カルシウム(Ca)の化学的性質

基本情報

• 元素記号: Ca
• 原子番号: 20
• 電子配置: [Ar]4s²
• 酸化数: +2(カルシウムイオン Ca²⁺)
• 常温での状態: 銀白色の柔らかい金属
• 特徴: 典型元素(2族、アルカリ土類金属)、イオン化傾向が非常に大きい、反応性が高い

カルシウムの製法

1. 融解塩電解法

塩化カルシウムを融解して電気分解する方法。

カルシウムの化学反応

1. 酸素・空気との反応

• 常温の空気中: 表面が酸化されて変色
• 加熱した場合: (5) 2Ca + O₂ → 2CaO (酸化カルシウム、白色)
• 高温で激しく燃焼(赤橙色の炎)

2. 水との反応

カルシウムは水と反応して水素を発生する。

• 冷水: (6) Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
• ※ マグネシウムより激しく反応するが、ナトリウムほど激しくない

3. 酸との反応

カルシウムはイオン化傾向が大きいため、酸と激しく反応する。

• 希硫酸: (7) Ca + H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂↑
• 希塩酸: (8) Ca + 2HCl → CaCl₂ + H₂↑
• 希硝酸: (9) 4Ca + 10HNO₃(希) → 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

4. ハロゲンとの反応

• 塩素との反応: (10) Ca + Cl₂ → CaCl₂ (塩化カルシウム、白色)

5. 窒素との反応

• 高温で窒素と反応: (11) 3Ca + N₂ → Ca₃N₂ (窒化カルシウム)

6. 水素との反応

• 高温で水素と反応: (12) Ca + H₂ → CaH₂ (水素化カルシウム)

7. 炎色反応

• 色: 橙赤色(非常に特徴的)
• カルシウムイオンの検出に利用

カルシウムの化合物

1. カルシウムイオン Ca²⁺ の性質

• 色: 水溶液は無色
• 酸化数: +2 のみ
• 硬水の原因: Ca²⁺やMg²⁺を多く含む水は硬水

2. 酸化カルシウム CaO の性質(生石灰)

• 色: 白色
• 塩基性酸化物: 水と反応して強塩基を生じる

水との反応

• 消化(吸熱反応ではなく発熱): (13) CaO + H₂O → Ca(OH)₂
• ※ 強い発熱反応

酸との反応

• 塩酸: (14) CaO + 2HCl → CaCl₂ + H₂O

乾燥剤としての使用

• 水と反応するため、強力な乾燥剤として使用
• アンモニアなどの塩基性気体の乾燥に適する

3. 水酸化カルシウム Ca(OH)₂ の性質(消石灰)

• 色: 白色粉末
• 溶解性: 水に少し溶ける
• 水溶液: 石灰水(強塩基性)

二酸化炭素との反応

• 石灰水に二酸化炭素を通じる: (15) Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O
• 　　　　　　　　　　　　　　(白濁)
• さらに二酸化炭素を通じる: (16) CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂
• 　　　　　　　　　　　　　(炭酸水素カルシウム、水に可溶、白濁が消える)

加熱による分解

• (17) Ca(OH)₂ → CaO + H₂O

用途

• 建築材料(漆喰、モルタル)
• 土壌改良剤(酸性土壌の中和)
• 二酸化炭素の検出試薬

4. 炭酸カルシウム CaCO₃ の性質

カルシウムの最も重要な化合物。

• 色: 白色
• 溶解性: 水に難溶
• 天然鉱物: 石灰石、大理石、方解石、貝殻、サンゴ、卵の殻

加熱による分解

• 強熱(約900℃): (18) CaCO₃ → CaO + CO₂

酸との反応

• 塩酸: (19) CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
• 酢酸: (20) CaCO₃ + 2CH₃COOH → Ca(CH₃COO)₂ + H₂O + CO₂↑

二酸化炭素を含む水との反応

• 鍾乳洞の形成: (21) CaCO₃ + H₂O + CO₂ ⇌ Ca(HCO₃)₂
• 可逆反応であり、CO₂が抜けると再びCaCO₃が析出(鍾乳石)

用途

• セメント・ガラスの原料
• 建築材料(大理石)
• 製鉄の融剤
• 肥料、土壌改良剤
• チョーク、炭酸カルシウム製剤(胃薬)

5. 塩化カルシウム CaCl₂ の性質

• 色: 白色
• 溶解性: 水に易溶(溶解時に発熱)
• 潮解性: 空気中で潮解(水分を吸収)

用途

• 乾燥剤(強力な吸湿性)
• 融雪剤・凍結防止剤(道路)
• 冷却剤(氷と混ぜて寒剤)
• 豆腐の凝固剤(にがり成分の一つ)

6. 硫酸カルシウム CaSO₄ の性質

• 色: 白色
• 溶解性: 水に難溶
• 天然鉱物: 石膏(CaSO₄·2H₂O)

石膏の性質と用途

• 加熱(約150℃): (22) CaSO₄·2H₂O → CaSO₄·½H₂O + 1.5H₂O
• 　　　　　　　(焼石膏)
• 焼石膏に水を加える: (23) CaSO₄·½H₂O + 1.5H₂O → CaSO₄·2H₂O
• 　　　　　　　　　　　(固まる、発熱)

用途: ギプス、彫刻材料、建築材料

7. 炭化カルシウム CaC₂ の性質(カーバイド)

• 生成: (24) CaO + 3C → CaC₂ + CO (電気炉で約2000℃)
• 水との反応: (25) CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂↑
• 　　　　　　(アセチレンを発生)

用途: アセチレンの製造(かつてのカーバイドランプ)

8. 次亜塩素酸カルシウム Ca(ClO)₂ の性質(さらし粉)

• 生成: (26) 2Ca(OH)₂ + 2Cl₂ → Ca(ClO)₂ + CaCl₂ + 2H₂O
• または: (27) Ca(OH)₂ + Cl₂ → CaCl(ClO) + H₂O

性質:

• 白色粉末、塩素臭
• 酸化剤、漂白剤として働く
• 酸と反応して塩素を発生: (28) Ca(ClO)₂ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + Cl₂↑
• 二酸化炭素と反応: (29) Ca(ClO)₂ + CO₂ → CaCO₃ + Cl₂

用途: 漂白剤、殺菌剤、消毒剤

9. その他の主なカルシウム化合物

• 硝酸カルシウム Ca(NO₃)₂: 潮解性、肥料
• リン酸カルシウム Ca₃(PO₄)₂: 骨・歯の主成分、肥料原料
• フッ化カルシウム CaF₂: 蛍石、光学材料

カルシウムイオンの沈殿反応と検出

1. 炭酸塩の沈殿

• Ca²⁺ + 炭酸ナトリウム: (30) Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓ (白色沈殿)
• ※ 最も重要な沈殿反応

2. 硫酸塩の沈殿

• Ca²⁺ + 硫酸ナトリウム: (31) Ca²⁺ + SO₄²⁻ → CaSO₄↓ (白色沈殿)
• ※ 水に難溶だが、完全には不溶ではない

3. シュウ酸塩の沈殿

• Ca²⁺ + シュウ酸アンモニウム: (32) Ca²⁺ + C₂O₄²⁻ → CaC₂O₄↓ (シュウ酸カルシウム、白色沈殿)
• ※ カルシウムイオンの定量に利用

4. リン酸塩の沈殿

• Ca²⁺ + リン酸ナトリウム(塩基性): (33) 3Ca²⁺ + 2PO₄³⁻ → Ca₃(PO₄)₂↓ (白色沈殿)

5. 炎色反応による検出

• 色: 橙赤色
• カルシウムイオンの最も簡便な検出法
• ストロンチウム(深紅色)と区別が必要

6. カルシウムイオンの分離

硫化水素による系統分離では、カルシウムは第5属に分類される。

• 第5属: Ca²⁺, Ba²⁺, Sr²⁺ など(アルカリ土類金属)
• 炭酸アンモニウムで炭酸塩として沈殿

その他の重要事項

イオン化傾向

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Cr > Fe > Ni > Sn > Pb > (H₂) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

• カルシウムはイオン化傾向が非常に大きい(カリウムの次)
• 常温の水と反応して水素を発生
• 強い還元剤として働く

アルカリ土類金属

カルシウムは2族元素(アルカリ土類金属)に属する。

• Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra
• +2の酸化数を取る
• 反応性は下に行くほど大きい(Ca < Sr < Ba)
• 硫酸塩・炭酸塩は水に難溶

硬水と軟水

Ca²⁺やMg²⁺を多く含む水を硬水という。

• 一時硬水: Ca(HCO₃)₂、Mg(HCO₃)₂を含む(煮沸で軟化)

• 煮沸: (34) Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

• 永久硬水: CaSO₄、MgSO₄を含む(煮沸では軟化しない)
• 軟水化: 炭酸ナトリウムやイオン交換樹脂で軟化

セメント

カルシウムの重要な用途

• 原料: 石灰石(CaCO₃) + 粘土(SiO₂、Al₂O₃)
• 製造: 約1500℃で焼成 → クリンカー → 粉砕
• 主成分: ケイ酸カルシウム、アルミン酸カルシウム
• 硬化: 水と反応して固化(水和反応)

生体内でのカルシウム

• 骨・歯: リン酸カルシウムCa₃(PO₄)₂が主成分
• 血液凝固: Ca²⁺が必要
• 筋肉収縮: Ca²⁺が関与
• 神経伝達: Ca²⁺が重要な役割
• 人体に最も多く含まれる金属元素(約1kg)

鍾乳洞の形成

• ①地下水にCO₂が溶解: (35) CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂
• ②地下空洞でCO₂が抜ける: (36) Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + H₂O + CO₂
• 長い年月をかけて鍾乳石・石筍が成長

カルシウムの用途

• 建築材料: セメント、石灰、石膏、大理石
• 製鉄: 融剤(不純物の除去)
• 化学工業: 炭化カルシウム(アセチレン製造)
• 農業: 肥料、土壌改良剤
• 食品: 凝固剤、栄養補助
• 脱酸剤: 金属精錬

カルシウムの鉱石

• 石灰石: CaCO₃(最も重要)
• 大理石: CaCO₃(変成岩)
• 石膏: CaSO₄·2H₂O
• 蛍石: CaF₂
• リン灰石: Ca₃(PO₄)₂

注意すべき反応

• 石灰水と二酸化炭素: 白濁 → さらにCO₂で透明(可逆)
• 生石灰と水: 強い発熱反応(消化)
• 炭酸カルシウムの熱分解: 約900℃で分解
• 硬水: Ca²⁺、Mg²⁺を含む、一時硬水は煮沸で軟化
• 炎色反応: 橙赤色(検出に利用)

石灰の種類

• 生石灰(きせっかい): CaO(酸化カルシウム)
• 消石灰(しょうせっかい): Ca(OH)₂(水酸化カルシウム)
• 石灰石: CaCO₃(炭酸カルシウム)
• 石灰水: Ca(OH)₂の水溶液
• 石灰乳: Ca(OH)₂の懸濁液