«Москва белокаменная»

Кальций относится к щелочноземельным металлам, которые находятся в главной подгруппе II группы периодической системы Д.И. Менделеева.

В земной коре массовая доля кальция составляет 4,1%. По сравнению с другими элементами литосферы это очень много. Строение атомов кальция, элемента главной подгруппы II группы периодической системы Д.И. Менделеева, обусловливает его высокую химическую активность. Поэтому в среде, насыщенной кислородом и водяными парами, существование кальция в форме простого вещества невозможно. В природе кальций находится в виде соединений, таких как кальцит, мрамор, мел, известняк, доломит, гипс.

Металлический кальций был получен Г. Дэви (рис.2) в 1808 г.

В образовании соединений кальция огромную роль играл углекислый газ, который отчасти являлся продуктом жизнедеятельности организмов и в обилии содержался как в атмосфере, так и воде. При его участии образовывались соли, в том числе карбонаты и гидрокарбонаты кальция, т.е. CaCO₃ и Ca(HCO₃)₂.

Большая часть этих солей была смыта природными водами и снесена реками в Мировой океан, насытив его воды ионами кальция. В таком виде кальций присутствует в пресных и соленых водоемах. На протяжении миллионов лет растворенные в морской воде соединения кальция использовались как строительный материал для наружных скелетов многочисленных беспозвоночных – моллюсков, полипов и других животных.

В неживой природе минерал, который почти на 100% состоит из карбоната кальция, -

это кальцит (рис. 4). Название кальцит получил от древнегреческого слова, означающего «известь».

В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом (рис.3) и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO₃). Те пласты осадочных пород, которые оказались под воздействием высокого давления и температуры, превратились в метаморфические породы, так образовался мрамор - кристаллическая форма кальцита (рис.5).

В течение сотен миллионов лет огромные массы кальцита скапливались в морских бассейнах. В их формировании активно участвовали живые обитатели морских водоемов. Погибая, беспозвоночные оседали на дно, где их скелеты образовывали отложения, богатые карбонатом кальция. За тысячелетия из них сформировались известняки.

Белокаменные постройки Москвы были возведены из знаменитого мячковского известняка. Его название происходит от названия села Мячково в Московской области, глее эту породу активно добывали (рис.6)

Долговечность относительно мягкого мячковского известняка объясняется тем, что эта порода очень пористая и поры соединены друг с другом. Зимой вода, попадающая в камень через поры под давлением нарастающей ледяной корки, не остается на месте, а переходит в другие поры и постепенно «выталкивается» наружу. В результате замерзание воды не приводит к возникновению избыточного давления в толще камня и как следствие этого – образованию трещин. Именно эта особенность обеспечивает столь высокую прочность и сохранность строений из известняка.

Виды извести и их получение

В качестве сырья для производства извести используют мел, известняк и другие природные источники карбоната кальция. Термическим разложением кальцита получают негашеную известь – оксид кальция:

CaCO₃ ^t CaO + CO₂ – 179 кДж

Обжиг известняка проводят в специальных печах при 900-1100^oC.

Этот процесс называют кальцинированием.

Чтобы известь могла служить связующим материалом, ее «гасят» водой, т.е. переводят из оксида в гидроксид. Так получают гашеную известь.

CaO + H₂O = Ca (OH)₂ + 65 кДж

Гашение сопровождается выделением большого количества тепла, вследствие чего вода закипает, водяные пары разрыхляют известь, и она превращается в высокодисперсный порошок.

В зависимости от количества воды, взятой для гашения извести, образуются разные продукты. При взаимодействии оксида и воды в количествах, близких к стехиометрическим, получается белый, тонкий, легкий порошок – пушонка или гидратная известь. Этот процесс сопровождается резким увеличением объема, доходящим до троекратного. Если воды берут примерно в три раза больше по объему, чем негашеной извести, то получается пластичная масса, называемая известковым тестом.

При увеличении количества воды образуется белая взвесь (суспензия), называемая известковым молоком. После отстаивания известкового молока, т.е. осаждения на дно гидроксида кальция, над осадком остается прозрачная жидкость, называемая известковой водой. В лабораториях такой раствор используют для обнаружения углекислого газа.

Смесь известкового теста с мелкими наполнителями, например с песком, называют известковым раствором. Его используют в строительстве в качестве связующего материала. Известковый раствор использовался также для подготовки грунта (штукатурки) под фресковую живопись.

При затвердевании раствора происходит так называемая карбонизация – гашеная известь интенсивно взаимодействует с углекислым газом воздуха с образованием карбоната:

Ca (OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

В ходе карбонизации образуется вода, поэтому стены, сложенные с использованием известкового раствора, долго остаются сырыми. Для ускорения процесса карбонизации в старину в строящихся зданиях церквей и соборов жгли костры, чтобы прогреть воздух и обогатить его углекислым газом.

(рис. 10) Волокнистая разновидность гипса называется селенитом, а зернистая — алебастром (рис. 20)

В XVIII столетии гипсу было найдено новое оригинальное применение: из него стали делать искусственный мрамор. Этот материал в полтора раза дешевле натурального камня, хорошо поддается шлифовке и полировке, а главное – можно изготовить «мрамор» любого требуемого оттенка (рис.21)

Алебастр – мягкий минерал, его легко поцарапать ногтем, он поддается резьбе. Легкость обработки сделала алебастр излюбленным материалом мастеров-резчиков.

Главным свойствам гипса является способность отщеплять воду при прокаливании:

CaSO₄•2H₂O CaSO₄•0,5H₂O + 1,5 H₂O при температуре 120-180^oC

Образующийся в результате прокаливания жженый гипс способен вновь поглощать воду. При этом он застывает в прочную камнеподобную массу. В этом состоит вяжущая способность гипса, на которой основаны все способы его применения.

Жемчуг образуется в раковинах невзрачных морских и пресноводных моллюсков (рис.22)

Химическими компонентами жемчуга (перламутра) являются минералы, состоящие из карбоната кальция – кальцит и арагонит.

Коралловые полипы – большая группа наиболее высокоорганизованных кишечнополостных. Они часто образуют колонии, состоящие из огромного количества живых организмов, снаружи соединенных общим скелетом (рис. 23)

В состав скелета кораллов входит 85% минерала кальцита, 3% карбоната магния, а также небольшие количества органического вещества. Примеси неорганических веществ, например ионы железа придают кораллам красный оттенок.

На земле живут три брата