סידן: תכונות, מבנה, השגה, שימושים - כִּימִיָה - 2025

סידן הוא מתכת ארץ אלקליין השייכים 2 (מר Becambara) קבוצת הטבלה המחזורית. מתכת זו תופסת את המקום החמישי בשפע בין היסודות הקיימים בקרום כדור הארץ; מאחורי ברזל ואלומיניום. הוא מיוצג על ידי הסמל הכימי Ca, והמספר האטומי שלו הוא 20.

הסידן מייצג 3.64% מקרום כדור הארץ והוא המתכת השופעת ביותר בגוף האדם, המהווה 2% ממשקלו. הוא לא חופשי באופיו; אבל זה חלק ממספר מינרלים ותרכובות כימיות.

סידן מתכתי טוהר גבוה המאוחסן בשמן מינרלי כדי להגן עליו מפני חמצן ולחות. מקור: 2 × 910

לדוגמא, הוא נמצא במינרל הקלציט, שהוא בתורו חלק מאבן גיר. סידן פחמתי קיים בכדור הארץ שיש, דולומיט, קליפת ביצה, אלמוגים, פנינים, נטיפים, נטיפים, כמו גם בקליפות של בעלי חיים ימיים רבים או חלזונות.

בנוסף, סידן הוא חלק ממינרלים אחרים, כמו גבס, אנהידריט, פלואוריט ואפטיט. לא מפתיע אם כן שהוא נרדף לעצמות ברמה תרבותית.

כאשר הוא חשוף לאוויר, סידן מתכסה בציפוי צהבהב, תוצר של תערובת של סידן תחמוצת, ניטריד והידרוקסיד. עם זאת, פני השטח חתוכים טריים, השטח זוהר, כסוף-לבנבן. הוא רך עם קשיות בסולם Mohs של 1.75.

הסידן מבצע פונקציות רבות ביצורים חיים, ביניהם זהו חלק מתרכובות הקובעות את מבנה מערכת העצם ותפקודה; הוא מתערב במפולת הקרישה על ידי הפעלת מספר גורמי קרישה, המזוהים כגורם IV.

יתר על כן, סידן מעורב בהתכווצות שרירים, ומאפשר איחוד של חלבונים מתכווצים (אקטין ומיוזין); ומקל על שחרורם של כמה מועברים עצביים, כולל אצטילכולין.

באופן כימי כמעט תמיד הוא משתתף בתרכובות האורגניות או האורגניות שלו כמו הקטיון הדו-ערכי Ca ²⁺ . זהו אחד הקטיונים עם מספר הקואורדינציה הגבוה ביותר, כלומר הוא יכול לתקשר עם מספר מולקולות או יונים בו זמנית.

הִיסטוֹרִיָה

בזמנים קדומים

תרכובות סידן כמו סיד (CaO) או גבס (CaSO ₄ ) שימשו את האדם במשך אלפי שנים, תוך התעלמות מהמבנה הכימי שלהם. סיד כחומר בניין וטיח לייצור הפסלים שימש 7,000 שנה לפני הספירה

במסופוטמיה נמצא כבשן סיד ששימש 2,500 לפני הספירה בפרק זמן קצר נעשה שימוש בגבס במהלך בניית הפירמידה הגדולה בגיזה.

זיהוי ובידוד

ג'וזף בלאק (1755) הסביר כי הסיד בהיר יותר מאבן הגיר (סידן פחמתי) המקנה לו מקור. הסיבה לכך היא שהיא מאבדת פחמן דו חמצני במהלך החימום.

אנטואן לבויסר (1787) הגיע למסקנה כי סיד חייב להיות תחמוצת מרכיב כימי לא ידוע.

סר האמפרי דייווי (1808) דווקא בשנה שגילה בורון, עשה את אותו הדבר עם סידן בטכניקת האלקטרוליזה, ששימשה את ג'קאר ברזליוס ומגנוס מרטין.

דייווי בודד סידן ומגנזיום באותה תכנון ניסיוני. הוא ערבב את תחמוצת הסידן עם תחמוצת הכספית (II) על צלחת פלטינה, המשמשת כאנודה (+), ואילו הקתודה (-) הייתה חוט פלטינה שקוע בחלקו בכספית.

אלקטרוליזה הפיקה אמלגם של סידן וכספית. כדי לטהר את הסידן, האמלגם הועבר לזיקוק. עם זאת, סידן טהור לא התקבל.

נכסים

תיאור פיזי

מתכת בצבע כסוף-לבנבן, משתנה ללבן-אפרפר כאשר נחשף לאוויר. באוויר לח זה לוקח כחול-אפור מעונן. אבקה מוצקה או יבשה. מבנה גביש במרכזו על הפנים.

משקל אטומי

40.078 גרם / מול.

נקודת המסה

842 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

1,484 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

-1.55 גרם / ס"מ ³ בטמפרטורת החדר.

-1.378 גרם / ס"מ ³ במצב נוזלי בנקודת ההיתוך.

חום של היתוך

8.54 ק"ג / מול.

חום האידוי

154.7 ק"ג / מול.

יכולת קלורית מולקולרית

25.929 J / (mol · K).

יכולת קלורית ספציפית

0.63 J / gK

אלקטרונגטיביות

1.0 בסולם פאולינג

אנרגיית יינון

- יינון ראשון 589.8 ק"ג / מול

יינון שני 1,145 ק"ג / מול

- יינון שלושה 4.912 kJ / mol

יינון רביעי 6,490.57 kJ / mol ויש עוד 4 אנרגיות יינון.

רדיו אטומי

197 בערב

רדיוס קוולנטי

176 ± 10 בערב

התפשטות תרמית

22.3 מיקרומטר / מ 'K ב 20 מעלות צלזיוס.

מוליכות תרמית

201 W / m K

התנגדות חשמלית

336 ננומטר · 20 מעלות צלזיוס.

קַשִׁיוּת

1.75 בסולם מוהס.

איזוטופים

בסידן יש 6 איזוטופים טבעיים: ⁴⁰ Ca, ⁴² Ca, ⁴³ Ca, ⁴⁴ Ca, ⁴⁶ Ca ו- ⁴⁸ Ca, ו -19 איזוטופים סינתטיים רדיואקטיביים. האיזוטופים השכיחים ביותר הם ⁴⁰ Ca (96.94%), ⁴⁴ Ca (2.086%) ו- ⁴² Ca (0.647%).

תגובתיות

הסידן מגיב באופן ספונטני עם מים, מייצר סידן הידרוקסיד וגז מימן. מגיב עם חמצן וחנקן באוויר, מייצר בהתאמה תחמוצת סידן וסידן ניטריד. כאשר מתפצל זה נשרף באוויר באופן ספונטני.

כאשר הסידן מחומם, הוא מגיב עם מימן ליצירת הליד. זה גם מגיב עם כל ההלוגנים ליצירת הלידים. זה מגיב גם עם בורון, גופרית, פחמן וזרחן.

מבנה ותצורת אלקטרונים של סידן

לאטומי סידן מצטרפים קשרים מתכתיים, התורמים את שני האלקטרונים הערכיים שלהם לשפל האלקטרונים. לפיכך, האינטראקציה בין אטומי ה- Ca והלהקות האלקטרוניות שנוצרות בסופו של דבר מגדירה גביש עם מבנה מעוקב ממוקד פנים (ccc, בספרדית; או fcc, באנגלית, עבור מעוקב פנים-פנים).

אם גביש CCC סידן זה מחומם לטמפרטורה סביב 450 מעלות צלזיוס, הוא עובר מעבר לשלב ה- hcp (משושה קומפקטי, או המשושה הארוז הכי קרוב). במילים אחרות, המבנה נעשה צפוף יותר, כאילו תנועת האלקטרונים והתנודות של האטומים התכווצו למרחק המפריד ביניהם.

לאטום הסידן יש את התצורה האלקטרונית הבאה:

4s ²

מה שיסביר ששני האלקטרונים הערכיים למתכת זו מגיעים ממסלולי ה -4 החיצוניים ביותר שלה. כאשר הוא מאבד אותם נוצר הקטיון הדו-ערכי Ca ²⁺ , איזואלקטרוני לארגון הגז האצילי; כלומר, גם ל- Ar וגם ל- Ca ²⁺ יש את אותו מספר אלקטרונים.

זה מסלולי הסידן של ה- 4 המשתלבים כדי ליצור את רצועת הערכיות של גבישים אלה. אותו דבר קורה עם האורביטלים הרווחים של 4p, שמקים להקת הולכה.

להשיג

סידן מיוצר באופן מסחרי על ידי אלקטרוליזה של סידן כלוריד מותך. התגובות הבאות מתרחשות באלקטרודות:

באנודה: 2Cl ^- (l) => Cl ₂ (g) + 2e ^-

סידן מופקד כמתכת על הקתודה על ידי לכידת אלקטרונים מסידן יוני.

בקתודה: Ca ²⁺ (l) + 2 e ^- => Ca (s)

בקנה מידה קטן ניתן לייצר סידן על ידי הפחתת תחמוצת הסידן באלומיניום, או סידן כלוריד עם נתרן מתכתי.

6 CaO + 2 Al => 3 Ca + Ca ₃ Al ₂ O ₆

CaCl ₂ + 2 Na => Ca + NaCl

יישומים

סידן אלמנטרי

סידן משמש כתוסף בייצור נורות זכוכית, ומתווסף לנורה בשלב הייצור הראשוני שלה. הוא מתווסף גם בסוף כך שישתלב עם הגזים שנותרו בתוך הנורה.

הוא משמש כמפרק בייצור מתכות כמו נחושת ופלדה. סגסוגת הסידן והצזיום משמשת בצורני המציתים לייצור הניצוצות. סידן הוא גורם מצמצם, אך יש בו גם יישומי חמצן וחיסון.

סידן משמש בהכנת מתכות כמו כרום, תוריום, אורניום, זירקוניום ואחרים מהתחמוצות שלהם. הוא משמש כחומר סגסוגת לאלומיניום, נחושת, עופרת, מגנזיום ומתכות בסיס אחרות; וכמסיר deoxidizer לכמה סגסוגות בטמפרטורה גבוהה.

סידן בסגסוגת עם עופרת (0.04%) משמש נדן לכבלי טלפון. הוא משמש בסגסוגת עם מגנזיום בשתלים אורטופדיים כדי להאריך את חייהם.

סידן פחמתי

זהו חומר מילוי בקרמיקה, זכוכית, פלסטיק וצבעים, כמו גם חומר גלם לייצור סיד. קרבונט סינטטי בעל טוהר גבוה משמש לרפואה כתוסף חומצה נוגדת חומצה וסידן. הוא משמש גם כתוסף מזון.

תחמוצת סידן

סידן תחמוצת משמש בתעשיית הבנייה, ומשמש לפריחת הקירות. זה משולב גם בבטון. במאה ה -19 נשרפו גושי תחמוצת הסידן כדי להאיר את השלבים באור לבן עז.

סיד (שוב, תחמוצת סידן) משמש להסרת רכיבים לא רצויים כמו דו תחמוצת סיליקון (SiO ₂ ) הקיימים בחומר ברזל מפלדה. תוצר התגובה הוא סיליקט סידן (CaSiO ₃ ) המכונה "סיגים".

סיד משתלב עם מים ליצירת סידן הידרוקסיד; תרכובת זו נעה ושוקעת, גוררת זיהומים לתחתית הטנקים.

פנים הארובות מרופד בסיד בכדי לחסל אדים מהמפעלים. לדוגמה, הוא לוכד דו תחמוצת הגופרית (SO ₂ ), התורם לגשם חומצי, והופך אותו לסידן סולפיט (CaSO ₃ ).

סידן כלורי

סידן כלוריד משמש לשליטה בקרח בכבישים; מזגן לעגבנייה שנמצאת בשימורים; ייצור גופי רכב ומשאיות.

סידן גופרתי

זה בדרך כלל מוצג כ- CaSO ₄ · 2H ₂ O (גבס), המשמש כמזגן אדמה. גבס מסולק משמש בייצור אריחים, לוחות ופסלים. הוא משמש גם לנטילת שברים בעצמות.

סידן פוספטים

סידן פוספטים נמצאים בצורות שונות בטבע ומשמשים כדישון. מלח הסידן החומצי (CaH ₂ PO ₄ ) משמש כדשן ומייצב לפלסטיק. סידן פוספט נמצא כחלק מרקמת העצם, בעיקר כידרוקסידפיטיט.

תרכובות סידן אחרות

ישנן מספר תרכובות סידן עם יישומים שונים. לדוגמא, סידן קרביד משמש להשגת אצטילן, המשמש בריתוך לפידים. סידן אלגינט משמש כחומר לעיבוי במוצרי מזון כמו גלידה.

סידן היפוכלוריט משמש כחומר הלבנה, דאודורנט, קוטל פטריות ואצות.

סידן פרמנגנט הוא נוזל דחף טילים. הוא משמש גם כחומר לטיהור מים, ובייצור טקסטיל.

תפקוד ביולוגי

סידן ממלא תפקידים רבים ביצורים חיים:

-הוא מתערב במפל הקרישה כגורם IV.

-הכרחי להפעלה של מספר גורמי קרישה, כולל תרומבין.

-בשריר השלד, סידן משחרר את הפעולה המעכבת של מערכת חלבון על התכווצות שרירים, ומאפשר להיווצר גשרי אקטין-מיוזין, הגורמים להתכווצות.

- מייצב את הערוצים היוניים של תאים נרגשים. בהיפוקלקסמיה מופעלים תעלות נתרן, הגורמת לחדור נתרן לתאים, וניתן ליצור התכווצות מתמשכת (טטני) שיכולה להיות קטלנית.

בנוסף, סידן מעדיף את שחרורו של המעביר העצבי אצטילכולין בטרמינלים הטרום-סינפטיים.

סיכונים ואמצעי זהירות

מגיב בצורה אקזוטית עם מים. לכן זה יכול לגרום לפגיעה קשה בפה, בוושט או בבטן לאחר הבליעה.

עובדים נחשפים לסיכון זה במקומות בהם מייצרים את הסידן של האלמנט או במקומות בהם מוחלים מתכת. אמצעי הזהירות הם להגן על עצמך באמצעות מסכות המונעות נשימה של אבק, לבוש ואוורור נאות.

היפר קלצמיה מסוכנת ביותר ויכולה להיגרם בעיקר מהפרשת יתר של הורמון פארתירואידי או צריכת ויטמין D. מוגזמת. צריכת עודף של סידן, למשל יותר מ- 2.5 גר 'ליום, היא לעתים נדירות סיבה להיפר-קלצמיה. .

עודף סידן מצטבר בכליות וגורם לאבנים בכליות ונפרוזת הכליות. בנוסף, הצטברות הסידן בדפנות כלי הדם משנה את גמישותם, מה שעלול להיות הגורם ליתר לחץ דם, האטת זרימת הדם ופקקת.

אמצעי זהירות בסיסי הוא הכללת קלקמיה בקרב בדיקות המעבדה, כאשר הרופא מתבונן במאפיינים בסימפטומים של המטופל הגורמים לו לחשוד בהיפר קלצמיה ויזם את הטיפול המתאים.

הפניות

1. וו. האל. (1921). מבנה הגביש של הסידן. doi.org/10.1103/PhysRev.17.42
2. ויקיפדיה. (2019). סִידָן. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. Advameg, Inc. (2019). סִידָן. הסבר על כימיה. התאושש מ: chemistryexplained.com
4. טימותי פ. חנוסה. (11 בינואר, 2019). סִידָן. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com
5. המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי. (2019). סִידָן. מאגר PubChem. CID = 5460341. התאושש מ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. WebElements. (2019). סידן: חיוני. התאושש מ: webelements.com