鈣

鈣(Calcium)
高雄市立高雄女中化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

鈣也是地殼中分布很廣的元素之一。1808年，英國化學家戴維電解石灰與氧化汞的混合物，得到鈣汞合金，將合金中的汞蒸餾後，就獲得了銀白色的金屬鈣。

鈣的英文名稱為Calcium，源自於拉丁文中表示生石灰的字”Calx”。因為戴維首次以石灰中取得鈣，他為它命名時，在”Calx”字後加上通常用於金屬的字尾”-ium”，將新元素命名為”Calcium”，意思是”從石灰中得到的金屬”。中文翻譯為鈣，元素符號為Ca。

鈣在地殼中的含量為3.64%，僅次於氧、矽、鋁、鐵。鈣以化合物形式廣泛存在於自然界。主要礦物有石灰石CaCO₃、方解石CaCO₃、冰洲石 CaCO₃、大理石CaCO₃、白雲石MgCO₃∙CaCO₃、螢石CaF₂、石膏CaSO4∙2H₂O、磷灰石Ca₅(PO₄)₃F等。在動物骨骼、牙齒、蛋殼、珍珠、珊瑚、海生動物體和許多土壤中都含有鈣。海水中氯化鈣（(CaCl₂)含量佔0.15%）。

金屬鈣的製備方法有(1)電解熔融氯化鈣：CaCl₂（1073K，電解）→Ca+Cl₂ ↑ (2)金屬鋁在真空和1473K溫度下還原石灰：3CaO+2Al（1473K，真空）→3Ca+Al₂O₃還原法成本較低，有望取代電解法成為主流。

物理性質：鈣是銀白色金屬，密度1.56g/cm³，熔點1112K，沸點1757K，硬度1.5，鈣屬於輕金屬，它的密度與硬度均比鎂低。
化學性質：鈣的電負度1.0，標準還原電位-2.87V，為一活潑金屬，化學性質主要表現在還原性：
(1)強還原力：鈣與冷水作用緩慢、與熱水作用劇烈反應放出氫氣：Ca+2H₂O→Ca(OH)₂+H₂
(2)鈣在空氣中能與氧氣和氮氣緩慢作用形成一層氧化物和氮化物的保護膜。在空氣中燃燒生成氮化鈣(Ca₃N₂)及氧化鈣(CaO)。
(3)鈣能與鹵素直接作用，加熱時與硫、氮氣、碳作用，生成鹵化物、硫化物、氮化物和碳化物：Ca+F₂→CaF₂；Ca+S→CaS；Ca+2C→CaC₂
(4)鈣與氫在加熱反應下生成氫化鈣(CaH₂)，遇水放出氫氣，是一種常用的氫氣發生物。Ca+H₂→CaH₂；CaH₂+2H₂O→Ca(OH)₂+H₂↑

重要化合物的性質、製取及用途：
(1) 氧化鈣：氧化鈣是白色粉末狀固體，含有雜質時為灰白色，熔點2887K，沸點3123K，密度3.25~3.38g/cm3，硬度4.5。工業上氧化鈣俗稱為石灰或生石灰，是由煅燒石灰石(CaCO₃)而得：CaCO₃→CaO+CO₂ ↑ 。
主要化學特性：具有吸水性，可用作乾燥劑。與水激烈反應，放出大量的熱，生成氫氧化鈣：CaO+H₂O→Ca(OH)₂；氧化鈣是鹼性氧化物，易溶於酸，久置空氣中會吸收二氧化碳而變成碳酸鈣：CaO+CO₂→CaCO₃；高溫下，氧化鈣能與酸性氧化物SiO₂作用：CaO+SIO₂→CaSIO₃；石灰主要用作建築材料、耐火材料，還可用作乾燥劑，特別是用作氨的乾燥劑。

(2) 氫氧化鈣：為疏鬆的白色粉末，在853K時脫水成氧化鈣。微溶於水，在水中的溶解度隨著溫度而減小，為中強鹼。氫氧化鈣亦能吸收空氣中的二氧化碳而生成碳酸鈣沉澱：Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃↓+H₂O。氫氧化鈣俗稱熟石灰或消石灰，其澄清的水溶液稱為石灰水。氫氧化鈣與水組成的乳狀懸濁液稱為石灰乳，可用於消毒殺菌。

(3) 鈣鹽：
碳酸鈣：為天然存在的石灰石、大理石、冰洲石的主要成份，加熱至800℃後開始分解，生成氧化鈣及二氧化碳CaCO_3（受熱分解）→CaO+CO₂↑；碳酸鈣不溶於水，但溶於含有二氧化碳的水中，生成可溶的碳酸氫鈣(Ca(HCO₃)₂)，為暫時硬水的成份。但遇熱時二氧化碳被趕出，又生成碳酸鈣沉澱 Ca(HCO₃)₂→CaCO₃+CO₂↑+H₂O，此即為石灰岩溶洞的形成原理。天然的碳酸鈣用於建築材料，如作水泥、石灰、人造石等，還用於陶瓷、玻 璃的原料。

磷酸鈣：磷酸鈣不溶於水和乙醇而溶於酸，工業上生產磷酸是用磷酸鈣與硫酸作用而製得：Ca₃(PO₄)₂+3H₂SO₄→3CaSO₄+2H₃PO₄，用硫酸處理Ca₃(PO₄)₂∙H₂O礦粉，可製得過磷酸鈣，是一種常見的水溶性磷肥，主要成分是磷酸二氫鈣及無水硫酸鈣：Ca₃(PO₄)₂+2H₂SO₄→2CaSO₄+Ca(H₂PO₄)₂

草酸鈣：鈣離子與草酸根可生成白色草酸鈣沉澱：Ca²⁺+C₂O₄^2-→CaC₂O₄ 草酸鈣不溶於水，在定量分析上常利用此一性質來檢驗或測定鈣和草酸的含量。

硫酸鈣：白色固體，難溶於水。硫酸鈣的二水合物(CaSO₄∙2H₂O)俗稱為石膏或生石膏可加熱脫水而生成熟石膏或燒石膏 (2CaSO₄∙H₂O)，熟石膏與水混合後有可塑性，但不久即硬化重新變成石膏，此過程放出大量熱並膨脹，因此可用於鑄模和雕塑。硫酸鈣和石膏可用於於製造硫酸和水泥和豆腐的凝聚劑。

氟化鈣：高純度的氟化鈣是無色透明的晶體，可用於光學儀器材料。天然存在的氟化鈣是螢石礦，一般螢石因含有微量雜質而略呈綠色或紫色。

氯化鈣：氯化鈣是白色晶體或塊狀物，極易溶於水，與水可形成一、二、四、六水合物，存在狀態主要受溫度的影響。無水氯化鈣和它的水合物都是溶易潮解的白色固體，常用作乾燥劑。六水合物CaCl₂∙6H₂O與冰混合可作冷劑。

碳化鈣：工業上的碳化鈣俗稱電石，由於含雜質而呈灰色。電石是由生石灰(CaO)與焦碳在高溫下反應製得2CaO+4C (高溫)→2CaC₂+O₂↑；與水反應生成乙炔CaC₂+2H₂O→C₂H₂↑+Ca(OH)₂，是重要的有機合成原料。