura, obtenção, usos - Ciência - 2023

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o cálcio É um metal alcalino-terroso que pertence ao grupo 2 da tabela periódica (Sr. Becambara). Este metal ocupa o quinto lugar em abundância entre os elementos presentes na crosta terrestre; atrás de ferro e alumínio. É representado pelo símbolo químico Ca e seu número atômico é 20.

O cálcio representa 3,64% da crosta terrestre e é o metal mais abundante no corpo humano, representando 2% do seu peso. Ele não é livre por natureza; mas faz parte de vários minerais e compostos químicos.

Por exemplo, ele é encontrado no mineral calcita, que por sua vez faz parte do calcário. O carbonato de cálcio está presente na terra como mármore, dolomita, casca de ovo, coral, pérolas, estalactites, estalagmites, bem como nas conchas de muitos animais marinhos ou caracóis.

Além disso, o cálcio faz parte de outros minerais, como gesso, anidrita, fluorita e apatita. Não é surpreendente, então, que seja sinônimo de ossos em um nível cultural.

Quando exposto ao ar, o cálcio fica coberto com uma camada amarelada, o produto de uma mistura de óxido de cálcio, nitreto e hidróxido. No entanto, recém-cortada, a superfície é brilhante, prateada-esbranquiçada. É macio com uma dureza na escala de Mohs de 1,75.

O cálcio desempenha inúmeras funções nos seres vivos, entre elas faz parte de compostos que determinam a estrutura e o funcionamento do sistema ósseo; intervém na cascata de coagulação por meio da ativação de vários fatores de coagulação, identificados como Fator IV.

Além disso, o cálcio está envolvido na contração muscular, permitindo a união de proteínas contráteis (actina e miosina); e facilita a liberação de alguns neurotransmissores, incluindo acetilcolina.

Quimicamente, quase sempre participa de seus compostos orgânicos ou inorgânicos, como o cátion divalente Ca²⁺. É um dos cátions com maior número de coordenação, ou seja, pode interagir com várias moléculas ou íons ao mesmo tempo.

História

Na antiguidade

Compostos de cálcio, como cal (CaO) ou gesso (CaSO₄) têm sido usados há milênios pelo homem, ignorando sua estrutura química. Cal como material de construção e gesso para fazer as esculturas foram usados 7.000 anos antes de Cristo.

Na Mesopotâmia, foi encontrado um forno de cal usado em 2.500 aC. Em um período próximo, o gesso foi usado durante a construção da Grande Pirâmide de Gizé.

Identificação e isolamento

Joseph Black (1755) explicou que a cal é mais leve que o calcário (carbonato de cálcio) que lhe dá origem. Isso ocorre porque ele perde dióxido de carbono durante o aquecimento.

Antoine Lavoiser (1787) concluiu que a cal deve ser um óxido de um elemento químico desconhecido.

Sir Humphrey Davy (1808) exatamente no ano em que descobriu o boro, fez o mesmo com o cálcio pela técnica de eletrólise, usada por Jakar Berzelius e Magnus Martin.

Davy isolou cálcio e magnésio usando o mesmo desenho experimental. Ele misturou o óxido de cálcio com o óxido de mercúrio (II) em uma placa de platina, usada como ânodo (+), enquanto o cátodo (-) era um fio de platina parcialmente submerso em mercúrio.

A eletrólise produziu um amálgama de cálcio e mercúrio. Para purificar o cálcio, o amálgama foi submetido a destilação. No entanto, não foi obtido cálcio puro.

Propriedades

Descrição física

Metal esbranquiçado prateado, muda para branco acinzentado quando exposto ao ar. No ar úmido adquire um turvo cinza azulado. Pó sólido ou seco. Estrutura cristalina centrada na face.

Peso atômico

40,078 g / mol.

Ponto de fusão

842 ° C

Ponto de ebulição

1.484 ° C

Densidade

-1,55 g / cm³ à temperatura ambiente.

-1,378 g / cm³ no estado líquido no ponto de fusão.

Calor de fusão

8,54 kJ / mol.

Calor da vaporização

154,7 kJ / mol.

Capacidade calórica molar

25,929 J / (mol · K).

Capacidade calórica específica

0,63 J / gK

Eletro-negatividade

1,0 na escala Pauling

Energia de ionização

-Primeira ionização 589,8 kJ / mol

-Segunda ionização 1.145 kJ / mol

-Terceira ionização 4,912 kJ / mol

-Quarta ionização 6.490,57 kJ / mol e há mais 4 energias de ionização.

Rádio atômico

197 pm

Raio covalente

176 ± 22h

Expansão térmica

22,3 µm / m · K a 20 ° C

Condutância térmica

201 W / m K

Resistividade elétrica

336 nΩ · m a 20 ° C.

Dureza

1,75 na escala de Mohs.

Isótopos

O cálcio tem 6 isótopos naturais: ⁴⁰AC, ⁴²AC, ⁴³AC, ⁴⁴AC, ⁴⁶Ca e ⁴⁸Isótopos sintéticos radioativos Ca e 19. Os isótopos mais abundantes são ⁴⁰Ca (96,94%), o ⁴⁴Ca (2.086%) e o ⁴²Ca (0,647%).

Reatividade

O cálcio reage espontaneamente com a água, produzindo hidróxido de cálcio e gás hidrogênio. Ele reage com o oxigênio e o nitrogênio do ar, produzindo respectivamente óxido de cálcio e nitreto de cálcio.Ao se dividir, ele queima espontaneamente no ar.

Quando o cálcio é aquecido, ele reage com o hidrogênio para formar um haleto. Ele também reage com todos os halogênios para formar haletos. Ele também reage com boro, enxofre, carbono e fósforo.

Estrutura e configuração eletrônica do cálcio

Os átomos de cálcio são unidos por ligações metálicas, contribuindo com seus dois elétrons de valência para a maré de elétrons. Assim, a interação entre os átomos de Ca e as bandas eletrônicas resultantes acaba definindo um cristal com estrutura cúbica centrada nas faces (ccc, em espanhol; ou fcc, em inglês, para cúbico centrado na face).

Se este cristal de cálcio for aquecido a uma temperatura em torno de 450 ° C, ele sofre uma transição para a fase hcp (hexagonal compacto, ou hexagonal mais próximo embalado) Ou seja, a estrutura torna-se mais densa, como se o movimento dos elétrons e as vibrações dos átomos contraíssem a distância que os separa.

O átomo de cálcio tem a seguinte configuração eletrônica:

[Ar] 4s²

O que explicaria que os dois elétrons de valência desse metal vêm de seu orbital 4s mais externo. Quando ele os perde, o cátion divalente Ca é formado²⁺, isoeletrônico ao gás nobre argônio; isto é, tanto Ar quanto Ca²⁺ eles têm o mesmo número de elétrons.

São os orbitais 4s do cálcio que se combinam para estabelecer a banda de valência desses cristais. O mesmo acontece com orbitais 4p vazios, que estabelecem uma banda de condução.

Obtendo

O cálcio é produzido comercialmente pela eletrólise do cloreto de cálcio fundido. As seguintes reações ocorrem nos eletrodos:

No ânodo: 2Cl^– (l) => Cl₂ (g) + 2e^–

O cálcio é depositado como um metal no cátodo pela captura de elétrons do cálcio iônico.

No cátodo: Ca²⁺ (l) + 2 e^– => Ca (s)

Em pequena escala, o cálcio pode ser produzido reduzindo o óxido de cálcio com alumínio ou cloreto de cálcio com sódio metálico.

6 CaO + 2 Al => 3 Ca + Ca₃Ao₂OU₆

CaCl₂ + 2 Na => Ca + NaCl

Formulários

Cálcio elementar

O cálcio é utilizado como aditivo na fabricação de bulbos de vidro, sendo adicionado ao bulbo durante sua fase inicial de fabricação. Também é adicionado no final para se combinar com os gases deixados no interior do bulbo.

É utilizado como desintegrador na produção de metais como cobre e aço. A liga de cálcio e césio é usada nas pederneiras dos isqueiros para gerar as faíscas. O cálcio é um agente redutor, mas também tem aplicações de desoxidação e desoxidação.

O cálcio é utilizado na preparação de metais como cromo, tório, urânio, zircônio e outros a partir de seus óxidos. É usado como agente de liga para alumínio, cobre, chumbo, magnésio e outros metais básicos; e como desoxidante para algumas ligas de alta temperatura.

Cálcio em liga com chumbo (0,04%) serve de revestimento para cabos telefônicos. É usado em liga de magnésio em implantes ortopédicos para prolongar sua vida útil.

Carbonato de cálcio

É um material de enchimento em cerâmica, vidro, plásticos e tintas, além de matéria-prima para a produção de cal. O carbonato sintético de alta pureza é usado medicinalmente como um antiácido e suplemento dietético de cálcio. Ele também é usado como aditivo em alimentos.

Óxido de cálcio

O óxido de cálcio é utilizado na construção civil, sendo utilizado no revestimento de paredes. Também é incorporado ao concreto. No século 19, blocos de óxido de cálcio foram queimados para iluminar os palcos com luz branca intensa.

Cal (novamente, óxido de cálcio) é usado para remover componentes indesejados, como dióxido de silício (SiO₂) presente em material de ferro. O produto da reação é o silicato de cálcio (CaSiO₃) chamada de “escória”.

A cal se combina com a água para formar hidróxido de cálcio; Este composto flocula e afunda, arrastando as impurezas para o fundo dos tanques.

O interior das chaminés é forrado com cal para eliminar os fumos das fábricas. Por exemplo, ele captura dióxido de enxofre (SO₂), que contribui para a chuva ácida e a transforma em sulfito de cálcio (CaSO₃).

Cloreto de cálcio

O cloreto de cálcio é usado para controlar o gelo da estrada; condicionador para tomate em conserva; fabricação de carrocerias de automóveis e caminhões.

Sulfato de Calcio

É comumente apresentado como CaSO₄2h₂O (gesso), sendo utilizado como condicionador de solo. O gesso calcinado é utilizado na fabricação de ladrilhos, placas e ripas. Ele também é usado para a imobilização de fraturas ósseas.

Fosfatos de cálcio

Os fosfatos de cálcio são encontrados em várias formas na natureza e são usados como fertilizantes. O sal ácido do cálcio (CaH₂PO₄) é usado como fertilizante e estabilizante para plásticos. O fosfato de cálcio é encontrado como parte do tecido ósseo, especialmente como hidroxiapatita.

Outros compostos de cálcio

Existem numerosos compostos de cálcio com várias aplicações. Por exemplo, o carboneto de cálcio é usado para obter acetileno, usado em tochas de soldagem. O alginato de cálcio é usado como agente espessante em produtos alimentícios, como sorvetes.

O hipoclorito de cálcio é usado como agente de branqueamento, desodorante, fungicida e algicida.

O permanganato de cálcio é um líquido propelente de foguete. É também utilizado como agente purificador de água e na produção têxtil.

Função biológica

O cálcio cumpre inúmeras funções nos seres vivos:

-Ele intervém na cascata de coagulação como Fator IV.

-É necessário para a ativação de vários fatores de coagulação, incluindo a trombina.

-No músculo esquelético, o cálcio libera a ação inibitória de um sistema protéico na contração muscular, permitindo a formação de pontes actina-miosina, o que causa a contração.

-Estabiliza os canais iônicos das células excitáveis. Na hipocalcemia, os canais de sódio são ativados, o que faz com que o sódio entre nas células, o que pode gerar uma contração sustentada (tetania) que pode ser letal.

-Além disso, o cálcio favorece a liberação do neurotransmissor acetilcolina nos terminais pré-sinápticos.

Riscos e precauções

Reage exotermicamente com água. Portanto, pode causar lesões graves na boca, esôfago ou estômago, uma vez ingerido.

Os trabalhadores estão expostos a este risco nos locais onde o elemento cálcio é produzido ou onde o metal é aplicado. Os cuidados são para se proteger com máscaras que evitem respirar o pó, roupas adequadas e ventilação.

A hipercalcemia é extremamente perigosa e pode ser causada principalmente por secreção excessiva de hormônio da paratireóide ou uma ingestão excessiva de vitamina D. Uma ingestão excessiva de cálcio, por exemplo, superior a 2,5 g / dia, raramente é uma causa de hipercalcemia .

O excesso de cálcio se acumula nos rins, causando cálculos renais e nefrose renal. Além disso, o acúmulo de cálcio nas paredes dos vasos sanguíneos modifica sua elasticidade, o que pode ser a causa da hipertensão, diminuição do fluxo sanguíneo e trombose.

Uma precaução básica é a inclusão da calcemia entre os exames laboratoriais, pois o médico observa características nos sintomas do paciente que o levam a suspeitar de hipercalcemia e iniciar o tratamento adequado.

Referências

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