calciu -Calcium

Calciu,  ₂₀ Ca

Calciu
Aspect	gri mat, argintiu; cu o nuanță galben pal
Greutatea atomică standard A r °(Ca)
Calciul din tabelul periodic
Hidrogen Heliu Litiu Beriliu Bor Carbon Azot Oxigen Fluor Neon Sodiu Magneziu Aluminiu Siliciu Fosfor Sulf Clor Argon Potasiu Calciu Scandiul Titan Vanadiu Crom Mangan Fier Cobalt Nichel Cupru Zinc Galiu germaniu Arsenic Seleniu Brom Krypton Rubidiu Stronţiu ytriu zirconiu Niobiu Molibden Tehnețiu Ruteniu Rodiu Paladiu Argint Cadmiu Indiu Staniu Antimoniu Telurul Iod Xenon cesiu Bariu Lantan ceriu Praseodimiu Neodim Prometiu Samariul Europiu Gadoliniu terbiu Disprosiu Holmiu Erbiu Tuliu Iterbiu lutețiu hafniu Tantal Tungsten reniu Osmiu Iridiu Platină Aur Mercur (element) Taliu Conduce Bismut Poloniu Astatin Radon Franciu Radiu actiniu Toriu Protactiniu Uraniu Neptuniu Plutoniu Americiu Curium Berkeliu Californiu Einsteiniu Fermium Mendeleviu Nobeliu Lawrence Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgeniu Coperniciu Nihonium Flerovium Moscovia Livermorium Tennessine Oganesson Mg ↑ Ca ↓ Sr potasiu ← calciu → scandiu
Numărul atomic ( Z )	20
grup	grupa 2 (metale alcalino-pământoase)
Perioadă	perioada 4
bloc	s-bloc
Configuratie electronica	[ Ar ] 4s 2
Electroni pe înveliș	2, 8, 8, 2
Proprietăți fizice
Faza la  STP	solid
Punct de topire	1115  K ​(842 °C, ​1548 °F)
Punct de fierbere	1757 K ​(1484 °C, ​2703 °F)
Densitate (aproape de  rt )	1,55 g/cm 3
când lichid (la  mp )	1,378 g/cm 3
Căldura de fuziune	8,54  kJ/mol
Căldura de vaporizare	154,7 kJ/mol
Capacitate de căldură molară	25,929 J/(mol·K)
Presiunea vaporilor P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k la  T  (K) 864 956 1071 1227 1443 1755
Proprietăți atomice
Stări de oxidare	+1, +2 (un oxid puternic bazic )
Electronegativitatea	Scara Pauling: 1,00
Energii de ionizare
Raza atomică	empiric: 197  pm
Raza covalentă	176±10 pm
Raza Van der Waals	ora 231
Liniile spectrale de calciu
Alte proprietăți
Apariție naturală	primordial
Structură cristalină	cubic centrat pe față (fcc)
Viteza sunetului tija subțire	3810 m/s (la 20 °C)
Dilatare termică	22,3 µm/(m⋅K) (la 25 °C)
Conductivitate termică	201 W/(m⋅K)
Rezistență electrică	33,6 nΩ⋅m (la 20 °C)
Ordonare magnetică	diamagnetic
Susceptibilitate magnetică molară	+40,0 × 10 −6  cm 3 /mol
Modulul Young	20 GPa
Modulul de forfecare	7,4 GPa
Modul vrac	17 GPa
Raportul Poisson	0,31
Duritatea Mohs	1,75
Duritatea Brinell	170–416 MPa
Numar CAS	7440-70-2
Istorie
Descoperire și prima izolare	Humphry Davy (1808)
Principalii izotopi ai calciului v e
Izotop Descompunere abundenţă timpul de înjumătățire ( t 1/2 ) modul produs 40 Ca 96,941% grajd 41 Ca urmă 9,94 × 10 4  ani ε 41 K 42 Ca 0,647% grajd 43 Ca 0,135% grajd 44 Ca 2,086% grajd 45 Ca sin 162,6 d β − 45 Sc 46 Ca 0,004% grajd 47 Ca sin 4,5 d β − 47 Sc γ – 48 Ca 0,187% 6,4 × 10 19  ani β − β − 48 Ti
Categorie: Calciu vedere vorbi Editați | × | referințe

Calciul este un element chimic cu simbolul Ca și numărul atomic 20. Ca metal alcalino -pământos , calciul este un metal reactiv care formează un strat închis de oxid-nitrură atunci când este expus la aer. Proprietățile sale fizice și chimice sunt cel mai asemănătoare cu omologii săi mai grei stronțiu și bariu . Este al cincilea element cel mai abundent din scoarța terestră și al treilea cel mai abundent metal, după fier și aluminiu . Cel mai comun compus de calciu de pe Pământ este carbonatul de calciu , găsit în calcar și în rămășițele fosilizate ale vieții marine timpurii; gipsul , anhidrita , fluorita și apatita sunt, de asemenea, surse de calciu. Numele derivă din latinescul calx „ var ”, care a fost obținut din încălzirea calcarului.

Unii compuși de calciu erau cunoscuți anticilor, deși chimia lor a fost necunoscută până în secolul al XVII-lea. Calciul pur a fost izolat în 1808 prin electroliza oxidului său de către Humphry Davy , care a numit elementul. Compușii de calciu sunt utilizați pe scară largă în multe industrii: în alimente și produse farmaceutice pentru suplimentarea cu calciu , în industria hârtiei ca înălbitori, ca componente în ciment și izolatori electrici și în fabricarea săpunurilor. Pe de altă parte, metalul în formă pură are puține aplicații datorită reactivității sale ridicate; totuși, în cantități mici este adesea folosit ca componentă de aliere în fabricarea oțelului și, uneori, ca aliaj calciu-plumb, în ​​fabricarea bateriilor de automobile.

Calciul este cel mai abundent metal și al cincilea cel mai abundent element din corpul uman . Ca electroliți , ionii de calciu (Ca ²⁺ ) joacă un rol vital în procesele fiziologice și biochimice ale organismelor și celulelor : în căile de transducție a semnalului , unde acţionează ca un al doilea mesager ; în eliberarea de neurotransmițători din neuroni ; în contracția tuturor tipurilor de celule musculare ; ca cofactori în multe enzime ; iar în fertilizare . Ionii de calciu din afara celulelor sunt importanți pentru menținerea diferenței de potențial între membranele celulare excitabile , sinteza proteinelor și formarea osului.

Caracteristici

Clasificare

Calciul este un metal argintiu foarte ductil (descris uneori drept galben pal) ale cărui proprietăți sunt foarte asemănătoare cu elementele mai grele din grupul său, stronțiul , bariul și radiul . Un atom de calciu are douăzeci de electroni, dispuși în configurația electronică [Ar]4s ² . Ca și celelalte elemente plasate în grupa 2 a tabelului periodic, calciul are doi electroni de valență în cel mai exterior orbital s, care se pierd foarte ușor în reacțiile chimice pentru a forma un ion dipozitiv cu configurația electronică stabilă a unui gaz nobil , în acest caz. caz argon .

Prin urmare, calciul este aproape întotdeauna divalent în compușii săi, care sunt de obicei ionici . Sărurile univalente ipotetice de calciu ar fi stabile în raport cu elementele lor, dar nu la disproporționare față de sărurile divalente și calciu metal, deoarece entalpia de formare a MX ₂ este mult mai mare decât cea a ipoteticului MX. Acest lucru se întâmplă din cauza energiei rețelei mult mai mare oferită de cationul Ca ²⁺ mai încărcat în comparație cu cationul ipotetic Ca ⁺ .

Calciul, stronțiul, bariul și radiul sunt întotdeauna considerate a fi metale alcalino -pământoase ; beriliul și magneziul mai ușor , de asemenea, în grupa 2 a tabelului periodic, sunt adesea incluse, de asemenea. Cu toate acestea, beriliul și magneziul diferă semnificativ de ceilalți membri ai grupului în ceea ce privește comportamentul lor fizic și chimic: se comportă mai mult ca aluminiu și respectiv zinc și au o parte din caracterul metalic mai slab al metalelor post-tranziție , motiv pentru care definiția tradițională. a termenului „metal alcalino-pământos” le exclude.

Proprietăți fizice

Calciul metalic se topește la 842 °C și fierbe la 1494 °C; aceste valori sunt mai mari decât cele pentru magneziu și stronțiu, metalele învecinate din grupa 2. Se cristalizează în aranjamentul cubic centrat pe față ca stronțiul; peste 450 °C, se schimbă într -un aranjament compact hexagonal anizotrop , cum ar fi magneziul. Densitatea sa de 1,55 g/cm ³ este cea mai mică din grupul său.

Calciul este mai greu decât plumbul, dar poate fi tăiat cu un cuțit cu efort. În timp ce calciul este un conductor mai slab de electricitate decât cuprul sau aluminiul în volum, este un conductor mai bun în masă decât ambele datorită densității sale foarte scăzute. În timp ce calciul este imposibil ca conductor pentru majoritatea aplicațiilor terestre, deoarece reacționează rapid cu oxigenul atmosferic, a fost luată în considerare utilizarea lui ca atare în spațiu.

Proprietăți chimice

Structura centrului polimeric [Ca( _H2O ) ₆ ] ²⁺ în clorură de calciu hidratată, ilustrând numărul mare de coordonare tipic pentru complexele de calciu.

Chimia calciului este cea a unui metal alcalino-pământos greu tipic. De exemplu, calciul reacționează spontan cu apa mai repede decât magneziul și mai puțin rapid decât stronțiul pentru a produce hidroxid de calciu și hidrogen gazos. De asemenea, reacţionează cu oxigenul şi azotul din aer pentru a forma un amestec de oxid de calciu şi nitrură de calciu . Când este divizat fin, arde spontan în aer pentru a produce nitrură. În vrac, calciul este mai puțin reactiv: formează rapid un strat de hidratare în aerul umed, dar sub 30% umiditate relativă poate fi stocat pe termen nelimitat la temperatura camerei.

Pe lângă oxidul simplu CaO, peroxidul CaO ₂ poate fi produs prin oxidarea directă a calciului metalic sub o presiune ridicată a oxigenului și există unele dovezi pentru un superoxid galben Ca(O ₂ ) ₂ . Hidroxidul de calciu, Ca(OH) ₂ , este o bază puternică, deși nu este la fel de puternică precum hidroxizii de stronțiu, bariu sau metalele alcaline. Sunt cunoscute toate cele patru dihalogenuri de calciu. Carbonatul de calciu (CaCO ₃ ) și sulfatul de calciu (CaSO ₄ ) sunt minerale deosebit de abundente. Ca și stronțiul și bariul, precum și metalele alcaline și lantanidele divalente europiu și iterbiu , calciul metalului se dizolvă direct în amoniac lichid pentru a da o soluție albastru închis.

Datorită dimensiunii mari a ionului de calciu (Ca ²⁺ ), numerele de coordonare ridicate sunt comune, până la 24 în unii compuși intermetalici precum CaZn ₁₃ . Calciul este complexat cu ușurință de chelații de oxigen , cum ar fi EDTA și polifosfații , care sunt utili în chimia analitică și îndepărtarea ionilor de calciu din apa dura . În absența obstacolelor sterice , cationii mai mici din grupa 2 tind să formeze complexe mai puternice, dar atunci când sunt implicate macrocicluri polidentate mari , tendința este inversată.

Deși calciul este în același grup cu magneziul, iar compușii organomagneziului sunt folosiți foarte frecvent în chimie, compușii organocalcici nu sunt la fel de răspândiți, deoarece sunt mai dificil de fabricat și mai reactivi, deși recent au fost investigați ca posibili catalizatori . Compușii organocalcici tind să fie mai asemănători cu compușii organoitterbiului datorită razelor ionice similare ale Yb ²⁺ (102 pm) și Ca ²⁺ (100 pm).

Majoritatea acestor compuși pot fi preparați numai la temperaturi scăzute; liganzii voluminosi tind să favorizeze stabilitatea. De exemplu, calciul diciclopentadienil , Ca(C5H5 ₎₂ , trebuie _să fie obținut prin reacția directă a calciului metalic cu _mercurocen sau ciclopentadienă însăși ; înlocuirea ligandului C5H5 cu ligandul C5(CH3)5 mai voluminos _{, pe} de altă _{parte ,} crește solubilitatea, volatilitatea și stabilitatea cinetică a compusului _.

Izotopi

Calciul natural este un amestec de cinci izotopi stabili ( ⁴⁰ Ca, ⁴² Ca, ⁴³ Ca, ⁴⁴ Ca și ⁴⁶ Ca) și un izotop cu un timp de înjumătățire atât de lung încât poate fi considerat stabil pentru toate scopurile practice ( ⁴⁸ Ca , cu un timp de înjumătăţire de aproximativ 4,3 × 10 ¹⁹  ani). Calciul este primul (cel mai ușor) element care are șase izotopi naturali.

De departe, cel mai comun izotop al calciului în natură este ⁴⁰ Ca, care reprezintă 96,941% din totalul calciului natural. Este produs în procesul de ardere a siliciului din fuziunea particulelor alfa și este cel mai greu nuclid stabil cu numere egale de protoni și neutroni; apariția sa este completată încet și cu dezintegrarea ⁴⁰ K primordiali . Adăugarea unei alte particule alfa duce la ⁴⁴ Ti instabil, care se descompune rapid prin două capturi succesive de electroni la ⁴⁴ Ca stabil ; acesta reprezintă 2,806% din totalul calciului natural și este al doilea cel mai comun izotop.

Ceilalți patru izotopi naturali, ⁴² Ca, ⁴³ Ca, ⁴⁶ Ca și ⁴⁸ Ca, sunt semnificativ mai rari, fiecare cuprinzând mai puțin de 1% din totalul calciului natural. Cei patru izotopi mai ușori sunt în principal produse ale proceselor de ardere a oxigenului și a siliciului, lăsându-i pe cei doi mai grei să fie produși prin procese de captare a neutronilor . ^{46 Ca este produs în mare parte într} -un proces s „fierbinte” , deoarece formarea sa necesită un flux de neutroni destul de mare pentru a permite ca ⁴⁵ Ca de scurtă durată să capteze un neutron. ⁴⁸ Ca este produs prin captarea electronilor în procesul r în supernove de tip Ia , unde excesul mare de neutroni și entropia suficient de scăzută îi asigură supraviețuirea.

⁴⁶ Ca și ⁴⁸ Ca sunt primii nuclizi „clasic stabili” cu un exces de șase neutroni sau, respectiv, opt neutroni. Deși extrem de bogat în neutroni pentru un astfel de element ușor, ⁴⁸ Ca este foarte stabil deoarece este un nucleu dublu magic , având 20 de protoni și 28 de neutroni dispuși în învelișuri închise. Dezintegrarea sa beta la ⁴⁸ Sc este foarte împiedicată din cauza nepotrivirii grosiere a spinului nuclear : ⁴⁸ Ca are spin nuclear zero, fiind par – par , în timp ce ⁴⁸ Sc are spin 6+, deci dezintegrarea este interzisă de conservarea momentului unghiular . În timp ce două stări excitate de ⁴⁸ Sc sunt disponibile și pentru dezintegrare, ele sunt, de asemenea, interzise din cauza rotațiilor lor mari. Ca rezultat, atunci când ⁴⁸ Ca se descompune, o face prin descompunere dublă beta la ⁴⁸ Ti , fiind cel mai ușor nuclid cunoscut că suferă de descompunere dublă beta.

De asemenea, izotopul greu ⁴⁶ Ca poate suferi, teoretic, o descompunere dublă beta la ⁴⁶ Ti, dar acest lucru nu a fost observat niciodată. Cel mai ușor și mai obișnuit izotop ⁴⁰ Ca este, de asemenea, dublu magic și ar putea fi supus capturii duble de electroni la ⁴⁰ Ar , dar acest lucru nu a fost niciodată observat. Calciul este singurul element care are doi izotopi dublu magici primordiali. Limitele inferioare experimentale pentru timpii de înjumătățire ale ⁴⁰ Ca și ⁴⁶ Ca sunt 5,9 × 10 ²¹  ani și, respectiv, 2,8 × 10 ¹⁵  ani.

^{În afară de 48} Ca practic stabil , cel mai longeviv radioizotop de calciu este ⁴¹ Ca. Se dezintegra prin captarea electronilor la ⁴¹ K stabil, cu un timp de înjumătățire de aproximativ o sută de mii de ani. Existența sa în Sistemul Solar timpuriu ca radionuclid dispărut a fost dedusă din excesele de ⁴¹ K: urme de ⁴¹ Ca există și astăzi, deoarece este un nuclid cosmogen , reformat continuu prin activarea neutronică a ⁴⁰ Ca natural.

Sunt cunoscuți mulți alți radioizotopi de calciu, variind de la ³⁵ Ca până la ⁶⁰ Ca. Toate au o durată de viață mult mai scurtă decât ⁴¹ Ca, cea mai stabilă dintre ele fiind ⁴⁵ Ca (timp de înjumătățire 163 zile) și ⁴⁷ Ca (timp de înjumătățire 4,54 zile). Izotopii mai ușoare de ⁴² Ca suferă de obicei degradare beta plus la izotopi de potasiu, iar cei mai grei de ⁴⁴ Ca suferă de obicei degradare beta minus la izotopi de scandiu , deși în apropierea liniilor de picurare nucleară , emisia de protoni și emisia de neutroni încep să fie moduri de dezintegrare semnificative. de asemenea.

Ca și alte elemente, o varietate de procese modifică abundența relativă a izotopilor de calciu. Cel mai bine studiat dintre aceste procese este fracționarea dependentă de masă a izotopilor de calciu care însoțește precipitarea mineralelor de calciu, cum ar fi calcitul , aragonitul și apatitul din soluție. Izotopii mai ușori sunt încorporați de preferință în aceste minerale, lăsând soluția înconjurătoare îmbogățită în izotopi mai grei la o magnitudine de aproximativ 0,025% per unitate de masă atomică (amu) la temperatura camerei. Diferențele dependente de masă în compoziția izotopilor de calciu sunt exprimate în mod convențional prin raportul dintre doi izotopi (de obicei ⁴⁴ Ca/ ⁴⁰ Ca) într-o probă în comparație cu același raport într-un material de referință standard. ⁴⁴ Ca/ ⁴⁰ Ca variază cu aproximativ 1% între materialele pământești comune.

Istorie

Una dintre statuile 'Ain Ghazal , realizate din tencuiala de var

Compușii de calciu erau cunoscuți de milenii, deși componența lor chimică nu a fost înțeleasă până în secolul al XVII-lea. Varul ca material de construcție și ca tencuială pentru statui a fost folosit încă din jurul anului 7000 î.Hr. Primul cuptor de var datat datează din 2500 î.Hr. și a fost găsit în Khafajah , Mesopotamia .

Cam în același timp, gipsul deshidratat (CaSO ₄ · 2H ₂ O) era folosit în Marea Piramidă din Giza . Acest material va fi folosit mai târziu pentru tencuiala din mormântul lui Tutankhamon . Anticii romani foloseau în schimb mortare de var obținute prin încălzirea calcarului (CaCO ₃ ). Numele „calciu” în sine derivă din cuvântul latin calx „var”.

Vitruvius a remarcat că varul rezultat a fost mai ușor decât calcarul original, atribuind acest lucru fierberii apei. În 1755, Joseph Black a dovedit că acest lucru se datorează pierderii de dioxid de carbon , care ca gaz nu fusese recunoscut de vechii romani.

În 1789, Antoine Lavoisier a bănuit că varul ar putea fi un oxid al unui element chimic fundamental . În tabelul său de elemente, Lavoisier a enumerat cinci „pământuri salificabile” (adică minereuri care ar putea fi făcute să reacționeze cu acizi pentru a produce săruri ( salis = sare, în latină): chaux (oxid de calciu), magnésie (magnezie, oxid de magneziu ). ), barit (sulfat de bariu), alumină (alumină, oxid de aluminiu) și silice (silice, dioxid de siliciu)). Despre aceste „elemente”, Lavoisier a argumentat:

Probabil că nu cunoaștem până acum decât o parte din substanțele metalice existente în natură, întrucât toate cele care au o afinitate mai puternică față de oxigen decât o are carbonul, sunt incapabile, până acum, să fie reduse la o stare metalică și, în consecință, fiind doar prezentate observației noastre sub formă de oxizi, sunt confundate cu pământurile. Este extrem de probabil ca baritele, pe care tocmai acum i-am aranjat cu pământuri, să se afle în această situație; pentru că în multe experimente prezintă proprietăți care se apropie aproape de cele ale corpurilor metalice. Este chiar posibil ca toate substanțele pe care le numim pământuri să fie doar oxizi metalici, ireductibili prin orice proces cunoscut până acum.

Calciul, împreună cu congenerii săi magneziu, stronțiu și bariu, a fost izolat pentru prima dată de Humphry Davy în 1808. În urma lucrărilor lui Jöns Jakob Berzelius și Magnus Martin af Pontin cu privire la electroliză , Davy a izolat calciul și magneziul punând un amestec din metalul respectiv. oxizi cu oxid de mercur(II) pe o placă de platină care a fost folosită ca anod, catodul fiind un fir de platină scufundat parțial în mercur. Electroliza a dat apoi amalgame de calciu-mercur și magneziu-mercur, iar prin distilarea mercurului a dat metalul. Cu toate acestea, calciul pur nu poate fi preparat în vrac prin această metodă și un proces comercial funcțional pentru producerea sa nu a fost găsit decât peste un secol mai târziu.

Apariția și producția

Terase de travertin în Pamukkale , Turcia

Cu 3%, calciul este al cincilea element cel mai abundent din scoarța terestră și al treilea cel mai abundent metal, după aluminiu și fier . Este, de asemenea, al patrulea element cel mai abundent din munții lunari . Depozitele sedimentare de carbonat de calciu pătrund pe suprafața Pământului ca rămășițe fosilizate ale vieții marine din trecut; ele apar sub doua forme, calcitul romboedric (mai frecvent) si aragonitul ortorombic (formandu-se in marile mai temperate). Mineralele de primul tip includ calcarul , dolomita , marmura , creta și spatele islandezei ; paturile de aragonit formează Bahamas , Florida Keys și bazinele Mării Roșii . Coralii , scoicile și perlele sunt formate în mare parte din carbonat de calciu. Printre celelalte minerale importante ale calciului se numără gipsul (CaSO ₄ · 2H ₂ O), anhidrita (CaSO ₄ ), fluoritul (CaF ₂ ) și apatita ([Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ F]).

Principalii producători de calciu sunt China (aproximativ 10000 până la 12000 de tone pe an), Rusia (aproximativ 6000 până la 8000 de tone pe an) și Statele Unite (aproximativ 2000 până la 4000 de tone pe an). Canada și Franța sunt, de asemenea, printre producătorii minori. În 2005, au fost produse aproximativ 24000 de tone de calciu; Aproximativ jumătate din calciul extras din lume este folosit de Statele Unite, aproximativ 80% din producție utilizată în fiecare an.

În Rusia și China, metoda lui Davy de electroliză este încă folosită, dar este aplicată în schimb clorurii de calciu topite . Deoarece calciul este mai puțin reactiv decât stronțiul sau bariul, învelișul de oxid-nitrură care rezultă în aer este stabil și prelucrarea cu strung și alte tehnici metalurgice standard sunt potrivite pentru calciu. În Statele Unite și Canada, calciul este în schimb produs prin reducerea varului cu aluminiu la temperaturi ridicate.

Ciclul geochimic

Ciclul calciului oferă o legătură între tectonică , climă și ciclul carbonului . În cei mai simpli termeni, ridicarea munților expune rocile purtătoare de calciu, cum ar fi unele granite , la intemperii chimice și eliberează Ca ²⁺ în apele de suprafață. Acești ioni sunt transportați în ocean unde reacționează cu CO ₂ dizolvat pentru a forma calcar ( CaCO
₃), care la rândul său se așează pe fundul mării unde este încorporat în roci noi. CO2 dizolvat , împreună cu ionii _de carbonat și bicarbonat , sunt denumiți „ carbon anorganic dizolvat ” (DIC).

Reacția propriu-zisă este mai complicată și implică ionul de bicarbonat (HCO⁻
₃) care se formează atunci când CO ₂ reacționează cu apa la pH-ul apei de mare :

Ca²⁺
+ 2 HCO⁻
₃→ CaCO
_{3( e )} + CO
₂+ H
₂O

La pH-ul apei de mare, cea mai mare parte a CO ₂ este imediat transformată înapoi în HCO⁻
₃. Reacția are ca rezultat un transport net al unei molecule de CO ₂ din ocean/atmosferă în litosferă . Rezultatul este că fiecare ion de Ca ²⁺ eliberat de intemperii chimice elimină în cele din urmă o moleculă de CO ₂ din sistemul superficial (atmosferă, ocean, soluri și organisme vii), depozitându-l în roci carbonatice unde este probabil să rămână pentru sute de milioane de ani. Intemperii calciului din roci elimina astfel CO ₂ din ocean și atmosferă, exercitând un efect puternic pe termen lung asupra climei.

Utilizări

Cea mai mare utilizare a calciului metalic este în fabricarea oțelului , datorită afinității sale chimice puternice pentru oxigen și sulf . Oxizii și sulfurile sale, odată formate, dau incluziuni de aluminat de var lichid și sulfuri în oțel care plutesc; la tratament, aceste incluziuni se dispersează în întregul oțel și devin mici și sferice, îmbunătățind capacitatea de turnabilitate, curățenia și proprietățile mecanice generale. Calciul este, de asemenea, utilizat în bateriile auto care nu necesită întreținere , în care utilizarea aliajelor de 0,1% calciu -plumb în loc de aliajele obișnuite de plumb- antimoniu duce la pierderi mai mici de apă și la o autodescărcare mai mică.

Datorită riscului de expansiune și fisurare, aluminiul este uneori încorporat și în aceste aliaje. Aceste aliaje plumb-calciu sunt folosite și la turnare, înlocuind aliajele plumb-antimoniu. Calciul este, de asemenea, utilizat pentru a întări aliajele de aluminiu utilizate pentru rulmenți, pentru controlul carbonului grafitic din fontă și pentru a îndepărta impuritățile de bismut din plumb. Calciul metalic se găsește în unele produse de curățare a scurgerilor, unde funcționează pentru a genera căldură și hidroxid de calciu care saponifică grăsimile și lichefiază proteinele (de exemplu, cele din păr) care blochează scurgerile.

Pe lângă metalurgie, reactivitatea calciului este exploatată pentru a îndepărta azotul din gazul argon de înaltă puritate și ca agent de captare a oxigenului și azotului. De asemenea, este folosit ca agent reducător în producția de crom , zirconiu , toriu și uraniu . Poate fi folosit și pentru a stoca hidrogen gazos, deoarece reacționează cu hidrogenul pentru a forma hidrură de calciu solidă , din care hidrogenul poate fi re-extras cu ușurință.

Fracționarea izotopilor de calciu în timpul formării mineralelor a condus la mai multe aplicații ale izotopilor de calciu. În special, observația din 1997 a lui Skulan și DePaolo conform căreia mineralele de calciu sunt izotopic mai ușoare decât soluțiile din care precipită mineralele stă la baza aplicațiilor analoge în medicină și în paleoceanografie. La animalele cu schelete mineralizate cu calciu, compoziția izotopică de calciu a țesuturilor moi reflectă rata relativă de formare și dizolvare a mineralului scheletic.

La om, modificările compoziției izotopice de calciu a urinei s-au dovedit a fi legate de modificări ale echilibrului mineral osos. Când rata de formare osoasă depășește rata de resorbție osoasă, raportul ⁴⁴ Ca/ ⁴⁰ Ca în țesutul moale crește și invers. Din cauza acestei relații, măsurătorile izotopice ale calciului în urină sau sânge pot fi utile în detectarea precoce a bolilor metabolice osoase, cum ar fi osteoporoza .

Un sistem similar există în apa de mare, unde ⁴⁴ Ca/ ⁴⁰ Ca tinde să crească atunci când rata de îndepărtare a Ca ²⁺ prin precipitații minerale depășește aportul de calciu nou în ocean. În 1997, Skulan și DePaolo au prezentat primele dovezi ale schimbării în apa de mare ⁴⁴ Ca/ ⁴⁰ Ca în timpul geologic, împreună cu o explicație teoretică a acestor schimbări. Lucrări mai recente au confirmat această observație, demonstrând că concentrația de Ca ²⁺ în apă de mare nu este constantă și că oceanul nu este niciodată într-o „stare de echilibru” în ceea ce privește intrarea și ieșirea de calciu. Acest lucru are implicații climatologice importante, deoarece ciclul marin al calciului este strâns legat de ciclul carbonului .

Mulți compuși de calciu sunt utilizați în alimente, ca produse farmaceutice și în medicină, printre altele. De exemplu, calciul și fosforul sunt suplimentate în alimente prin adăugarea de lactat de calciu , difosfat de calciu și fosfat tricalcic . Ultimul este folosit și ca agent de lustruire în pasta de dinți și în antiacide . Lactobionat de calciu este o pulbere albă care este folosită ca agent de suspendare pentru produse farmaceutice. La copt, fosfatul de calciu este folosit ca agent de dospire . Sulfitul de calciu este folosit ca înălbitor în fabricarea hârtiei și ca dezinfectant, silicatul de calciu este folosit ca agent de întărire în cauciuc, iar acetatul de calciu este o componentă a colofoniei de calcar și este folosit pentru a face săpunuri metalice și rășini sintetice.

Calciul se află pe Lista de medicamente esențiale a Organizației Mondiale a Sănătății .

Surse de hrana

Alimentele bogate în calciu includ produse lactate , cum ar fi iaurtul și brânza , sardinele , somonul , produsele din soia , kale și cerealele fortificate pentru micul dejun .

Din cauza preocupărilor legate de efectele secundare adverse pe termen lung, inclusiv calcificarea arterelor și a pietrelor la rinichi , atât Institutul de Medicină al SUA (IOM) cât și Autoritatea Europeană pentru Siguranța Alimentară (EFSA) au stabilit niveluri superioare tolerabile de aport (UL) pentru dietele combinate și suplimentare. calciu. Din OIM, persoanele cu vârsta cuprinsă între 9 și 18 ani nu trebuie să depășească doza combinată de 3 g/zi; pentru vârstele 19–50, să nu depășească 2,5 g/zi; pentru vârsta de 51 de ani și peste, să nu depășească 2 g/zi. EFSA a stabilit UL pentru toți adulții la 2,5 g/zi, dar a decis că informațiile pentru copii și adolescenți nu sunt suficiente pentru a determina UL.

Rol biologic și patologic

Aportul global de calciu alimentar în rândul adulților (mg/zi).

  <400

  400–500

  500–600

  600–700

  700–800

  800–900

  900–1000

  >1000

Funcţie

Calciul este un element esential necesar in cantitati mari. Ionul de Ca ²⁺ acționează ca un electrolit și este vital pentru sănătatea sistemului muscular, circulator și digestiv; este indispensabil pentru formarea osului; și sprijină sinteza și funcționarea celulelor sanguine. De exemplu, reglează contracția mușchilor , conducerea nervoasă și coagularea sângelui. Ca rezultat, nivelurile de calciu intra- și extracelular sunt strict reglementate de organism. Calciul poate juca acest rol deoarece ionul Ca ²⁺ formează complexe de coordonare stabile cu mulți compuși organici, în special proteine ; de asemenea, formează compuși cu o gamă largă de solubilități, permițând formarea scheletului .

Legare

Ionii de calciu pot fi complexați de proteine ​​prin legarea grupărilor carboxil ale resturilor de acid glutamic sau de acid aspartic ; prin interacțiunea cu resturi fosforilate de serină , tirozină sau treonină ; sau prin chelarea de către resturi de aminoacizi y-carboxilate. Tripsina , o enzimă digestivă, folosește prima metodă; osteocalcina , o proteină a matricei osoase, folosește a treia.

Alte proteine ​​ale matricei osoase, cum ar fi osteopontina și sialoproteina osoasă, folosesc atât prima, cât și a doua. Activarea directă a enzimelor prin legarea calciului este frecventă; alte enzime sunt activate prin asociere necovalentă cu enzimele care leagă calciul direct. De asemenea, calciul se leagă de stratul fosfolipidic al membranei celulare , ancorând proteinele asociate cu suprafața celulei.

Solubilitate

Ca exemplu al gamei largi de solubilitate a compușilor de calciu, fosfatul monocalcic este foarte solubil în apă, 85% din calciul extracelular este ca fosfat dicalcic cu o solubilitate de 2,0  mM și hidroxiapatita oaselor dintr-o matrice organică este fosfat tricalcic la 100°C . μM.

Nutriție

Calciul este un component comun al suplimentelor alimentare cu multivitamine , dar compoziția complexelor de calciu din suplimente poate afecta biodisponibilitatea acestuia, care variază în funcție de solubilitatea sării implicate: citratul de calciu , malatul și lactatul sunt foarte biodisponibili, în timp ce oxalatul este mai puțin. Alte preparate de calciu includ carbonat de calciu , citrat de calciu malat și gluconat de calciu . Intestinul absoarbe aproximativ o treime din calciul consumat ca ion liber , iar nivelul de calciu plasmatic este apoi reglat de rinichi .

Reglarea hormonală a formării osoase și a nivelurilor serice

Hormonul paratiroidian și vitamina D promovează formarea osului permițând și sporind depunerea ionilor de calciu acolo, permițând turnover-ul rapid al oaselor fără a afecta masa osoasă sau conținutul mineral. Când nivelul de calciu plasmatic scade, receptorii de suprafață celulară sunt activați și are loc secreția de hormon paratiroidian; apoi continuă să stimuleze intrarea calciului în rezervorul de plasmă prin luarea acestuia din celulele rinichilor, intestinului și osoase vizate, acțiunea de formare osoasă a hormonului paratiroidian fiind antagonizată de calcitonină , a cărei secreție crește odată cu creșterea nivelului de calciu în plasmă.

Niveluri serice anormale

Aportul excesiv de calciu poate provoca hipercalcemie . Cu toate acestea, deoarece calciul este absorbit destul de ineficient de către intestine, un nivel ridicat de calciu seric este mai probabil cauzat de secreția excesivă de hormon paratiroidian (PTH) sau posibil de aportul excesiv de vitamina D, ambele facilitând absorbția calciului. Toate aceste condiții duc la depunerea în exces de săruri de calciu în inimă, vasele de sânge sau rinichi. Simptomele includ anorexie, greață, vărsături, pierderi de memorie, confuzie, slăbiciune musculară, urinare crescută, deshidratare și boli osoase metabolice.

Hipercalcemia cronică duce în mod obișnuit la calcificarea țesuturilor moi și la consecințele sale grave: de exemplu, calcificarea poate cauza pierderea elasticității pereților vasculari și întreruperea fluxului sanguin laminar - și de aici la ruperea plăcii și tromboză . Dimpotrivă, aportul inadecvat de calciu sau vitamina D poate duce la hipocalcemie , adesea cauzată și de secreția inadecvată a hormonului paratiroidian sau receptorii PTH defecte în celule. Simptomele includ excitabilitatea neuromusculară, care poate provoca tetanie și perturbarea conductivității în țesutul cardiac.

Boala osoasa

Deoarece calciul este necesar pentru dezvoltarea oaselor, multe boli osoase pot fi urmărite în matricea organică sau hidroxiapatita în structura moleculară sau organizarea osului. Osteoporoza este o reducere a conținutului de minerale al osului pe unitate de volum și poate fi tratată prin suplimentarea cu calciu, vitamina D și bifosfonați . Cantitățile inadecvate de calciu, vitamina D sau fosfați pot duce la înmuierea oaselor, numită osteomalacie .

Siguranță

Calciu metalic

Calciu

Pericole
Etichetare GHS :
Pictograme
Cuvant de semnal	Pericol
Fraze de pericol	H261
Fraze de precauție	P231+P232
NFPA 704 (diamant de foc)	0 3 1 W

Deoarece calciul reacționează exotermic cu apa și acizii, calciul metalic care intră în contact cu umiditatea corporală are ca rezultat o iritație corozivă severă. Când este înghițit, calciul metalic are același efect asupra gurii, esofagului și stomacului și poate fi fatal. Cu toate acestea, nu se știe că expunerea pe termen lung are efecte adverse distincte.

Referințe

Bibliografie

• Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Chimia Elementelor (ed. a II-a). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
• Hluchan, Stephen E.; Pomerantz, Kenneth. „Calciu și aliaje de calciu”. Enciclopedia de chimie industrială a lui Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a04_515.pub2 .