કેલ્શિયમ (Ca) અભ્યાસ માર્ગદર્શિકા: ગુણધર્મો, પ્રતિક્રિયાઓ અને મહત્વ

પરિચય: વાસ્તવિક જીવનનું મહત્વ

કેલ્શિયમ (Ca) પૃથ્વીના પોપડામાં દળ પ્રમાણે પાંચમું સૌથી પ્રચુર તત્વ છે. તેના સંયોજનો વિવિધ જૈવિક પ્રણાલીઓ અને ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયાઓ માટે મૂળભૂત છે. જીવવિજ્ઞાનમાં, કેલ્શિયમ આયનો હાડકાં અને દાંતના નિર્માણ અને જાળવણી, સ્નાયુ સંકોચન, ચેતા આવેગ પ્રસારણ અને રક્ત ગંઠાઈ જવા માટે નિર્ણાયક છે. ઔદ્યોગિક રીતે, કેલ્શિયમ સંયોજનો બાંધકામ (સિમેન્ટ, પ્લાસ્ટર), ધાતુવિજ્ઞાન અને કૃષિમાં અનિવાર્ય છે.

CBSE/JEE ક્વિક રિવિઝન નોટ્સ

સંજ્ઞા: Ca
પરમાણુ ક્રમાંક (Z): 20
પરમાણુ દળ: 40.08 u (આશરે)
સમૂહ: 2 (આલ્કલાઇન અર્થ ધાતુઓ)
આવર્ત: 4
બ્લોક: s-બ્લોક
સંયોજકતા: 2
સામાન્ય ઓક્સિડેશન અવસ્થા: +2
પ્રકૃતિ: નરમ, ચાંદી જેવી સફેદ, સક્રિય ધાતુ.
ઘનતા: 1.55 g/cm³
ગલનબિંદુ: 842 °C
ઉત્કલનબિંદુ: 1484 °C

ઇલેક્ટ્રોન રચના અને બંધન વર્તન

કેલ્શિયમની ઇલેક્ટ્રોન રચના તેની રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાશીલતા નક્કી કરે છે.

ભૂમિ અવસ્થા ઇલેક્ટ્રોન રચના (સંપૂર્ણ): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²
ભૂમિ અવસ્થા ઇલેક્ટ્રોન રચના (સંક્ષિપ્ત): [Ar] 4s² સમૂહ 2 ના તત્વ તરીકે, કેલ્શિયમ તેની સૌથી બહારની કક્ષામાં બે સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોન (4s²) ધરાવે છે. તે સ્થિર ઉમદા વાયુની રચના (આર્ગોન જેવી) પ્રાપ્ત કરવા માટે આ બે ઇલેક્ટ્રોન સરળતાથી ગુમાવે છે, જેનાથી દ્વિધન આયન, Ca²⁺ બને છે. આ વૃત્તિ કેલ્શિયમને એક મજબૂત રિડ્યુસિંગ એજન્ટ બનાવે છે અને મુખ્યત્વે આયનીય સંયોજનોની રચના તરફ દોરી જાય છે.

મહત્વપૂર્ણ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ

1. હવા/ઓક્સિજન સાથેની પ્રતિક્રિયા (ઓક્સિડેશન)

કેલ્શિયમ હવામાં ઝાંખું પડે છે, ઓક્સિજન સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ બનાવે છે. ગરમ કરવામાં આવે ત્યારે તે હવામાં જોરશોરથી બળે છે, મુખ્યત્વે કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ અને થોડું કેલ્શિયમ નાઇટ્રાઇડ ઉત્પન્ન કરે છે.

ઓક્સિજન સાથે: 2Ca(s) + O₂(g) → 2CaO(s)
નાઇટ્રોજન સાથે (ઉચ્ચ તાપમાને): 3Ca(s) + N₂(g) → Ca₃N₂(s)

2. પાણી સાથેની પ્રતિક્રિયા

કેલ્શિયમ ઠંડા પાણી સાથે મધ્યમ રીતે પ્રતિક્રિયા કરે છે, હાઇડ્રોજન વાયુ મુક્ત કરે છે અને કેલ્શિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ બનાવે છે. તે પાણીમાં ડૂબી જાય છે.

Ca(s) + 2H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂(g)

3. એસિડ સાથેની પ્રતિક્રિયા

કેલ્શિયમ મંદ એસિડ જેવા કે HCl અને H₂SO₄ સાથે જોરશોરથી પ્રતિક્રિયા કરે છે, હાઇડ્રોજન વાયુ અને અનુરૂપ કેલ્શિયમ ક્ષાર ઉત્પન્ન કરે છે.

હાઇડ્રોક્લોરિક એસિડ સાથે: Ca(s) + 2HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂(g)
સલ્ફ્યુરિક એસિડ સાથે: Ca(s) + H₂SO₄(aq) → CaSO₄(s) + H₂(g) (નોંધ: CaSO₄ ઓછો દ્રાવ્ય છે, જે એક રક્ષણાત્મક સ્તર બનાવે છે જે જો સાંદ્ર H₂SO₄ નો ઉપયોગ કરવામાં આવે તો વધુ પ્રતિક્રિયાને અવરોધી શકે છે.)

4. હેલોજન સાથેની પ્રતિક્રિયા

કેલ્શિયમ હેલોજન સાથે સીધી પ્રતિક્રિયા કરીને કેલ્શિયમ હેલાઇડ્સ બનાવે છે.

ક્લોરિન સાથે: Ca(s) + Cl₂(g) → CaCl₂(s)

5. કેલ્શિયમ કાર્બોનેટ (ચૂનાના પત્થર) નું વિઘટન

કેલ્શિયમ કાર્બોનેટ (ચૂનાના પત્થર) ને ગરમ કરવું એ એક મુખ્ય ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયા છે, જે કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ (ઝડપી ચૂનો) અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડ ઉત્પન્ન કરે છે.

CaCO₃(s) \xrightarrow\{\Delta\} CaO(s) + CO₂(g)

6. કેલ્શિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડનું નિર્માણ (ચૂનાનું શમન)

કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ (ઝડપી ચૂનો) પાણી સાથે ઉષ્માક્ષેપક પ્રતિક્રિયા કરીને કેલ્શિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (ફોડેલો ચૂનો) બનાવે છે.

CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(s)

ઔદ્યોગિક અને જૈવિક મહત્વ

ઔદ્યોગિક મહત્વ

સિમેન્ટ અને કોંક્રિટ: કેલ્શિયમ કાર્બોનેટ સિમેન્ટ ઉત્પાદન માટે મુખ્ય કાચો માલ છે. કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ અને કેલ્શિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ કોંક્રિટ અને મોર્ટારમાં આવશ્યક ઘટકો છે.
સ્ટીલ ઉત્પાદન: સ્ટીલના ઉત્પાદન દરમિયાન અશુદ્ધિઓ (જેમ કે સિલિકા અને ફોસ્ફરસ) દૂર કરવા માટે કેલ્શિયમ સંયોજનો ફ્લક્સિંગ એજન્ટ તરીકે ઉપયોગ થાય છે.
કૃષિ: કેલ્શિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (ફોડેલો ચૂનો) નો ઉપયોગ એસિડિક જમીનને તટસ્થ કરવા માટે થાય છે. કેલ્શિયમ ધરાવતા ખાતરો જમીનના કેલ્શિયમને ફરી ભરે છે.
કાચ અને સિરામિક્સ: કેલ્શિયમ સંયોજનોનો ઉપયોગ વિવિધ પ્રકારના કાચ અને સિરામિક ઉત્પાદનોના ઉત્પાદનમાં થાય છે.
પ્લાસ્ટર ઓફ પેરિસ: કેલ્શિયમ સલ્ફેટ હેમિહાઇડ્રેટ (CaSO₄·½H₂O), જે જીપ્સમ (CaSO₄·2H₂O) માંથી મેળવાય છે, તેનો ઉપયોગ કાસ્ટ, શિલ્પો અને બાંધકામમાં વ્યાપકપણે થાય છે.

જૈવિક મહત્વ

હાડકાં અને દાંત: કેલ્શિયમ ફોસ્ફેટ (હાઇડ્રોક્સીએપેટાઇટ) હાડકાં અને દાંતનો પ્રાથમિક ખનિજ ઘટક છે, જે માળખાકીય કઠોરતા અને શક્તિ પ્રદાન કરે છે.
સ્નાયુ સંકોચન: કેલ્શિયમ આયનો (Ca²⁺) નિયમનકારી પ્રોટીન સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરીને સ્નાયુ સંકોચનને ટ્રિગર કરે છે.
ચેતા આવેગ પ્રસારણ: ચેતા અંતિમો પર Ca²⁺ નો પ્રવાહ ન્યુરોટ્રાન્સમિટર્સના પ્રકાશન માટે નિર્ણાયક છે, જે ચેતા આવેગ પ્રસારણને સરળ બનાવે છે.
રક્ત ગંઠાઈ જવું: રક્ત ગંઠાઈ જવાના જટિલ કાસ્કેડમાં સામેલ ઘણા ઉત્સેચકો માટે કેલ્શિયમ આયનો આવશ્યક સહકારકો છે.
એન્ઝાઇમ સહકારક: ઘણા ઉત્સેચકોને તેમની પ્રવૃત્તિ અને યોગ્ય કાર્ય માટે Ca²⁺ ની જરૂર પડે છે.