Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Страница полузащищенная
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о химическом элементе. Информацию об использовании кальция в качестве лекарства см. В разделе Добавка кальция . Для использования в других целях, см Кальций (значения) .

Кальций,  20 Ca
Кальций унтер Аргон Schutzgasatmosphäre.jpg
Кальций
Внешностьтускло-серый, серебристый; с бледно-желтым оттенком [1]
Стандартный атомный вес A r, std (Ca) 40.078 (4) [2]
Кальций в периодической таблице
ВодородГелий
ЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеон
НатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргон
КалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецУтюгКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптон
РубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийБанкаСурьмаТеллурЙодКсенон
ЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоМеркурий (элемент)ТаллийВестиВисмутПолонийАстатинРадон
ФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклиумКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБориумКалийМейтнерийДармштадтиумРентгенийКопернициумNihoniumФлеровийМосковиумЛиверморийTennessineОганессон
Mg
↑
Ca
↓
Sr
калий ← кальций → скандий
Атомный номер ( Z )20
Группагруппа 2 (щелочноземельные металлы)
Периодпериод 4
Блокировать  s-блок
Электронная конфигурация[ Ar ] 4s 2
Электронов на оболочку2, 8, 8, 2
Физические свойства
Фаза на  СТПтвердый
Температура плавления1115  К (842 ° С, 1548 ° F)
Точка кипения1757 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 плавления8,54  кДж / моль
Теплота испарения154,7 кДж / моль
Молярная теплоемкость25,929 Дж / (моль · К)
Давление газа
P  (Па)1101001 к10 тыс.100 тыс.
при  T  (K)8649561071122714431755
Атомные свойства
Состояния окисления+1, [3] +2 (сильно основной оксид)
ЭлектроотрицательностьШкала Полинга: 1,00
Энергии ионизации
  • 1-я: 589,8 кДж / моль
  • 2-я: 1145,4 кДж / моль
  • 3-я: 4912,4 кДж / моль
  • ( больше )
Радиус атомаэмпирический: 197  пм
Ковалентный радиус176 ± 10 часов вечера
Радиус Ван-дер-Ваальса231 вечера
Спектральные линии кальция
Другие свойства
Естественное явлениеизначальный
Кристальная структурагранецентрированной кубической (ГЦК)
Скорость звука тонкого стержня3810 м / с (при 20 ° C)
Тепловое расширение22,3 мкм / (м · К) (при 25 ° C)
Теплопроводность201 Вт / (м · К)
Удельное электрическое сопротивление33,6 нОм · м (при 20 ° C)
Магнитный заказдиамагнитный
Магнитная восприимчивость+ 40,0 · 10 −6  см 3 / моль [4]
Модуль для младших20 ГПа
Модуль сдвига7,4 ГПа
Объемный модуль17 ГПа
коэффициент Пуассона0,31
Твердость по Моосу1,75
Твердость по Бринеллю170–416 МПа
Количество CAS7440-70-2
История
Открытие и первая изоляцияХэмфри Дэви (1808)
Основные изотопы кальция
ИзотопИзбытокПериод полураспада ( t 1/2 )Режим распадаТовар
40 Ca96,941%стабильный
41 Caслед9,94 × 10 4  гε41 К
42 Ca0,647%стабильный
43 Ca0,135%стабильный
44 Ca2,086%стабильный
45 Caсин162,6 гβ -45 сбн
46 Ca0,004%стабильный
47 Caсин4,5 днβ -47 сбн
γ-
48 Ca0,187%6,4 × 10 19  летβ - β -48 Ti
Категория Категория: Кальций
  • Посмотреть
  • разговаривать
  • редактировать
| Рекомендации

Кальций - это химический элемент с символом Са и атомным номером 20. Как щелочноземельный металл , кальций является химически активным металлом, который при контакте с воздухом образует темный оксидно-нитридный слой. Его физические и химические свойства наиболее близки к его более тяжелым гомологам стронцию и барию . Это пятый по содержанию элемент в земной коре и третий по содержанию металл после железа и алюминия . Наиболее распространенное соединение кальция на Земле - 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 », который получали при нагревании известняка.

Некоторые соединения кальция были известны древним, хотя их химический состав был неизвестен до семнадцатого века. Чистый кальций был выделен в 1808 году путем электролиза его оксида Хамфри Дэви , который назвал этот элемент. Соединения кальция широко используются во многих отраслях промышленности: в пищевой и фармацевтической промышленности 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 в качестве легирующего компонента в сталеплавильном производстве, а иногда в качестве сплава кальция и свинца при производстве автомобильных аккумуляторов.

Кальций - самый распространенный металл и пятый по содержанию элемент в организме человека . [5] Как электролиты , ионы кальция играют жизненно важную роль в физиологических и биохимических процессах организмов и клеток : в путях передачи сигналов, где они действуют как вторичные посредники ; в высвобождении нейромедиаторов из нейронов ; при сокращении всех типов мышечных клеток; в качестве кофакторов многих ферментов ; и в оплодотворении . [5] Ионы кальция вне клеток важны для поддержанияразность потенциалов на возбудимых клеточных мембранах , синтез белка и формирование костей. [5] [6]

Характеристики

Классификация

Кальций - очень пластичный серебристый металл (иногда описываемый как бледно-желтый), свойства которого очень похожи на более тяжелые элементы в его группе, стронций , барий и радий . Атом кальция имеет двадцать электронов, расположенных в электронной конфигурации [Ar] 4s 2 . Как и другие элементы, помещенные в группу 2 периодической таблицы, кальций имеет два валентных электрона на внешней s-орбитали, которые очень легко теряются в химических реакциях с образованием дипозитивного иона со стабильной электронной конфигурацией благородного газа в этой чехол аргон . Следовательно, кальций почти всегда двухвалентен.в его соединениях, которые обычно являются ионными . Гипотетические одновалентные соли кальция были бы стабильны по отношению к своим элементам, но не к диспропорционированию по отношению к двухвалентным солям и металлическому кальцию, потому что энтальпия образования MX 2 намного выше, чем энтальпия образования гипотетического MX. Это происходит из-за гораздо большей энергии решетки, которую дает более заряженный катион Ca 2+ по сравнению с гипотетическим катионом Ca + . [7]

Кальций, стронций, барий и радий всегда считались щелочноземельными металлами ; более легкие бериллий и магний , также входящие в группу 2 периодической таблицы, также часто включаются. 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 более слабый металлический характер по сравнению с постпереходными металлами , поэтому традиционное определение из термина «щелочноземельный металл» их исключает. [8]Эта классификация в основном устарела в англоязычных источниках, но все еще используется в других странах, таких как Япония. [9] В результате сравнения со стронцием и барием более уместны для химии кальция, чем сравнения с магнием. [7]

Физический

Металлический кальций плавится при 842 ° C и кипит при 1494 ° C; эти значения выше, чем у магния и стронция, соседних металлов 2 группы. Он кристаллизуется в гранецентрированной кубической структуре, как стронций; выше 450 ° C он изменяется на анизотропную гексагональную плотноупакованную структуру, подобную магнию. Его плотность 1,55 г / см 3 - самая низкая в своей группе. [7] Кальций тверже свинца, но его можно разрезать ножом с усилием. Хотя по объему кальций является более плохим проводником электричества, чем медь или алюминий , он является лучшим проводником по массе, чем оба, из-за очень низкой плотности. [10]Хотя кальций неприменим в качестве проводника для большинства наземных применений, поскольку он быстро реагирует с атмосферным кислородом, его использование как таковое в космосе было рассмотрено. [11]

Химическая

Структура полимерного центра [Ca (H 2 O) 6 ] 2+ в гидратированном хлориде кальция, иллюстрирующая высокое координационное число, типичное для комплексов кальция.

По своему химическому составу кальций является типичным тяжелым щелочноземельным металлом. Например, кальций самопроизвольно реагирует с водой быстрее, чем магний, и медленнее, чем стронций, с образованием гидроксида кальция и газообразного водорода. Оно также вступает в реакцию с кислородом и азотом в воздухе с образованием смеси оксида кальция и нитрид кальция . [12] При мелком измельчении он самопроизвольно сгорает на воздухе с образованием нитрида. В массе кальций менее реакционноспособен: он быстро образует гидратное покрытие во влажном воздухе, но при относительной влажности ниже 30% он может храниться неограниченное время при комнатной температуре. [13]

Помимо простого оксида CaO, пероксид CaO 2 может быть получен путем прямого окисления металлического кальция под высоким давлением кислорода, и есть некоторые доказательства желтого супероксида Ca (O 2 ) 2 . [14] Гидроксид кальция, Ca (OH) 2 , является сильным основанием, хотя и не таким сильным, как гидроксиды стронция, бария или щелочных металлов. [15] Все четыре дигалогенида кальция известны. [16] Карбонат кальция (CaCO 3 ) и сульфат кальция (CaSO 4 ) являются особенно распространенными минералами. [17]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. [7]

Из-за большого размера иона Ca 2+ обычно встречаются высокие координационные числа, вплоть до 24 в некоторых интерметаллических соединениях, таких как CaZn 13 . [18] Кальций легко образует комплексы с хелатами кислорода, такими как ЭДТА и полифосфаты , которые используются в аналитической химии и удалении ионов кальция из жесткой воды . В отсутствие стерических препятствий катионы группы 2 меньшего размера имеют тенденцию к образованию более прочных комплексов, но когда задействованы большие полидентатные макроциклы , тенденция меняется на противоположную. [17]

Хотя кальций находится в той же группе, что и магний, и магнийорганические соединения очень часто используются в химии, органо-кальциевые соединения не так широко распространены, потому что их труднее получить и они более реакционноспособны, хотя недавно они были исследованы как возможные катализаторы . [19] [20] [21] [22] [23] Органокальциевые соединения имеют тенденцию быть более похожими на органо-эттербиевые соединения из-за схожих ионных радиусов Yb 2+ (102 мкм) и Ca 2+ (100 мкм). Большинство этих соединений можно получить только при низких температурах; объемные лиганды обычно способствуют стабильности. Так , например, кальций - ди - циклопентадиенилCa (C 5 H 5 ) 2 должен быть получен путем непосредственного взаимодействия 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. [24]

Изотопы

Основная статья: Изотопы кальция

Природный кальций представляет собой смесь пяти стабильных изотопов ( 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca и 46 Ca) и одного изотопа с таким длительным периодом полураспада, что его можно считать стабильным для всех практических целей ( 48 Ca , с периодом полураспада около 4,3 × 10 19  лет). Кальций - первый (самый легкий) элемент, содержащий шесть изотопов природного происхождения. [12]

Безусловно, наиболее распространенным изотопом кальция в природе является 40 Ca, что составляет 96,941% всего природного кальция. Он образуется в процессе сжигания кремния из синтеза альфа-частиц и является самым тяжелым стабильным нуклидом с равным числом протонов и нейтронов; его появление также дополняется медленно распадом первобытной 40 K . Добавление еще одной альфа-частицы приводит к нестабильному 44 Ti, который быстро распадается в результате двух последовательных захватов электронов до стабильного 44 Ca; это составляет 2,806% всего природного кальция и является вторым по распространенности изотопом. Остальные четыре природных изотопа, 42 Ca, 43Ca, 46 Ca и 48 Ca встречаются значительно реже, каждый составляет менее 1% всего природного кальция. Четыре более легких изотопа в основном являются продуктами процессов сжигания кислорода и кремния, а два более тяжелых изотопа должны быть получены с помощью процессов 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 Са получают путем захвата электрона в г-процесса в типа Ia сверхновых , где высокий избыток нейтронов и достаточно низкой энтропии обеспечивает его выживание. [25][26]

46 Ca и 48 Ca являются первыми «классически стабильными» нуклидами 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 закрытых оболочках. Его бета-распад до 48 Sc очень затруднен из-за грубого несоответствия ядерных спинов : 48 Ca имеет нулевой ядерный спин, будучи четно-четным , в то время как 48 Sc имеет спин 6+, поэтому распад запрещен сохранением 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 путем двойного бета-распада до 48 Ti , являясь самым легким из известных нуклидов, подвергающихся двойному бета-распаду. [27] [28] Тяжелый изотоп 46 Ca также теоретически может подвергаться двойному бета-распаду до 46 Ti, но этого никогда не наблюдалось; самый легкий и самый распространенный изотоп 40 Ca также обладает двойной магией и может подвергаться двойному захвату электрона до 40 Ar, но этого также никогда не наблюдалось. Кальций - единственный элемент, который имеет два изначальных дважды магических изотопа. Экспериментальные нижние пределы периодов полураспада 40 Ca и 46 Ca составляют 5,9 × 10 21  год и 2,8 × 10 15  лет соответственно. [27]

Помимо практически стабильного 48 Ca, самым долгоживущим радиоизотопом кальция является 41 Ca. Он распадается в результате захвата электрона до стабильных 41 К с периодом полураспада около ста тысяч лет. Его существование в ранней Солнечной системе в качестве потухшего радионуклида было выведено из избытка 41 К: следы 41 Са также существуют сегодня, поскольку это космогенный нуклид , непрерывно реформирующийся в результате нейтронной активации естественного 40 Са. [26] Известно много других радиоизотопов кальция, от 35 до 60 Са.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 , чем 42 Ca обычно подвергаются бета - плюс распад изотопам калия, и те , тяжелее 44 Са , как правило , подвергаются бета - минус - распад в изотопы скандия , хотя вблизи капельных линий ядерных , эмиссия протонов и нейтронного излучения начинают значительные моды распада также. [27]

Как и в случае с другими элементами, относительное содержание изотопов кальция изменяют различные процессы. [29] Наиболее изученным из этих процессов является массовое фракционирование изотопов кальция, которое сопровождает осаждение минералов кальция, таких как кальцит , арагонит и апатит, из раствора. Более легкие изотопы предпочтительно включаются в эти минералы, оставляя окружающий раствор, обогащенный более тяжелыми изотопами с величиной примерно 0,025% на атомную единицу массы (а.е.м.) при комнатной температуре. Массовые различия в изотопном составе кальция условно выражаются соотношением двух изотопов (обычно 44 Ca / 40Ca) в образце по сравнению с таким же соотношением в стандартном эталонном материале. 44 Ca / 40 Ca колеблется примерно на 1% среди обычных материалов земли. [30]

История

Одна из статуй Айн Газаль , сделанная из известковой штукатурки.

Соединения кальция были известны тысячелетия, хотя их химический состав не был известен до 17 века. [31] Известь в качестве строительного материала [32] и штукатурки для статуй использовалась еще примерно в 7000 году до нашей эры. [33] Первая датированная печь для обжига извести датируется 2500 годом до нашей эры и была найдена в Хафадже , Месопотамия . [34] [35] Примерно в то же время обезвоженный гипс (CaSO 4 · 2H 2 O) использовался в Великой пирамиде в Гизе ; этот материал позже будет использован для штукатурки в гробницеТутанхамон . В древние римляне использовали вместо извести строительные растворы , изготовленные путем нагревания известняка (CaCO 3 ); само название «кальций» происходит от латинского слова calx «лайм». [31] Витрувий отметил, что полученная известь была легче, чем оригинальный известняк, объясняя это кипением воды; В 1755 году Джозеф Блэк доказал, что это произошло из-за потери углекислого газа , который не был признан древними римлянами как газ. [36]

В 1787 году Антуан Лавуазье подозревал, что известь может быть оксидом одного из основных химических элементов . В своей таблице элементов Лавуазье перечислил пять «солефицируемых земель» (т. Е. Руд, которые можно заставить реагировать с кислотами с образованием солей ( salis = соль на латыни): chaux (оксид кальция), magnésie (магнезия, оксид магния). ), барит (сульфат бария), Alumine (оксид алюминия, оксид алюминия) и Silice (диоксид кремния, диоксид кремния)). Об этих «элементах» размышлял Лавуазье:

Мы, вероятно, пока знакомы только с частью металлических веществ, существующих в природе, поскольку все те, которые имеют более сильное сродство к кислороду, чем углерод, до сих пор не могут быть восстановлены до металлического состояния и, следовательно, остаются только представленные нашему наблюдению в виде оксидов, смешаны с землей. Весьма вероятно, что бариты, которые мы только что устроили с землями, находятся в этой ситуации; поскольку во многих экспериментах он проявляет свойства, близкие к свойствам металлических тел. Возможно даже, что все вещества, которые мы называем землей, могут быть только металлическими оксидами, не восстанавливаемыми каким-либо до сих пор известным способом. [37]

Кальций, вместе с его родственными соединениями магнием, стронцием и барием, был впервые выделен Хамфри Дэви в 1808 году. Вслед за работой Йона Якоба Берцелиуса и Магнуса Мартина аф Понтина по электролизу Дэви выделил кальций и магний, добавив смесь соответствующих металлов. оксиды с оксидом ртути (II) на платиновой пластине, которая использовалась в качестве анода, причем катодом была платиновая проволока, частично погруженная в ртуть. Затем электролиз дал амальгамы кальция с ртутью и магний-ртуть, а отгонка ртути дала металл. [31] [38]Однако чистый кальций не может быть получен в больших объемах этим методом, и работоспособный коммерческий процесс его производства был найден только спустя столетие. [36]

Возникновение и производство

Травертиновые террасы в Памуккале , Турция

При 3% кальций является пятым по распространенности элементом земной коры и третьим по распространенности металлом после алюминия и железа . [31] Это также четвертый по численности элемент в горных районах Луны . [13] Осадочные отложения карбоната кальция пронизывают поверхность Земли в виде окаменелых останков прошлой морской жизни; они встречаются в двух формах: ромбоэдрический кальцит (более распространенный) и ромбический арагонит (образующийся в морях с более умеренным климатом). Минералы первого типа включают известняк , доломит , мрамор ,мел и исландский шпат ; Слои арагонита составляют бассейны Багамских островов , Флорида-Кис и Красного моря . Кораллы , морские раковины и жемчуг в основном состоят из карбоната кальция. Среди других важных минералов кальция - гипс (CaSO 4 · 2H 2 O), ангидрит (CaSO 4 ), флюорит (CaF 2 ) и апатит ([Ca 5 (PO 4 ) 3 F]). [31]

Основными производителями кальция являются Китай (примерно от 10 000 до 12 000 тонн в год), Россия (примерно от 6 000 до 8 000 тонн в год) и США (примерно от 2 000 до 4 000 тонн в год). Канада и Франция также входят в число второстепенных производителей. В 2005 году было произведено около 24000 тонн кальция; Около половины добываемого в мире кальция используется Соединенными Штатами, причем около 80% производимого кальция используется ежегодно. [11] В России и Китае метод электролиза Дэви все еще используется, но вместо этого применяется к расплаву хлорида кальция . [11]Поскольку кальций менее реакционноспособен, чем стронций или барий, оксидно-нитридное покрытие, образующееся в воздухе, является стабильным, и токарная обработка и другие стандартные металлургические методы подходят для кальция. [39] В Соединенных Штатах и ​​Канаде кальций вместо этого получают путем восстановления извести алюминием при высоких температурах. [11]

Геохимический цикл

Основная статья: Карбонатно-силикатный цикл

Цикл кальция обеспечивает связь между тектоникой , климатом и углеродным циклом . Проще говоря, поднятие гор подвергает кальцийсодержащие породы химическому выветриванию и высвобождает 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 встраивается в новые породы. Растворенный CO 2 , наряду с ионами карбоната и бикарбоната , называется « растворенным неорганическим углеродом » (DIC). [40]

Реальная реакция более сложная и включает в себя бикарбонат-ион (HCO-
3), который образуется, когда CO 2 реагирует с водой при pH морской воды :

Ca2+
+ 2 HCO-
3→ CaCO3( s ) + CO
2+ H
2О

При pH морской воды большая часть CO 2 немедленно превращается обратно в HCO.-
3. Реакция приводит к чистому переносу одной молекулы CO 2 из океана / атмосферы в литосферу . [41] В результате каждый ион Ca 2+, высвобождаемый в результате химического выветривания, в конечном итоге удаляет одну молекулу CO 2 из поверхностной системы (атмосфера, океан, почвы и живые организмы), сохраняя ее в карбонатных породах, где она может оставаться в течение сотен. миллионов лет. Выветривание кальция из горных пород, таким образом, вымывает CO 2 из океана и атмосферы, оказывая сильное долгосрочное воздействие на климат. [40] [42]

Использует

См. Также: Добавка кальция.

Наибольшее распространение металлический кальций используется в сталеплавильном производстве из-за его сильного химического сродства к кислороду и сере . Его оксиды и сульфиды, однажды образовавшись, дают жидкий алюминат извести и сульфидные включения в стали, которые всплывают; при обработке эти включения рассеиваются по стали и становятся маленькими и сферическими, улучшая литье, чистоту и общие механические свойства. Кальций также используется в необслуживаемых автомобильных аккумуляторах , в которых использование 0,1% сплавов кальция и свинца вместо обычных сплавов сурьмы и свинца приводит к снижению потерь воды и снижению саморазряда. Из-за риска расширения и растрескивания алюминийиногда также включается в эти сплавы. Эти свинцово-кальциевые сплавы также используются в литье, заменяя сплавы свинец-сурьма. [43] Кальций также используется для упрочнения алюминиевых сплавов, используемых в подшипниках, для контроля содержания углерода графита в чугуне и для удаления примесей висмута из свинца. [39] Металлический кальций содержится в некоторых очистителях канализации, где он генерирует тепло и гидроксид кальция, который омыляет жиры и разжижает белки (например, содержащиеся в волосах), блокирующие стоки. [44] Помимо металлургии, реакционная способность кальция используется для удаления азота из высокочистых материалов.газообразный аргон и как поглотитель кислорода и азота. Он также используется в качестве восстановителя при 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. [39]

Фракционирование изотопов кальция во время образования минералов привело к нескольким применениям изотопов кальция. В частности, наблюдение Скулана и ДеПаоло в 1997 г. [45] о том, что минералы кальция изотопно легче, чем растворы, из которых они осаждаются, 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 скелетных минералов. Было показано, что у людей изменения изотопного состава кальция в моче связаны с изменениями минерального баланса костей. Когда скорость образования кости превышает скорость резорбции кости, 44 Са / 40Соотношение Са в мягких тканях повышается и наоборот. Из-за этой взаимосвязи измерения изотопного состава кальция в моче или крови могут быть полезны для раннего выявления метаболических заболеваний костей, таких как остеопороз . [46] Подобная система существует в морской воде, где 44 Ca / 40 Ca имеет тенденцию повышаться, когда скорость удаления Ca 2+ минеральными осадками превышает поступление нового кальция в океан. В 1997 году Скулан и ДеПаоло представили первое свидетельство изменения 44 Ca / 40 Ca в морской воде в течение геологического времени, а также теоретическое объяснение этих изменений. Более поздние статьи подтвердили это наблюдение, продемонстрировав, что в морской воде Ca 2+концентрация не постоянна, и океан никогда не находится в «стабильном состоянии» в отношении поступления и вывода кальция. Это имеет важные климатологические последствия, поскольку морской кальциевый цикл тесно связан с углеродным циклом . [47] [48]

Многие соединения кальция используются, в частности, в пищевых продуктах, в качестве фармацевтических препаратов и в медицине. Так , например, кальций и фосфор дополняются в пищевых продуктах путем добавления лактата кальция , дифосфат кальция и трикальцийфосфат . Последний также используется как полирующее средство в зубных пастах и антацидах . Лактобионат кальция - это белый порошок, который используется в качестве суспендирующего агента для фармацевтических препаратов. В выпечке монофосфат кальция используется как разрыхлитель . Сульфит кальция используется как отбеливатель при производстве бумаги и как дезинфицирующее средство, силикат кальция.используется в качестве армирующего агента в резине, а ацетат кальция является компонентом известковой канифоли и используется для изготовления металлического мыла и синтетических смол. [43]

Кальций включен в Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения . [49]

Источники питания

Продукты, богатые кальцием, включают молочные продукты , такие как йогурт и сыр , сардины , лосось , соевые продукты, капусту и обогащенные хлопья для завтрака . [6]

Из-за опасений по поводу долгосрочных неблагоприятных побочных эффектов, включая кальцификацию артерий и почечных камней , Институт медицины США (IOM) и Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) установили допустимые верхние уровни потребления (UL) для комбинированного питания и добавок. кальций. Согласно IOM, люди в возрасте 9–18 лет не должны превышать комбинированное потребление 3 г / день; в возрасте 19–50 лет - не более 2,5 г / день; для возраста 51 года и старше - не более 2 г / день. [50] EFSA установило UL для всех взрослых на уровне 2,5 г / день, но решило, что информации для детей и подростков недостаточно для определения UL. [51]

Биологическая и патологическая роль

Основная статья: Кальций в биологии
Суточные рекомендации по потреблению кальция с поправкой на возраст (из рекомендаций Института медицины США) [52]
ВозрастКальций (мг / день)
1–3 года700
4–8 лет1000
9–18 лет1300
19–50 лет1000
> 51 год1000
Беременность1000
Кормление грудью1000
Общее потребление кальция с пищей среди взрослых (мг / день). [53]
  <400
  400–500
  500–600
  600–700
  700–800
  800–900
  900–1000
  > 1000

Функция

Кальций - важнейший элемент, необходимый в больших количествах. [5] [6] Ион Ca 2+ действует как электролит и жизненно важен для здоровья мышечной, кровеносной и пищеварительной систем; незаменим для строительства костей; и поддерживает синтез и функцию клеток крови. Например, он регулирует сокращение мышц, нервную проводимость и свертывание крови. В результате уровень внутри- и внеклеточного кальция жестко регулируется организмом. Кальций может играть эту роль, потому что ион Ca 2+ образует стабильные координационные комплексы со многими органическими соединениями, особенно с белками.; он также образует соединения с широким диапазоном растворимости, что позволяет формировать скелет . [5] [54]

Привязка

Ионы кальция могут образовывать комплексы с белками посредством связывания с карбоксильными группами из глутаминовой кислоты или аспарагиновой кислоты остатков; посредством взаимодействия с фосфорилированными остатками серина , тирозина или треонина ; или за счет 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.используйте как первое, так и второе. Прямая активация ферментов связыванием кальция является обычным явлением; некоторые другие ферменты активируются нековалентной связью с ферментами прямого связывания кальция. Кальций также связывается с фосфолипидным слоем клеточной мембраны , закрепляя белки, связанные с поверхностью клетки. [54]

Растворимость

В качестве примера широкого диапазона растворимости соединений кальция, монокальцийфосфат очень растворим в воде, 85% внеклеточного кальция представляет собой дикальцийфосфат с растворимостью 2,0  мМ, а гидроксиапатит костей в органической матрице представляет собой трикальцийфосфат при 100%. мкМ. [54]

Питание

Кальций является общим компонентом мультивитаминных пищевых добавок , [5] но состав комплексов кальция в добавке может повлиять на его биологическую доступность , которая варьируется в зависимости от растворимости соли участвует: цитрат кальция , малат и лактат обладает высокими биодоступным, в то время как оксалат меньше . Другие препараты кальция включают карбонат кальция , цитрат кальция , малат и глюконат кальция . [5] Кишечник поглощает около одной трети потребляемого кальция в виде свободных ионов , а уровень кальция в плазме затем регулируется почками.. [5]

Гормональная регуляция образования костей и уровня сыворотки

Гормон паращитовидной железы и витамин D способствуют формированию костей, позволяя и увеличивая отложение в них ионов кальция, обеспечивая быстрое обновление костной ткани, не влияя на массу кости или содержание минералов. [5] Когда уровень кальция в плазме падает, рецепторы клеточной поверхности активируются и происходит секреция паратироидного гормона; Затем он стимулирует поступление кальция в пул плазмы, забирая его из целевых клеток почек, кишечника и костей, при этом костеобразующее действие паратироидного гормона антагонизируется кальцитонином , секреция которого увеличивается с увеличением уровня кальция в плазме. [54]

Аномальные уровни в сыворотке

Избыточное потребление кальция может вызвать гиперкальциемию . Однако, поскольку кальций абсорбируется кишечником довольно неэффективно, высокий уровень кальция в сыворотке, скорее всего, вызван чрезмерной секрецией паратироидного гормона (ПТГ) или, возможно, чрезмерным потреблением витамина D, которые способствуют усвоению кальция. Все эти условия приводят к тому, что избыток солей кальция откладывается в сердце, кровеносных сосудах или почках. Симптомы включают анорексию, тошноту, рвоту, потерю памяти, спутанность сознания, мышечную слабость, учащенное мочеиспускание, обезвоживание и метаболические заболевания костей. Хроническая гиперкальциемия обычно приводит к кальцификации мягких тканей и ее серьезным последствиям: например, кальциноз может вызвать потерю эластичности сосудистых стенок.и нарушение ламинарного кровотока - и, следовательно, к разрыву бляшки и тромбозу . И наоборот, недостаточное потребление кальция или витамина D может привести к гипокальциемии , часто вызванной недостаточной секрецией паратироидного гормона или дефектными рецепторами ПТГ в клетках. Симптомы включают нервно-мышечную возбудимость, которая потенциально вызывает тетанию и нарушение проводимости сердечной ткани. [54]

Камни в почках

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 костях на единицу объема, и его можно лечить добавлением кальция, витамина D и бисфосфонатов . [5] [6] Недостаточное количество кальция, витамина D или фосфатов может привести к размягчению костей, что называется остеомаляцией . [54]

Безопасность

Металлический кальций

Кальций
Опасности
Пиктограммы GHS
Сигнальное слово GHSОпасность
Формулировки опасности GHS
H261
Меры предосторожности GHS
P231 + 232 , P422 [55]
NFPA 704 (огненный алмаз)
Flammability code 3: Liquids and solids that can be ignited under almost all ambient temperature conditions. Flash point between 23 and 38 °C (73 and 100 °F). E.g. gasolineHealth code 0: Exposure under fire conditions would offer no hazard beyond that of ordinary combustible material. E.g. sodium chlorideReactivity code 1: Normally stable, but can become unstable at elevated temperatures and pressures. E.g. calciumSpecial hazard W: Reacts with water in an unusual or dangerous manner. E.g. sodium, sulfuric acidNFPA 704 четырехцветный алмаз
3
0
1
W

Поскольку кальций экзотермически реагирует с водой и кислотами, металлический кальций, контактирующий с влагой тела, вызывает сильное разъедающее раздражение. [56] При проглатывании металлический кальций оказывает такое же действие на ротовую полость, пищевод и желудок и может быть смертельным. [44] Однако, как известно, длительное воздействие не вызывает явных побочных эффектов. [56]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 112. ISBN 978-0-08-037941-8.
  2. ^ Мейджа, Юрис; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. DOI : 10,1515 / пак-2015-0305 .
  3. ^ Крик, Свен; Гёрлс, Хельмар; Вестерхаузен, Маттиас (2010). «Механистическое выяснение образования обратного сэндвичевого комплекса Ca (I) [(thf) 3Ca (μ-C6H3-1,3,5-Ph3) Ca (thf) 3] и стабильности арилзамещенных фенилкальциевых комплексов». Журнал Американского химического общества . 132 (35): 12492–12501. DOI : 10.1021 / ja105534w . PMID 20718434 . 
  4. ^ Weast, Роберт (1984). CRC, Справочник по химии и физике . Бока-Ратон, Флорида: Издательство Chemical Rubber Company. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
  5. ^ a b c d e f g h i j "Кальций" . Институт Линуса Полинга, Государственный университет Орегона, Корваллис, Орегон. 1 сентября 2017 . Дата обращения 31 августа 2019 .
  6. ^ a b c d «Кальций: информационный бюллетень для медицинских работников» . Управление диетических добавок Национального института здоровья США. 9 июля 2019 . Дата обращения 31 августа 2019 .
  7. ^ a b c d Гринвуд и Эрншоу, стр. 112–3.
  8. Перейти ↑ Parish, RV (1977). Металлические элементы . Лондон: Лонгман. п. 34 . ISBN 978-0-582-44278-8.
  9. ^ Fukuma, Chihito (2013).福間の無機化学の講義三訂版(на японском языке). 株式会社 旺 文 社. п. 126. ISBN 9784010340172.
  10. ↑ Ропп, Ричард С. (31 декабря 2012 г.). Энциклопедия соединений щелочноземельных металлов . С. 12–5. ISBN 978-0-444-59553-9.
  11. ^ a b c d Hluchan and Pomerantz, p. 484
  12. ^ a b К. Р. Хэммонд Элементы (стр. 4–35) в Lide, DR, ed. (2005). Справочник CRC по химии и физике (86-е изд.). Бока-Ратон (Флорида): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  13. ^ a b Hluchan and Pomerantz, стр. 483
  14. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 119
  15. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 121
  16. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 117
  17. ^ a b Гринвуд и Эрншоу, стр. 122–5
  18. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 115
  19. ^ Harder, S .; Feil, F .; Кнолль, К. (2001). "Новые полусэндвич-комплексы кальция для живой и стереоселективной полимеризации стирола". Энгью. Chem. Int. Эд . 40 (22): 4261–4264. DOI : 10.1002 / 1521-3773 (20011119) 40:22 <4261 :: АИД-ANIE4261> 3.0.CO; 2-J . PMID 29712082 . 
  20. ^ Crimmin, Mark R .; Кейсли, Ян Дж .; Хилл, Майкл С. (2005). «Опосредованный кальцием катализ внутримолекулярного гидроаминирования». Журнал Американского химического общества . 127 (7): 2042–2043. DOI : 10.1021 / ja043576n . PMID 15713071 . 
  21. ^ Джентер, Елена; Кёппе, Ральф; Роески, Питер У. (2011). «2,5-Бис { N - (2,6-диизопропилфенил) иминометил} пирролиловые комплексы тяжелых щелочноземельных металлов: синтез, строение и катализ гидроаминирования». Металлоорганические соединения . 30 (6): 1404–1413. DOI : 10.1021 / om100937c .
  22. ^ Эрроусмит, Мерл; Crimmin, Mark R .; Барретт, Энтони GM; Хилл, Майкл С .; Коциок-Кён, Габриэле; Прокопью, Панайотис А. (2011). "Плотность заряда катионов и выбор предкатализатора в группе 2-катализированного гидроаминирования аминоалкена". Металлоорганические соединения . 30 (6): 1493–1506. DOI : 10.1021 / om101063m .
  23. ^ Penafiel, J .; Maron, L .; Хардер, С. (2014). «Ранний металлический катализ в основной группе: насколько важен металл?». Энгью. Chem. Int. Эд . 54 (1): 201–206. DOI : 10.1002 / anie.201408814 . PMID 25376952 . 
  24. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 136-7
  25. ^ Кэмерон, AGW (1973). «Изобилие элементов в Солнечной системе» (PDF) . Обзоры космической науки . 15 (1): 121–146. Bibcode : 1973SSRv ... 15..121C . DOI : 10.1007 / BF00172440 . S2CID 120201972 .  
  26. ^ a b Клейтон, Дональд (2003). Справочник изотопов в космосе: от водорода до галлия . Издательство Кембриджского университета. С. 184–198. ISBN 9780521530835.
  27. ^ a b c Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Wang, M .; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030001 .
  28. ^ Арнольд, Р .; и другие. ( Сотрудничество NEMO-3 ) (2016). «Измерение периода полураспада двойного бета-распада и поиск безнейтринного двойного бета-распада 48 Ca с помощью детектора NEMO-3». Physical Review D . 93 (11): 112008. arXiv : 1604.01710 . Bibcode : 2016PhRvD..93k2008A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.93.112008 . S2CID 55485404 . 
  29. ^ Рассел, Вашингтон; Папанастассиу, Д.А.; Томбрелло, Т.А. (1978). «Фракционирование изотопов Са на Земле и других материалах Солнечной системы». Геохим Космохим Акта . 42 (8): 1075–90. Bibcode : 1978GeCoA..42.1075R . DOI : 10.1016 / 0016-7037 (78) 90105-9 .
  30. ^ Skulan, J .; Депаоло, ди-джей (1999). «Фракционирование изотопов кальция между мягкими и минерализованными тканями в качестве монитора использования кальция у позвоночных» . Proc Natl Acad Sci USA . 96 (24): 13709–13. Bibcode : 1999PNAS ... 9613709S . DOI : 10.1073 / pnas.96.24.13709 . PMC 24129 . PMID 10570137 .  
  31. ^ a b c d e Гринвуд и Эрншоу, стр. 108
  32. ^ Миллер, М. Майкл. «Товарный отчет: Лайм» (PDF) . Геологическая служба США . Проверено 6 марта 2012 .
  33. Перейти ↑ Garfinkel, Yosef (1987). "Продукты из обожженной извести и социальные последствия в деревнях Ближнего Востока до гончарного неолита B". Палеориент . 13 (1): 69–76. DOI : 10,3406 / paleo.1987.4417 . JSTOR 41492234 . 
  34. ^ Уильямс, Ричард (2004). Печи для обжига извести и сжигание извести . п. 4. ISBN 978-0-7478-0596-0.
  35. Перейти ↑ Oates, JA H (2008-07-01). Известь и известняк: химия и технология, производство и использование . ISBN 978-3-527-61201-7.
  36. ^ a b Недели, Мэри Эльвира ; Лейчестер, Генри М. (1968). Открытие Стихий . Истон, Пенсильвания: Журнал химического образования. С. 505–10. ISBN 978-0-7661-3872-8. LCCN  68-15217 .
  37. ^ стр. 218 из: Лавуазье с Робертом Керром, пер., Элементы химии , 4-е изд. (Эдинбург, Шотландия: Уильям Крич, 1799). (Оригинальный отрывок появляется в: Lavoisier, Traité Élémentaire de Chimie , (Париж, Франция: Cuchet, 1789), т. 1, стр. 174. )
  38. ^ Дэви, Х. (1808). «Электрохимические исследования разложения земель; наблюдения за металлами, полученными из щелочноземельных металлов, и амальгамой, полученной из аммиака» . Философские труды Лондонского королевского общества . 98 : 333–70. Bibcode : 1808RSPT ... 98..333D . DOI : 10.1098 / rstl.1808.0023 .
  39. ^ a b c Гринвуд и Эрншоу, стр. 110
  40. ^ a b Бернер, Роберт (2003). «Долгосрочный углеродный цикл, ископаемое топливо и состав атмосферы». Природа . 426 (6964): 323–326. Bibcode : 2003Natur.426..323B . DOI : 10,1038 / природа02131 . PMID 14628061 . S2CID 4420185 .  
  41. ^ Zeebe (2006). «Морская карбонатная химия» . Национальный совет по науке и окружающей среде . Проверено 13 марта 2010 .
  42. ^ Уокер, Джеймс CG; Hays, PB; Кастинг, Дж. Ф. (1981-10-20). «Механизм отрицательной обратной связи для долговременной стабилизации температуры поверхности Земли». Журнал геофизических исследований: океаны . 86 (C10): 9776–9782. Bibcode : 1981JGR .... 86.9776W . DOI : 10.1029 / JC086iC10p09776 . ISSN 2156-2202 . 
  43. ^ a b Hluchan and Pomerantz, стр. 485–7
  44. ^ a b Rumack BH. POISINDEX. Информационная система Micromedex, Inc., Энглвуд, Колорадо, 2010 г .; CCIS Volume 143. Hall AH и Rumack BH (ред.)
  45. ^ Skulan, J .; Депаоло, диджей; Оуэнс, Т.Л. (июнь 1997 г.). «Биологический контроль изотопов кальция в глобальном цикле кальция». Geochimica et Cosmochimica Acta . 61 (12): 2505–10. Bibcode : 1997GeCoA..61.2505S . DOI : 10.1016 / S0016-7037 (97) 00047-1 .
  46. ^ Skulan, J .; Bullen, T .; Анбар, AD; Puzas, JE; Shackelford, L .; Leblanc, A .; Смит, С.М. (2007). «Природный изотопный состав кальция мочи как маркер минерального баланса костей» (PDF) . Клиническая химия . 53 (6): 1155–1158. DOI : 10,1373 / clinchem.2006.080143 . PMID 17463176 . Архивировано из оригинального (PDF) 22 ноября 2011 года . Проверено 12 июня 2011 .  
  47. ^ Фантл, М .; Депаоло, Д. (2007). «Изотопы Ca в карбонатных отложениях и поровых флюидах с участка 807A ODP: коэффициент равновесного фракционирования Ca 2+ (водн.) –Кальцит и скорость перекристаллизации кальцита в отложениях плейстоцена». Геохим Космохим Акта . 71 (10): 2524–2546. Bibcode : 2007GeCoA..71.2524F . DOI : 10.1016 / j.gca.2007.03.006 .
  48. ^ Гриффит, Элизабет М .; Пайтан, Адина; Калдейра, Кен; Буллен, Томас; Томас, Эллен (2008). «Динамический морской цикл кальция за последние 28 миллионов лет». Наука . 322 (12): 1671–1674. Bibcode : 2008Sci ... 322.1671G . DOI : 10.1126 / science.1163614 . PMID 19074345 . S2CID 206515318 .  
  49. ^ Всемирная организация здравоохранения (2019). Примерный перечень Всемирной организации здравоохранения основных лекарственных средств: список двадцать первых 2019 . Женева: Всемирная организация здравоохранения. hdl : 10665/325771 . WHO / MVP / EMP / IAU / 2019.06. Лицензия: CC BY-NC-SA 3.0 IGO.
  50. ^ Комитет Института медицины (США) по пересмотру рекомендуемых норм потребления витамина D кальция; Росс, AC; Тейлор, КЛ; Яктин, AL; Дель Валле, HB (2011). Рекомендуемая диета для кальция и витамина D, Глава 6, Допустимые верхние уровни потребления, стр. 403–456 . Вашингтон, округ Колумбия: Пресса национальных академий. DOI : 10.17226 / 13050 . ISBN 978-0-309-16394-1. PMID  21796828 .
  51. ^ Допустимые верхние уровни потребления витаминов и минералов (PDF) , Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов, 2006 г.
  52. ^ Комитет Института медицины (США) по пересмотру рекомендуемых норм потребления витамина D кальция; Росс, AC; Тейлор, КЛ; Яктин, AL; Дель Валле, HB (2011). Справочная диета для кальция и витамина D, глава 5 Справочная диета, страницы 345-402 . Вашингтон, округ Колумбия: Пресса национальных академий. DOI : 10.17226 / 13050 . ISBN 978-0-309-16394-1. PMID  21796828 .
  53. ↑ Balk EM, Adam GP, Langberg VN, Earley A, Clark P, Ebeling PR, Mithal A, Rizzoli R, Zerbini CA, Pierroz DD, Dawson-Hughes B (декабрь 2017 г.). «Глобальное потребление кальция с пищей среди взрослых: систематический обзор» . Osteoporosis International . 28 (12): 3315–3324. DOI : 10.1007 / s00198-017-4230-х . PMC 5684325 . PMID 29026938 .  
  54. ^ a b c d e f Hluchan and Pomerantz, стр. 489–94
  55. ^ "Кальциевая стружка, 99% металлических примесей" . Сигма-Олдрич . Проверено 11 января 2019 .
  56. ^ Б Hluchan и Померанц, стр. 487-9

Библиография

  • Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  • Hluchan, Stephen E .; Померанц, Кеннет. «Кальций и кальциевые сплавы». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. DOI : 10.1002 / 14356007.a04_515.pub2 .