Противоречивый кальций

ПРОТИВОРЕЧИВЫЙ КАЛЬЦИЙ

Оглавление.

1.  Кальций и его значение.______________________________________4

1.1  История открытия________________________________________4

1.2  Нахождение в природе____________________________________5

1.3  Краеведческие сведения___________________________________6

1.4  Физиологические свойства_________________________________6

1.5  Экологическое значение___________________________________6

1.6  Применение кальция______________________________________9

2.  Экспериментальная часть_____________________________________9

2.1. Подготовка и проведение эксперимента______________________9

2.2. Обработка результатов____________________________________10

Заключение_________________________________________________11

Литература_________________________________________________12

Введение

Кальций всем нам очень знаком с самого детства. Но истинные масштабы значения, применения и использования этого металла вряд ли нам известно. Поэтому мы решили в своей работе рассказать об этом удивительном металле. Он имеет промышленное значение, необходим для всех живых организмов, но порой, приносит немалый вред в промышленных процессах.

Цель исследования: Изучение жесткости воды.

Задачи: Установить жесткость питьевой воды. Научиться устранять жесткость воды, обусловленной солями кальция.

Предмет исследования: Пробы воды, взятые из питьевых источников.

База исследования: Исследование проводилось на базе МОУ «ООШ с. Красная Речка», Пугачевского района, Саратовской области. Было проведено 5 опытов.

Значение исследование заключается в том, что кальций содержится не только в живых организмах как необходимый элемент, но и в воде, почве. Соли кальция ухудшают на качество воды, недостаток кальция в организме негативно влияет на здоровье человека.

1.Кальций, его значение.

1.1 История открытия и происхождения названия элемента.

Название кальций произошло от латинского calx (известь). В начале нашей эры были широко распространены слова, имеющие различное значение, но происходящие от приблизительно одинаковых латинских корней: cal, calk и calx. Кальксом (calx) называли известковый камень, мел, вообще камень галыши, но чаще всего строительный раствор на основе извести. Древние авторы Диоскорид. Витрувий и другие употребляли это слово, описывая процессы обжигания известкового калия, гашения извести и получения строительных растворов. У алхимиков calx обозначало, кроме этого, вообще продукты обжига различных веществ, в частности металлов; окислы металлов назывались металлическими известями, а операция обжига кальцинацией (Calcinatio). В древнерусской рецептурной литературе встречается слово «кал» (глина, грязь); в сборнике троице-Сергиевской лавры (XVв.) говорится: «обрящи кал, от него же творят златарие горнила.» Позднее слово кал служит синонимом, слова навоз, которое несомненно, связано со словом calx.

Изучение природы извести и вообще соединений кальция началось в XVIII веке. Шталь считал известь сложным телом, состоящим из землистого и водного начал. Биэк установил различие между едкой известью и углекислой известью, содержавший «фиксированный воздух». Лавуазье в «таблице простых тел» причисляет известь к простым телам. Элементарный кальций был получен Дэви в 1808 году.

После успешного разложения электролизом оксидов калия и натрия Дэви решил получить тем же путём щёлочноземельные металлы. Но это удалось ему не сразу. Сначала он постарался разложить известь путём электролиза на воздухе и под слоем нефти, затем прокаливал известь с металлическим калием в трубке и производил другие опыты. Наконец, в приборе с ртутным катодом он получил электролизом извести амальгаму, а из неё металлический кальций. Вскоре этот способ получения металла был усовершенствован Берцелиусом.

В русской литературе начала XIX века этот металл называли иногда основанием известковой земли, известковием (Щеглов, 1830), известковистью (Иовский), кальцием.

1.2 Нахождение кальция и его соединений в природе.

В земной коре кальций находится в виде смеси шести стабильных изотопов, из которых наиболее распространён 40Ca (96,97%)

Кальций один из наиболее распространённых элементов на Земле (1,5ат.%). Большая его часть содержится в виде силикатов алюмосиликатов в извержённых горных породах (граниты, гнейсы и др.) Из других пород наиболее распространены известняк и мел, состоящие в основном из минерала кальцита CaCO3. Значительно реже встречается окристаллизованная форма смеси кальцината и доломита мрамора. Широко распространены ангидрит CaSO4 и гипс CaSo4Ч2H2O. Важны для промышленности минералы флюорит CaF2, апатит Ca5(PO4)3(F, Cl, OH) и другие. В качестве продуктов выветривания минералов соединения кальция содержатся в большинстве природных вод и являются главной причиной их жёсткости.

1.3 Краеведческие сведения.

На территории нашей области находятся большие количества залежей карбонатов кальция (мел, известняк) (Вольский район).

В Саратовской области в достаточном количестве разведаны месторождения основных видов сырья, используемых в строительстве. В том числе это месторождения цементного сырья, мела. В основном они размещены в первую очередь вблизи крупных промышленных центров, где сосредоточена значительная часть предприятий по производству строительных материалов (Саратов, Балаково, Балашов, Вольск и Энгельс).

1.4. Физиологические свойства кальция.

Химические свойства соединений кальция таковы, что они способны в условиях нашей планеты достаточно легко переходить из нерастворимой в воде форму в растворимую и обратно. Водонерастворимый карбонат кальция из почвы в форме кислой водорастворимой соли Ca(HCO3)2 всасывается корнями растений. Часть кальция так и остается в корневой системе, в плодах картофеля сахарной свекле, моркови. Большая же часть кальция с питательными веществами поднимается в наземную часть растений, в зёрна плоды, ботву Земная масса дикорастущих трав сельскохозяйственных культур клевера, эспорцеты, тимофеевки, турнепса, кукурузы служит источником кальциевых соединений для скота.

Повышенное содержание кальция в пище животных приведет к её лучшему усвоению, более быстрому росту животных. Ведь рост тела не может происходить без увеличения роста костного скелета, а почти 20% массы костей составляет соли кальция (в составе костей 50% массы приходится на воду). Не случайно столь высоко содержащие кальция в молоке (0,7% в коровьем, 0,25% в материнском) основной пище и ребенка, и телёнка в начальный, особенно быстрый период роста после рождения. Некоторые люди в детском возрасте с удовольствием едят мел к неудовольствию их родителей, не знающих о потребности растущего организма в кальции. У взрослого человека средняя суточная потребность в кальции ~1г. Наивысшее содержание кальциевых солей в организме – в зубной эмали: 84% Ca3 (Po4) 8% Ca Co3,1%Ca F2. Столь высокое содержание неорганических веществ делает понятной очень высокую твердость зубной эмали, близкую к кварцу. Роль кальция в живом организме этим, однако, не ограничивается.

Содержащийся в крови кальций играет важнейшую роль в регулировки сердечной деятельности. Два вида ионов K+ и Са2+ оказывают на сердечную мышцу противоположное действие. Избыток K+ ослабляет или даже останавливает сокращение сердечной деятельности. Нарушение естественного для крови соотношения ионов K+и Ca2+ неизбежно ведет к тем или иным сердечным расстройствам.

Состояние невесомости вызывает постепенный переход кальция из костей в кровь и последующую потерю его с жидкими выделяющими организма. С этим связана одна из проблем длительных космических перелётов. Но и этой важной функцией не исчерпывается биологическая роль кальция. Кровь с пониженным содержанием ионов кальция на воздухе. Малейшая царапина привела бы организм к гибели из – за потери крови, если бы содержала ионы кальция. Свойство крови не свертываться в отсутствие ионов кальция нашло применение: кровь доноров, запасающую для переливания, освобождает от ионов кальция.

1.5. Экологическое значение кальция.

Жёсткость природных вод и её устранение.

Ввиду широкой распространённости кальция, соли его почти всегда содержатся в природной воде. Из природных солей кальция только гипс несколько растворим в воде, однако, если вода содержит диоксид углерода, то карбонат кальция тоже может переходить в раствор в виде гидрокарбоната Са(НСО3)2.

Природная вода, содержащая в растворе большое количество солей кальция или магния, называется жёсткой водой в противоположность мягкой воде, магния или совсем не содержащей их.

Суммарное содержание этих солей в воде называется её общей жёсткостью. Она подразделяется на карбонатную и некарбонатную жёсткость. Первая из них обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния, вторая –присутствием солей сильных кислот-сульфатов или хлоридов кальция и магния. При длительном кипячении воды, обладающей карбонатной жёсткостью, в ней появляется осадок, состоящей главным образом из СаСО3 , и одновременно выделяется СО2. Оба эти вещества появляются вследствие размножения гидрокарбоната кальция:

Са(НСО3)2 = СаСО3↓+СО2↑+Н2О

Поэтому карбонатную жёсткость называют также временной жёсткостью. Количественном временную жёсткость характеризуют содержанием гидрокарбонатов, удаляющихся из воды при её кипячении в течение часа. Жёсткость, остающаяся после такого кипячения, называется постоянной жёсткостью.

Жёсткость воды выражается суммой миллиэквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 литре. Один миллиэквивалент жёсткости отвечает содержанию 20, 04 мг ∕ л Са2+ или 12, 16 мг ∕ г Мд2+ .

Жёсткость природных вод изменяется в широких пределах. Она различна в разных водоёмах, а в одной и той же реке изменяется в течение года ( минимальна во время паводка).

Жёсткость вод морей значительно выше, чем рек и озёр. Так, вода Чёрного моря имеет общую жёсткость 65,5 мжв/л. Средние значение жёсткости воды мирового океана 130,5 мжв ∕ л (в том числе на Са2+ приходится 22,5 мжв/л, на Мд2+- 108 мжв/л).

Присутствие в воде значительного количества солей кальция или магния делает воду непригодной для иных технических целей. Так, при продолжительном питании паровых котлов жёсткой водой их стенки постоянно покрываются плотной коркой накипи. Такая корка уже при толщине слоя в 1 мм сильно понижает передачу теплоты стенками котла и, следовательно, ведёт к увеличению энергетических и материальных затрат. Кроме того она может служить причиной образования вздутий и трещин как в кипятильных трубах, так и на стенках самого котла. А еще хлориды и сульфаты кальция и магния под влиянием высокой температуры подвергаются гидролизу с выделением свободной соляной и серной кислот. Выделившиеся кислоты растворяют металл, из которого изготовлена посуда, детали стиральной машины, вызывая коррозию. В результате посуда и детали стиральных машин, а так же чайников изнашиваются быстрее.

Жёсткая вода не даёт пены с мылом, так как содержащиеся в мыле растворимые натриевые соли жирных кислот - пальмитиновой и стеариновой – переходят в нерастворимые кальциевые соли тех же кислот:

2С17Н35 СООNa + CaSO4 = (C17H35COO)2 Ca↓+ Na2SO4

Жёсткой водой нельзя пользоваться при проведении некоторых технологических процессов, например при крашении тканей.

Приведённые выше примеры указывают на необходимость удаления из воды, применяемой для технических целей, солей кальция и магния. Удаление этих солей, называемое водоумягчением, входит в систему водоподготовки – обработки природной воды, используемой для питания паровых котлов и для различных технологических процессов.

В ходе водоподготовки вода освобождается от грубодисперсных и коллоидных примесей и от растворённых веществ. Взвешенные и коллоидные примеси удаляют коагуляцией их добавляемыми к воде солями (обычно Al2 (SO4)3 ) с последующей фильтрацией.

Для водоумягчения применяют методы осаждения и ионного обмена. Путём осаждения катионы Са2+ и Ма2+ переводят в малорастворимые соединения, выпадающие в осадок. Это достигается либо кипячением воды, либо химическим путём - введением в воду соответствующих реагентов. При кипячении гидрокарбонаты кальция и магния превращаются в СаСО3 и Мg(ОН)2

Са(НСО3)2 = СаСО3↓ + СО2↑ + Н2О

Mg(HCO3)2 = Mg(OH)2↓ + 2CO2↑

в результате чего устраняется только карбонатная жёсткость.

При химическом методе осаждения чаще всего в качестве осадителя пользуются известью или содой. При этом в осадок (также в виде СаСО3 и Mg(ОН)2) переводятся все соли кальция и магния.

Для устранения жёсткости методом ионного обмена или катионирования воду пропускают через слой катионита.

В итоге вода освобождается как от катионов, так и от анионов солей. Такая обработка воды называется её обессоливанием.

Когда процесс ионного обмена доходит до равновесия, ионит перестаёт работать – утрачивает способность умягчать воду. Однако любой ионит подвергается регенерации. Для этого через катионит пропускают концентрированный раствор NaCl (Na2SO4) или HCL(H2SO4).

Интересно влияние жесткой воды на организм человека. Хотя ионы кальция и магния играют важную роль в водно-солевом балансе организма, их избыток может приводить к нарушению обмена веществ и развитию заболеваний.

Например, развитие почечно-каменной болезни связывают, кроме всего прочего, с «…длительным приемом щелочей и солей кальция…».

Еще наши прабабушки старались умывать лицо, мыть волосы талой или дождевой водой, которая содержит очень малое количество солей. Такая вода не сушит кожу, и волосы после нее мягкие и блестящие. Если обратить внимание на состав кремов, то практически всегда пишут « умягченная вода», а шампуни, пены для ванн обязательно содержат умягчители воды.

Но и это еще не все. Дело в том, что даже овощи, мясо, сваренные в мягкой воде, гораздо вкуснее и сочнее. Жесткая вода не рекомендуется к применению для приготовления пищи, так как она снижает вкусовые качества блюд.

Значит, что излишне жесткая вода нам ни к чему. Она не добавляет нам ни здоровья, ни красоты, да еще и заставляет нести дополнительные финансовые расходы.

1.6. Применение кальция.

Применение металлического кальция связано с его высокой химической активностью. Способность кальция прочно связывать кислород определяет его использование для металлотермического получения некоторых лёгких и ценных (берций, ванадий, торий, уран) металлов: mCa+MenOm+mCaO+nMe.

Основное количество металлического кальция используется именно для этих целей. Однако в крупнотоннажных металлотермических производствах предпочтение отдается более дешёвому магнию («магниетермия»). Кальций же применяется как добавку при выплавке специальной высокой стали, медных и никелевых сплавов. Растворяясь в расплаве, кальций выводит нежелательные примеси:

MeS+Ca→CaS+Me. Находит применение в технике и сплавы кальция с некоторыми металлами. Так, например, ограниченно применяется в авиа – и ракетостроении легких магниево – кальциевые сплавы (до 23% Ca). Более широко используют сплавы в подшипники, работающие под большой нагрузкой.

Кальций применяют и в медицине. Огромное количество препаратов изготавливают с содержанием кальция для беременных женщин. Существует большая группа витаминов, содержащих кальций.

2. Экспериментальная часть.

2.1 Подготовка и проведение эксперимента

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ.

1.  Мерным цилиндром налить 10 мл. исследуемой воды в коническую колбу.

2.  Наполнить бюретку мыльным раствором, добавить 1 мл. мыльного раствора в колбу. Если не образуется пена, добавить еще несколько мл. мыльного раствора. Продолжать добавлять мыльный раствор, пока не образуется устойчивая пена (она должна держаться не менее 30 секунд).

3.  Записать объем мыльного раствора, необходимого для образования устойчивой пены с 10 мл. исследуемой воды.

4.  Ополоснуть колбу, повторить действия 1-3 с различными образцами воды: водопроводная, дистиллированная, речная, и родниковая.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ

В коническую колбу отмерить 50 мл. воды, добавить 3 мл. аммиачного буферного раствора, несколько кристалликов индикатора хромогена черного и титровать по 1 капле раствором трилона Б до перехода красно-фиолетовой окраски на сине-фиолетовую. Общая жесткость воды рассчитывается по формуле:

Жобщ. =СЧV1 Ч1000 (мг/экв) (формула 1)

V2 л

V1 – объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование, мл.

V2 – объем воды, взятый для титрования, мл.

С – концентрация трилона Б.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАРБОНАТНОЙ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ

Взять 50 мл. анализируемой воды и титровать ОД н. раствором соляной кислоты с индикатором метиловым оранжевым до появления разового окрашивания.

Карбонатная жесткость рассчитывается по формуле (1)

2.2. Обработка результатов

ВЫВОД:

Из таблицы видно, что самая жесткая вода – водопроводная (9), остальные пробы имеют допустимую жесткость. Но и вода с приведенными данными не пригодна для технических целей.

Жесткость природных вод изменяется в широких пределах. Она различна в данных водоемах, а в одной и той же реке изменяется в течение года, и в течение паводка может быть минимальной.

Заключение

В результате проделанной работы мы выяснили что:

- Кальций один из немногих металлов известных человеку;

- Кальций имеет большое значение в жизни человека и его здоровье;

- наряду с этим жесткая вода, обусловленная солями кальция вредна для здоровья и промышленности;

- Экспериментально можно выяснить, какая жесткость воды в вашей местности.

Результаты этой работы могут быть использованы в качестве дополнительного материала на уроках химии и биологии, а также на предметных неделях и во внеклассной работе с учащимися.