कॅल्शियम या मूलतत्त्वाला समजून घेणे
कॅल्शियम (Ca) हे एक चांदीसारखे पांढरे, तुलनेने मऊ आणि क्रियाशील धातूचे मूलद्रव्य आहे. हे आवर्त सारणीतील गट 2 मध्ये असलेले अल्कधर्मी मृदा धातू (alkaline earth metal) आहे. कॅल्शियम पृथ्वीच्या कवचात मुबलक प्रमाणात आढळते, अनेकदा ते चुनखडी (कॅल्शियम कार्बोनेट), जिप्सम (कॅल्शियम सल्फेट डायहायड्रेट) आणि फ्लोराईट (कॅल्शियम फ्लोराईड) यांसारख्या खनिजांच्या स्वरूपात सापडते. त्याची संयुगे विविध जैविक आणि औद्योगिक उपयोगांसाठी आवश्यक आहेत. उदाहरणार्थ, कॅल्शियम हे मानवी आणि प्राण्यांच्या हाडे आणि दातांचा एक महत्त्वाचा घटक आहे, आणि कॅल्शियम कार्बोनेट सिमेंट उत्पादनासाठी एक प्राथमिक कच्चा माल आहे, जो भारतातील एक महत्त्वाचा उद्योग आहे.
अणुक्रमांक आणि वस्तुमान संख्या
प्रत्येक अणू त्याच्या अणुक्रमांकाद्वारे (Z) अद्वितीयपणे ओळखला जातो, जो त्याच्या केंद्रकात असलेल्या प्रोटॉनची संख्या दर्शवतो. वस्तुमान संख्या (A) केंद्रकातील प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉनची एकूण संख्या दर्शवते.
- कॅल्शियमचा अणुक्रमांक (Z): 20
- कॅल्शियमच्या सर्वात सामान्य समस्थानिकाची वस्तुमान संख्या (A): 40 (विशेषतः, कॅल्शियम-40 साठी, $^{40}\text{Ca}$ असे दर्शविले जाते)
कॅल्शियममध्ये अनेक समस्थानिके असली तरी, कॅल्शियम-40 सर्वात मुबलक आहे, जे नैसर्गिकरित्या आढळणाऱ्या कॅल्शियमपैकी 96% पेक्षा जास्त आहे.
कॅल्शियम अणूतील उप-अणु कण
एक उदासीन अणूसाठी, इलेक्ट्रॉनची संख्या प्रोटॉनच्या संख्येएवढी असते. न्यूट्रॉनची संख्या वस्तुमान संख्येतून अणुक्रमांक (A - Z) वजा करून काढता येते.
- प्रोटॉनची संख्या: कॅल्शियमचा अणुक्रमांक 20 आहे, त्यामुळे कॅल्शियम अणूमध्ये 20 प्रोटॉन असतात.
- इलेक्ट्रॉनची संख्या: उदासीन कॅल्शियम अणूमध्ये 20 प्रोटॉन असल्याने, सकारात्मक चार्ज संतुलित करण्यासाठी त्यात 20 इलेक्ट्रॉन देखील असतात.
- न्यूट्रॉनची संख्या: सर्वात सामान्य समस्थानिक, कॅल्शियम-40 ($^{40}\text{Ca}$) साठी, न्यूट्रॉनची संख्या 40 (वस्तुमान संख्या) - 20 (अणुक्रमांक) = 20 न्यूट्रॉन आहे.
इलेक्ट्रॉन संरचना
इलेक्ट्रॉन संरचना अणूच्या केंद्रकाभोवती असलेल्या अणु ऑर्बिटल्स आणि सबशेल्समध्ये इलेक्ट्रॉनच्या व्यवस्थेचे वर्णन करते. इलेक्ट्रॉन औफबाऊ सिद्धांत (Aufbau principle), हंडचा नियम (Hund’s rule) आणि पॉली अपवर्जन सिद्धांत (Pauli exclusion principle) नुसार ऑर्बिटल्स भरतात.
20 इलेक्ट्रॉन असलेल्या कॅल्शियमसाठी, इलेक्ट्रॉन संरचना दोन प्रकारे लिहिता येते:
-
पूर्ण इलेक्ट्रॉन संरचना: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$
- यावरून असे सूचित होते की:
- 2 इलेक्ट्रॉन $1s$ ऑर्बिटलमध्ये (K शेल) असतात.
- 2 इलेक्ट्रॉन $2s$ ऑर्बिटलमध्ये आणि 6 इलेक्ट्रॉन $2p$ ऑर्बिटल्समध्ये (L शेल) असतात.
- 2 इलेक्ट्रॉन $3s$ ऑर्बिटलमध्ये आणि 6 इलेक्ट्रॉन $3p$ ऑर्बिटल्समध्ये (M शेल) असतात.
- 2 इलेक्ट्रॉन $4s$ ऑर्बिटलमध्ये (N शेल) असतात.
- यावरून असे सूचित होते की:
-
नोबल वायू संरचना: $[\text{Ar}] 4s^2$
- ही संक्षिप्त (shorthand) नोटेशन मागील नोबल वायूच्या (आर्गॉन, ज्यामध्ये 18 इलेक्ट्रॉन आहेत) चिन्हाचा वापर आंतरिक कोर इलेक्ट्रॉन दर्शवण्यासाठी करते. आर्गॉनची संरचना $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6$ आहे. कॅल्शियमचे उर्वरित 2 इलेक्ट्रॉन नंतर $4s$ ऑर्बिटलमध्ये ठेवले जातात.
संयुजा इलेक्ट्रॉन
संयुजा इलेक्ट्रॉन हे अणूच्या सर्वात बाहेरील मुख्य ऊर्जा स्तरातील (शेलमधील) इलेक्ट्रॉन असतात. हे इलेक्ट्रॉन प्रामुख्याने रासायनिक बंधात भाग घेतात आणि मूलद्रव्याचे रासायनिक गुणधर्म आणि अभिक्रियाशीलता निश्चित करतात.
कॅल्शियमसाठी, त्याच्या इलेक्ट्रॉन संरचनेनुसार $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$:
- सर्वात बाहेरील मुख्य ऊर्जा स्तर $n=4$ आहे.
- या $n=4$ शेलमध्ये, $4s$ ऑर्बिटलमध्ये 2 इलेक्ट्रॉन असतात.
म्हणून, कॅल्शियममध्ये 2 संयुजा इलेक्ट्रॉन आहेत. जेव्हा कॅल्शियम आयनिक संयुगे बनवते, तेव्हा हे दोन संयुजा इलेक्ट्रॉन सहजपणे गमावले जातात, ज्यामुळे स्थिर $\text{Ca}^{2+}$ आयन तयार होतो, जसे राजस्थानमधील रॉक फॉस्फेट ठेवींमध्ये आढळणाऱ्या कॅल्शियम फॉस्फेट किंवा सागरी जीवांच्या कवचातील कॅल्शियम कार्बोनेटसारख्या सामान्य संयुगांमध्ये दिसून येते.