Кальций -Calcium
Кальций | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Появление | тусклый серый, серебристый; с бледно-желтым оттенком | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Стандартный атомный вес Ar °(Ca) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Кальций в периодической таблице | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Атомный номер ( Z ) | 20 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Группа | группа 2 (щелочноземельные металлы) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Период | период 4 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Блокировать | s-блок | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электронная конфигурация | [ Ар ] 4с 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электроны на оболочку | 2, 8, 8, 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Физические свойства | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Фаза на СТП | твердый | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Температура плавления | 1115 К (842 ° С, 1548 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Точка кипения | 1757 К (1484 °С, 2703 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Плотность (около rt ) | 1,55 г/см 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
в жидком состоянии (при т.пл. ) | 1,378 г/см 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теплота плавления | 8,54 кДж/моль | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теплота парообразования | 154,7 кДж/моль | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Молярная теплоемкость | 25,929 Дж/(моль·К) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Давление газа
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Атомные свойства | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Степени окисления | +1, +2 (сильноосновной оксид ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
электроотрицательность | Шкала Полинга: 1,00 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Энергии ионизации | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Радиус атома | эмпирический: 197 часов | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ковалентный радиус | 176±10 часов | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Радиус Ван-дер-Ваальса | 231 час. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Спектральные линии кальция | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Другие свойства | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Естественное явление | изначальный | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Кристальная структура | гранецентрированная кубическая (ГЦК) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Скорость звука тонкий стержень | 3810 м/с (при 20 °С) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Тепловое расширение | 22,3 мкм/(м⋅K) (при 25 °C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теплопроводность | 201 Вт/(м⋅К) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Удельное электрическое сопротивление | 33,6 нОм⋅м (при 20 °C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Магнитный порядок | диамагнитный | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Молярная магнитная восприимчивость | +40,0 × 10–6 см 3 / моль | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Модуль для младших | 20 ГПа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Модуль сдвига | 7,4 ГПа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Объемный модуль | 17 ГПа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
коэффициент Пуассона | 0,31 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Твердость по шкале Мооса | 1,75 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
твердость по Бринеллю | 170–416 МПа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Количество CAS | 7440-70-2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
История | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Открытие и первая изоляция | Хамфри Дэви (1808 г.) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Основные изотопы кальция | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Кальций представляет собой химический элемент с символом Ca и атомным номером 20. Как щелочноземельный металл , кальций является химически активным металлом, который образует темный оксидно-нитридный слой при воздействии воздуха. Его физические и химические свойства наиболее близки к его более тяжелым гомологам стронцию и барию . Это пятый по распространенности элемент в земной коре и третий по распространенности металл после железа и алюминия . Наиболее распространенным соединением кальция на Земле является карбонат кальция , обнаруженный в известняке и окаменелых остатках ранней морской жизни; гипс , ангидрит , флюорит и апатит также являются источниками кальция. Название происходит от латинского calx « известь », которое получали при нагревании известняка.
Некоторые соединения кальция были известны древним, хотя их химический состав был неизвестен до XVII века. Чистый кальций был выделен в 1808 году путем электролиза его оксида Гемфри Дэви , давшим название этому элементу. Соединения кальция широко используются во многих отраслях промышленности: в пищевых продуктах и фармацевтических препаратах для добавления кальция , в бумажной промышленности в качестве отбеливателей, в качестве компонентов цемента и электрических изоляторов, а также в производстве мыла. С другой стороны, металл в чистом виде имеет мало применений из-за его высокой реакционной способности; тем не менее, в небольших количествах он часто используется как легирующий компонент в выплавке стали, а иногда, как кальциево-свинцовый сплав, при изготовлении автомобильных аккумуляторов.
Кальций является самым распространенным металлом и пятым по распространенности элементом в организме человека . В качестве электролитов ионы кальция ( Ca 2+ ) играют жизненно важную роль в физиологических и биохимических процессах организмов и клеток : в путях передачи сигналов, где они действуют как вторичные мессенджеры ; в высвобождении нейротрансмиттеров из нейронов ; при сокращении всех типов мышечных клеток ; как кофакторы многих ферментов ; и в оплодотворении . Ионы кальция вне клеток важны для поддержания разности потенциалов на возбудимых клеточных мембранах , синтеза белка и формирования костей.
Характеристики
Классификация
Кальций — очень пластичный металл серебристого цвета (иногда описываемый как бледно-желтый), свойства которого очень похожи на свойства более тяжелых элементов этой группы: стронция , бария и радия . Атом кальция имеет двадцать электронов, расположенных в электронной конфигурации [Ar]4s 2 . Подобно другим элементам, помещенным во 2-ю группу периодической таблицы, кальций имеет два валентных электрона на самой внешней s-орбитали, которые очень легко теряются в химических реакциях, образуя двуположительный ион со стабильной электронной конфигурацией благородного газа . случай аргон .
Следовательно, кальций почти всегда двухвалентен в своих соединениях, обычно ионных . Гипотетические одновалентные соли кальция будут устойчивы по отношению к входящим в них элементам, но не к диспропорционированию с двухвалентными солями и металлическим кальцием, поскольку энтальпия образования MX 2 значительно выше, чем у гипотетического MX. Это происходит из-за гораздо большей энергии решетки , обеспечиваемой более сильно заряженным катионом Ca 2+ по сравнению с гипотетическим катионом Ca + .
Кальций, стронций, барий и радий всегда считались щелочноземельными металлами ; более легкие бериллий и магний также часто включаются в группу 2 периодической таблицы. Тем не менее, бериллий и магний значительно отличаются от других членов группы по своему физическому и химическому поведению: они ведут себя больше как алюминий и цинк соответственно и имеют некоторые из более слабых металлических свойств постпереходных металлов , поэтому традиционное определение термина «щелочноземельный металл» исключает их.
Физические свойства
Металлический кальций плавится при 842 °С и кипит при 1494 °С; эти значения выше, чем у магния и стронция, соседних металлов 2 группы. Он кристаллизуется в гранецентрированном кубическом расположении подобно стронцию; выше 450 ° C он превращается в анизотропную гексагональную плотноупакованную структуру, такую как магний. Его плотность 1,55 г/см 3 является самой низкой в своей группе.
Кальций тверже свинца , но с усилием его можно разрезать ножом. Хотя кальций является худшим проводником электричества, чем медь или алюминий по объему, он является лучшим проводником по массе, чем оба, из-за его очень низкой плотности. Хотя кальций непригоден в качестве проводника для большинства наземных применений, поскольку он быстро реагирует с атмосферным кислородом, его использование как таковое в космосе рассматривалось.
Химические свойства
Химический состав кальция такой же, как у типичного тяжелого щелочноземельного металла. Например, кальций самопроизвольно реагирует с водой быстрее, чем магний, и медленнее, чем стронций, с образованием гидроксида кальция и газообразного водорода. Он также реагирует с кислородом и азотом в воздухе, образуя смесь оксида кальция и нитрида кальция . Будучи мелкодисперсным, он самопроизвольно сгорает на воздухе с образованием нитрида. В массе кальций менее реакционноспособен: он быстро образует гидратационное покрытие во влажном воздухе, но при относительной влажности ниже 30% может храниться неопределенное время при комнатной температуре.
Помимо простого оксида CaO, пероксид CaO 2 может быть получен путем прямого окисления металлического кальция под высоким давлением кислорода, и есть некоторые свидетельства существования желтого супероксида Ca(O 2 ) 2 . Гидроксид кальция, Ca(OH) 2 , является сильным основанием, хотя и не таким сильным, как гидроксиды стронция, бария или щелочных металлов. Известны все четыре дигалогенида кальция. Карбонат кальция (CaCO 3 ) и сульфат кальция (CaSO 4 ) являются особенно распространенными минералами. Подобно стронцию и барию, а также щелочным металлам и двухвалентным лантаноидам европию и иттербию , металлический кальций растворяется непосредственно в жидком аммиаке с образованием темно-синего раствора.
Из-за большого размера иона кальция (Ca 2+ ) обычны высокие координационные числа, до 24 в некоторых интерметаллических соединениях , таких как CaZn 13 . Кальций легко образует комплексы с кислородными хелатами , такими как ЭДТА и полифосфаты , которые используются в аналитической химии и для удаления ионов кальция из жесткой воды . В отсутствие стерических препятствий более мелкие катионы группы 2 имеют тенденцию к образованию более прочных комплексов, но когда участвуют крупные полидентатные макроциклы , тенденция обратная.
Хотя кальций находится в той же группе, что и магний, и магнийорганические соединения очень широко используются в химии, кальцийорганические соединения не так широко распространены, потому что их труднее получить и они более реакционноспособны, хотя недавно они были исследованы в качестве возможных катализаторов . Кальцийорганические соединения имеют тенденцию быть более похожими на ойттербийорганические соединения из-за сходных ионных радиусов Yb 2+ (102 пм) и Ca 2+ (100 пм).
Большинство этих соединений можно получить только при низких температурах; объемные лиганды способствуют стабильности. Например, дициклопентадиенил кальция , Ca(C 5 H 5 ) 2 , должен быть получен прямым взаимодействием металлического кальция с меркуроценом или самим циклопентадиеном ; замена лиганда C 5 H 5 более объемным лигандом C 5 (CH 3 ) 5 , с другой стороны, увеличивает растворимость, летучесть и кинетическую стабильность соединения.
Изотопы
Природный кальций представляет собой смесь пяти стабильных изотопов ( 40Са , 42Са , 43Са , 44Са и 46Са ) и одного изотопа с таким длительным периодом полураспада, что его можно считать стабильным для всех практических целей ( 48Са , с периодом полураспада около 4,3 × 10 19 лет). Кальций является первым (самым легким) элементом, имеющим шесть естественных изотопов.
На сегодняшний день наиболее распространенным изотопом кальция в природе является 40 Ca, который составляет 96,941% всего природного кальция. Он образуется в процессе сжигания кремния в результате синтеза альфа-частиц и является самым тяжелым стабильным нуклидом с равным числом протонов и нейтронов; его возникновение также медленно дополняется распадом первичного 40 К . Добавление еще одной альфа-частицы приводит к нестабильному 44 Ti, который быстро распадается за счет двух последовательных захватов электрона до стабильного 44 Ca; это составляет 2,806% всего природного кальция и является вторым по распространенности изотопом.
Остальные четыре природных изотопа, 42 Ca, 43 Ca, 46 Ca и 48 Ca, встречаются значительно реже, каждый из них составляет менее 1% всего природного кальция. Четыре более легких изотопа в основном являются продуктами процессов сжигания кислорода и кремния, а два более тяжелых изотопа производятся в процессах захвата нейтронов . 46 Ca в основном производится в «горячем» s-процессе , так как для его образования требуется довольно высокий поток нейтронов, чтобы короткоживущий 45 Ca мог захватить нейтрон. 48 Ca производится путем захвата электронов в r-процессе в сверхновых типа Ia , где высокий избыток нейтронов и достаточно низкая энтропия обеспечивают его выживание.
46 Ca и 48 Ca - первые «классически стабильные» нуклиды с избытком в шесть или восемь нейтронов соответственно. Хотя 48 Ca чрезвычайно богат нейтронами для такого легкого элемента, он очень стабилен, потому что это дважды магическое ядро , имеющее 20 протонов и 28 нейтронов, расположенных в замкнутых оболочках. Его бета-распад до 48 Sc сильно затруднен из-за грубого несоответствия ядерных спинов : 48 Ca имеет нулевой ядерный спин, будучи четно-четным , а 48 Sc имеет спин 6+, поэтому распад запрещен законом сохранения углового момента . Хотя два возбужденных состояния 48 Sc также доступны для распада, они также запрещены из-за их высоких спинов. В результате, когда 48 Ca действительно распадается, он делает это в результате двойного бета-распада до 48 Ti , являющегося самым легким нуклидом, который, как известно, подвергается двойному бета-распаду.
Тяжелый изотоп 46 Ca также теоретически может подвергаться двойному бета-распаду до 46 Ti, но этого никогда не наблюдалось. Самый легкий и наиболее распространенный изотоп 40 Ca также является вдвойне магическим и может подвергаться двойному захвату электронов до 40 Ar , но этого также никогда не наблюдалось. Кальций — единственный элемент, имеющий два первичных дважды магических изотопа. Экспериментальные нижние пределы для периодов полураспада 40 Ca и 46 Ca составляют 5,9 × 10 21 лет и 2,8 × 10 15 лет соответственно.
Помимо практически стабильного 48 Ca, самым долгоживущим радиоизотопом кальция является 41 Ca. Он распадается в результате захвата электронов до стабильных 41 К с периодом полураспада около ста тысяч лет. Его существование в ранней Солнечной системе в качестве вымершего радионуклида было выведено из-за избытка 41 K: следы 41 Ca также существуют сегодня, поскольку это космогенный нуклид , непрерывно реформируемый путем нейтронной активации природного 40 Ca.
Известно много других радиоизотопов кальция в диапазоне от 35 Ca до 60 Ca. Все они намного короче, чем 41 Ca, наиболее стабильными среди них являются 45 Ca (период полураспада 163 дня) и 47 Ca (период полураспада 4,54 дня). Изотопы легче 42 Ca обычно подвергаются бета-плюс-распаду с образованием изотопов калия, а тяжелее 44 Ca обычно подвергаются бета-минус-распаду с образованием изотопов скандия , хотя вблизи ядерных границ испускание протонов и испускание нейтронов начинают проявляться в значительных режимах распада. также.
Как и в случае с другими элементами, относительное содержание изотопов кальция изменяется в результате множества процессов. Наиболее изученным из этих процессов является массозависимое фракционирование изотопов кальция, которое сопровождает осаждение минералов кальция, таких как кальцит , арагонит и апатит , из раствора. Более легкие изотопы предпочтительно включаются в эти минералы, в результате чего окружающий раствор обогащен более тяжелыми изотопами в количестве примерно 0,025% на единицу атомной массы (а.е.м.) при комнатной температуре. Зависящие от массы различия в составе изотопов кальция обычно выражают соотношением двух изотопов (обычно 44 Ca/ 40 Ca) в образце по сравнению с тем же соотношением в стандартном эталонном материале. 44 Ca/ 40 Ca варьируется примерно на 1% среди обычных земных материалов.
История
Соединения кальция были известны на протяжении тысячелетий, хотя их химический состав не был изучен до 17 века. Известь в качестве строительного материала и гипса для статуй использовалась еще около 7000 г. до н.э. Первая датированная печь для обжига извести датируется 2500 г. до н.э. и была найдена в Хафадже , Месопотамия .
Примерно в то же время обезвоженный гипс (CaSO 4 ·2H 2 O) использовался в Великой пирамиде Гизы . Этот материал позже будет использован для штукатурки в гробнице Тутанхамона . Вместо этого древние римляне использовали известковые растворы, приготовленные путем нагревания известняка (CaCO 3 ). Само название «кальций» происходит от латинского слова calx «известь».
Витрувий отметил, что полученная известь была легче исходного известняка, объясняя это кипением воды. В 1755 году Джозеф Блэк доказал, что это произошло из-за потери углекислого газа , который как газ не был признан древними римлянами.
В 1789 году Антуан Лавуазье предположил, что известь может быть оксидом основного химического элемента . В своей таблице элементов Лавуазье перечислил пять «солевых земель» (т. е. руд, которые можно заставить реагировать с кислотами с образованием солей ( salis = соль, на латыни): chaux (оксид кальция), магнезия (магнезия, оксид магния ). ), барит (сульфат бария), алюминий (оксид алюминия, оксид алюминия) и кремнезем (кремнезем, диоксид кремния)). Об этих «элементах» Лавуазье рассуждал так:
Мы, вероятно, знакомы пока только с частью металлических веществ, существующих в природе, так как все те, которые имеют большее сродство к кислороду, чем углерод, неспособны до сих пор восстанавливаться до металлического состояния и, следовательно, являются только представленные нашему наблюдению в виде оксидов, смешиваются с землями. Чрезвычайно вероятно, что бариты, которые мы только что сопоставили с землями, находятся в таком положении; ибо во многих экспериментах он проявляет свойства, почти приближающиеся к свойствам металлических тел. Возможно даже, что все вещества, которые мы называем землей, могут быть только металлическими оксидами, невосстановимыми ни одним из известных до сих пор процессов.
Кальций вместе с родственными ему магнием, стронцием и барием был впервые выделен Гемфри Дэви в 1808 году . оксиды с оксидом ртути(II) на платиновой пластине, которая использовалась в качестве анода, а катод представлял собой платиновую проволоку, частично погруженную в ртуть. Затем электролиз дал амальгамы кальция и ртути и магния и ртути, а отгонка ртути дала металл. Однако чистый кальций не может быть получен в больших количествах этим методом, а работающий коммерческий процесс его производства был найден только более века спустя.
Возникновение и производство
При содержании 3% кальций является пятым по распространенности элементом в земной коре и третьим по распространенности металлом после алюминия и железа . Это также четвертый по распространенности элемент в лунных нагорьях . Осадочные отложения карбоната кальция пронизывают поверхность Земли в виде окаменелых остатков прошлой морской жизни; они встречаются в двух формах: ромбоэдрический кальцит (чаще) и орторомбический арагонит (формируется в более умеренных морях). Полезные ископаемые 1-го типа: известняк , доломит , мрамор , мел , исландский шпат ; арагонитовые пласты составляют бассейны Багамских островов , Флорида-Кис и Красного моря . Кораллы , морские раковины и жемчуг в основном состоят из карбоната кальция. К другим важным минералам кальция относятся гипс (CaSO 4 ·2H 2 O), ангидрит (CaSO 4 ), флюорит (CaF 2 ) и апатит ([Ca 5 (PO 4 ) 3 F]).
Основными производителями кальция являются Китай (около 10 000–12 000 т в год), Россия (около 6 000–8 000 т в год) и США (около 2 000–4 000 т в год). Канада и Франция также входят в число второстепенных производителей. В 2005 г. произведено около 24 тыс. тонн кальция; около половины добываемого в мире кальция используется Соединенными Штатами, причем ежегодно используется около 80% продукции.
В России и Китае метод электролиза Дэви все еще используется, но вместо этого применяется к расплавленному хлориду кальция . Поскольку кальций менее реакционноспособен, чем стронций или барий, оксидно-нитридное покрытие, образующееся на воздухе, стабильно, а токарная обработка и другие стандартные металлургические методы подходят для кальция. В Соединенных Штатах и Канаде кальций вместо этого производится путем восстановления извести алюминием при высоких температурах.
Геохимический цикл
Круговорот кальция обеспечивает связь между тектоникой , климатом и круговоротом углерода . Проще говоря, поднятие гор подвергает кальцийсодержащие породы, такие как некоторые граниты , химическому выветриванию и высвобождению Ca 2+ в поверхностные воды. Эти ионы переносятся в океан, где они реагируют с растворенным CO 2 с образованием известняка ( CaCO
3), который, в свою очередь, оседает на морское дно, где он включается в новые породы. Растворенный CO 2 вместе с ионами карбоната и бикарбоната называют « растворенным неорганическим углеродом » (DIC).
Реальная реакция более сложна и включает ион бикарбоната ( HCO−
3), который образуется, когда CO 2 реагирует с водой при рН морской воды :
При pH морской воды большая часть CO 2 немедленно превращается обратно в HCO.−
3. Реакция приводит к переносу одной молекулы CO 2 из океана/атмосферы в литосферу . В результате каждый ион Ca 2+ , высвобождаемый в результате химического выветривания, в конечном итоге удаляет одну молекулу CO 2 из поверхностной системы (атмосферы, океана, почвы и живых организмов), сохраняя ее в карбонатных породах, где она, вероятно, останется на сотни миллионов лет. годы. Таким образом, выветривание кальция из горных пород вымывает CO 2 из океана и атмосферы, оказывая сильное долгосрочное воздействие на климат.
Использование
Больше всего металлический кальций используется в сталелитейном производстве из-за его сильного химического сродства к кислороду и сере . Его оксиды и сульфиды после образования дают жидкий алюминат извести и сульфидные включения в стали, которые всплывают наружу; при обработке эти включения распределяются по стали и становятся мелкими и сферическими, улучшая литейные свойства, чистоту и общие механические свойства. Кальций также используется в необслуживаемых автомобильных батареях , в которых использование 0,1% кальциево - свинцовых сплавов вместо обычных сурьмяно -свинцовых сплавов приводит к меньшим потерям воды и меньшему саморазряду.
Из-за риска расширения и растрескивания в эти сплавы иногда также включают алюминий . Эти свинцово-кальциевые сплавы также используются в литье, заменяя свинцово-сурьмяные сплавы. Кальций также используется для упрочнения алюминиевых сплавов, используемых для подшипников, для контроля графитового углерода в чугуне и для удаления примесей висмута из свинца. Металлический кальций содержится в некоторых очистителях канализации, где он выделяет тепло и гидроксид кальция, который омыляет жиры и разжижает белки (например, содержащиеся в волосах), блокирующие стоки.
Помимо металлургии, реакционная способность кальция используется для удаления азота из газообразного аргона высокой чистоты и в качестве поглотителя кислорода и азота. Он также используется в качестве восстановителя в производстве хрома , циркония , тория и урана . Его также можно использовать для хранения газообразного водорода, поскольку он реагирует с водородом с образованием твердого гидрида кальция , из которого водород можно легко повторно извлечь.
Фракционирование изотопов кальция во время образования минералов привело к нескольким применениям изотопов кальция. В частности, наблюдение Скулана и ДеПаоло в 1997 г. о том, что минералы кальция изотопно легче, чем растворы, из которых осаждаются минералы, является основой аналогичных приложений в медицине и палеоокеанографии. У животных со скелетом, минерализованным кальцием, изотопный состав кальция мягких тканей отражает относительную скорость образования и растворения скелетного минерала.
Было показано, что у людей изменения изотопного состава кальция в моче связаны с изменениями минерального баланса костей. Когда скорость костеобразования превышает скорость резорбции кости, отношение 44 Ca/ 40 Ca в мягких тканях возрастает, и наоборот. Из-за этой взаимосвязи измерения изотопов кальция в моче или крови могут быть полезны для раннего выявления метаболических заболеваний костей, таких как остеопороз .
Аналогичная система существует в морской воде, где соотношение 44 Ca/ 40 Ca имеет тенденцию к повышению, когда скорость удаления Ca 2+ минеральными осадками превышает поступление нового кальция в океан. В 1997 г. Скулан и ДеПаоло представили первые доказательства изменения содержания 44 Ca/ 40 Ca в морской воде в течение геологического времени, а также теоретическое объяснение этих изменений. Более поздние работы подтвердили это наблюдение, продемонстрировав, что концентрация Ca 2+ в морской воде непостоянна и что океан никогда не находится в «стационарном состоянии» в отношении входа и выхода кальция. Это имеет важные климатологические последствия, поскольку морской цикл кальция тесно связан с углеродным циклом .
Многие соединения кальция используются, в частности, в пищевых продуктах, в качестве фармацевтических препаратов и в медицине. Например, кальций и фосфор добавляются в пищу за счет добавления лактата кальция , дифосфата кальция и трикальцийфосфата . Последний также используется в качестве полирующего агента в зубной пасте и в антацидах . Лактобионат кальция представляет собой белый порошок, который используется в качестве суспендирующего агента для фармацевтических препаратов. В выпечке фосфат кальция используется как разрыхлитель . Сульфит кальция используется в качестве отбеливателя в производстве бумаги и в качестве дезинфицирующего средства, силикат кальция используется в качестве армирующего агента в каучуке, а ацетат кальция является компонентом известковой канифоли и используется для изготовления металлического мыла и синтетических смол.
Кальций входит в Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения .
Источники питания
К продуктам, богатым кальцием, относятся молочные продукты , такие как йогурт и сыр , сардины , лосось , соевые продукты, капуста и обогащенные сухие завтраки .
Из-за опасений по поводу долгосрочных неблагоприятных побочных эффектов, включая кальцификацию артерий и камни в почках , Институт медицины США (IOM) и Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) установили допустимые верхние уровни потребления (UL) для комбинированных диетических и пищевых добавок. кальций. Согласно IOM, люди в возрасте 9–18 лет не должны превышать 3 г / день комбинированного потребления; в возрасте 19–50 лет не более 2,5 г/сутки; в возрасте 51 года и старше не более 2 г/сут. EFSA установило UL для всех взрослых на уровне 2,5 г/день, но решило, что информации для детей и подростков недостаточно для определения UL.
Биологическая и патологическая роль
Возраст | Кальций (мг/день) |
---|---|
1–3 года | 700 |
4–8 лет | 1000 |
9–18 лет | 1300 |
19–50 лет | 1000 |
>51 год | 1000 |
Беременность | 1000 |
Кормление грудью | 1000 |
Функция
Кальций является важным элементом , необходимым в больших количествах. Ион Ca 2+ действует как электролит и жизненно важен для здоровья мышечной, кровеносной и пищеварительной систем; незаменим для построения костей; и поддерживает синтез и функцию клеток крови. Например, он регулирует сокращение мышц , нервную проводимость и свертывание крови. В результате уровни внутри- и внеклеточного кальция жестко регулируются организмом. Эту роль может играть кальций, так как ион Са 2+ образует устойчивые координационные комплексы со многими органическими соединениями, особенно с белками ; он также образует соединения с широким диапазоном растворимости, что позволяет формировать скелет .
Связывание
Ионы кальция могут образовывать комплексы с белками за счет связывания карбоксильных групп остатков глутаминовой кислоты или аспарагиновой кислоты ; посредством взаимодействия с фосфорилированными остатками серина , тирозина или треонина ; или путем хелатирования γ-карбоксилированными аминокислотными остатками. Трипсин , пищеварительный фермент, использует первый метод; остеокальцин , белок костного матрикса, использует третий.
Некоторые другие белки костного матрикса, такие как остеопонтин и костный сиалопротеин, используют как первый, так и второй. Прямая активация ферментов путем связывания кальция является обычным явлением; некоторые другие ферменты активируются за счет нековалентной ассоциации с ферментами, напрямую связывающими кальций. Кальций также связывается с фосфолипидным слоем клеточной мембраны , закрепляя белки, связанные с клеточной поверхностью.
Растворимость
В качестве примера широкого диапазона растворимости соединений кальция: монокальцийфосфат очень хорошо растворим в воде, 85% внеклеточного кальция находится в виде дикальцийфосфата с растворимостью 2,0 мМ , а гидроксиапатит костей в органической матрице представляет собой трикальцийфосфат при 100 мкМ.
Питание
Кальций является обычным компонентом поливитаминных пищевых добавок , но состав комплексов кальция в добавках может влиять на его биодоступность, которая зависит от растворимости участвующей соли: цитрат кальция , малат и лактат обладают высокой биодоступностью, тогда как оксалат менее. Другие препараты кальция включают карбонат кальция , малат цитрата кальция и глюконат кальция . Кишечник поглощает около одной трети съеденного кальция в виде свободного иона , а затем уровень кальция в плазме регулируется почками .
Гормональная регуляция костеобразования и уровней в сыворотке
Гормон паращитовидной железы и витамин D способствуют формированию костей, позволяя и усиливая отложение в них ионов кальция, обеспечивая быстрый обмен костей, не влияя на костную массу или содержание минералов. Когда уровень кальция в плазме падает, активируются рецепторы клеточной поверхности и происходит секреция паратиреоидного гормона; затем он продолжает стимулировать поступление кальция в пул плазмы, забирая его из целевых клеток почек, кишечника и костей, при этом костеобразующее действие паратиреоидного гормона противодействует кальцитонину , секреция которого увеличивается с увеличением уровня кальция в плазме.
Аномальные уровни в сыворотке
Избыточное потребление кальция может вызвать гиперкальциемию . Однако, поскольку кальций всасывается в кишечнике довольно неэффективно, высокий уровень кальция в сыворотке, скорее всего, вызван чрезмерной секрецией паратиреоидного гормона (ПТГ) или, возможно, чрезмерным потреблением витамина D, оба из которых способствуют всасыванию кальция. Все эти состояния приводят к отложению избыточных солей кальция в сердце, кровеносных сосудах или почках. Симптомы включают анорексию, тошноту, рвоту, потерю памяти, спутанность сознания, мышечную слабость, учащенное мочеиспускание, обезвоживание и метаболическое заболевание костей.
Хроническая гиперкальциемия обычно приводит к кальцификации мягких тканей и ее серьезным последствиям: например, кальцификация может вызвать потерю эластичности сосудистых стенок и нарушение ламинарного кровотока, а отсюда разрыв бляшек и тромбоз . И наоборот, недостаточное потребление кальция или витамина D может привести к гипокальциемии , часто также вызванной недостаточной секрецией паратиреоидного гормона или дефектом рецепторов ПТГ в клетках. Симптомы включают нервно-мышечную возбудимость, которая потенциально вызывает тетанию и нарушение проводимости в сердечной ткани.
Болезнь костей
Поскольку кальций необходим для развития костей, многие заболевания костей могут быть связаны с органическим матриксом или гидроксиапатитом в молекулярной структуре или организации кости. Остеопороз — это снижение содержания минералов в кости на единицу объема, и его можно лечить добавлением кальция, витамина D и бисфосфонатов . Недостаточное количество кальция, витамина D или фосфатов может привести к размягчению костей, называемому остеомаляцией .
Безопасность
Металлический кальций
Опасности | |
---|---|
Маркировка СГС : | |
Опасность | |
H261 | |
P231+P232 | |
NFPA 704 (огненный алмаз) |
Поскольку кальций экзотермически реагирует с водой и кислотами, контакт металлического кальция с влагой тела приводит к сильному коррозионному раздражению. При проглатывании металлический кальций оказывает одинаковое воздействие на полость рта, пищевод и желудок и может привести к летальному исходу. Однако известно, что длительное воздействие не имеет явных побочных эффектов.
Рекомендации
Библиография
- Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
- Хлучан, Стивен Э .; Померанц, Кеннет. «Кальций и кальциевые сплавы». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a04_515.pub2 .