Кальций - Calcium

Эта статья о химическом элементе. Для использования кальция в качестве лекарства см. Добавка кальция. Для использования в других целях см. Кальций (значения).

Кальций,20Ca
Кальций унтер Аргон Schutzgasatmosphäre.jpg
Кальций
Внешностьтускло-серый, серебристый; с бледно-желтым оттенком[1]
Стандартный атомный вес Аr, std(Ca)40.078(4)[2]
Кальций в периодическая таблица
ВодородГелий
ЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеон
НатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргон
КалийКальцийСкандийТитанаВанадийХромМарганецУтюгКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптон
РубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийБанкаСурьмаТеллурЙодКсенон
ЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоМеркурий (элемент)ТаллийСвинецВисмутПолонийАстатинРадон
ФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклиумКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБориумКалийМейтнерийДармштадтиумРентгенийКопернициумNihoniumФлеровийМосковиумЛиверморийTennessineОганессон
Mg
↑
Ca
↓
Sr
калий ← кальций → скандий
Атомный номер (Z)20
Группагруппа 2 (щелочноземельные металлы)
Периодпериод 4
Блокироватьs-блок
Категория элемента  Щелочноземельный металл
Электронная конфигурация[Ar ] 4s2
Электронов на оболочку2, 8, 8, 2
Физические свойства
Фаза вSTPтвердый
Температура плавления1115 K (842 ° С, 1548 ° F)
Точка кипения1757 К (1484 ° С, 2703 ° F)
Плотность (возлеr.t.)1,55 г / см3
в жидком состоянии (приm.p.)1,378 г / см3
Теплота плавления8.54 кДж / моль
Теплота испарения154,7 кДж / моль
Молярная теплоемкость25,929 Дж / (моль · К)
Давление газа
п (Па)1101001 к10 тыс.100 тыс.
вТ (K)8649561071122714431755
Атомные свойства
Состояния окисления+1,[3] +2 (сильно базовый окись)
ЭлектроотрицательностьШкала Полинга: 1,00
Энергии ионизации
  • 1-я: 589,8 кДж / моль
  • 2-я: 1145,4 кДж / моль
  • 3-я: 4912,4 кДж / моль
  • (более )
Радиус атомаэмпирические: 197вечера
Ковалентный радиус176 ± 10 часов вечера
Радиус Ван-дер-Ваальса231 вечера
Цветные линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии кальция
Другие свойства
Естественное явлениеизначальный
Кристальная структура ​гранецентрированная кубическая (fcc)
Гранецентрированная кубическая кристаллическая структура кальция
Скорость звука тонкий стержень3810 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 см3/ 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)
Главный изотопы кальция
ИзотопИзобилиеПериод полураспада (т1/2)Режим распадаПродукт
40Ca96.941%стабильный
41Caслед9.94×104 уε41K
42Ca0.647%стабильный
43Ca0.135%стабильный
44Ca2.086%стабильный
45Caсин162,6 гβ−45Sc
46Ca0.004%стабильный
47Caсин4,5 днβ−47Sc
γ–
48Ca0.187%6.4×1019 уβ−β−48Ti
Категория Категория: Кальций
| Рекомендации

Кальций это химический элемент с символ Ca и атомный номер 20. Как щелочноземельный металл, кальций - это химически активный металл, который при контакте с воздухом образует темный оксидно-нитридный слой. Его физические и химические свойства наиболее близки к его более тяжелым гомологам. стронций и барий. Это пятый по содержанию элемент в земной коре и третий по содержанию металл после утюг и алюминий. Наиболее распространенное соединение кальция на Земле - это карбонат кальция, нашел в известняк и окаменелые остатки ранней морской жизни; гипс, ангидрит, флюорит, и апатит также являются источниками кальция. Название происходит от латинский кал "Лайм ", который был получен при нагревании известняка.

Некоторые соединения кальция были известны древним, хотя их химический состав был неизвестен до семнадцатого века. Чистый кальций был выделен в 1808 г. электролиз его оксида Хэмфри Дэви, который назвал элемент. Соединения кальция широко используются во многих отраслях промышленности: в пищевой и фармацевтической промышленности для добавка кальция в бумажной промышленности в качестве отбеливателей, компонентов цемента и электрических изоляторов, а также при 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 распространенности элемент в тело человека.[5] В качестве электролиты, ионы кальция играют жизненно важную роль в физиологический и биохимический процессы организмов и клетки: в преобразование сигнала пути, где они действуют как второй посланник; в нейротрансмиттер освободить от нейроны; в отличие от всех мышца типы клеток; как кофакторы во многих ферменты; И в оплодотворение.[5] Ионы кальция вне клеток важны для поддержания разность потенциалов через возбудимый клеточные мембраны, белок синтез 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. У атома кальция двадцать электронов, расположенных в электронная конфигурация [Ar] 4s2. Как и другие элементы, входящие в группу 2 периодической таблицы, кальций имеет два валентные электроны во внешней s-орбитали, которые очень легко теряются в химических реакциях с образованием дипозитного иона со стабильной электронной конфигурацией благородный газ, в этом случае аргон. Следовательно, кальций почти всегда двухвалентный в его соединениях, которые обычно ионный. Гипотетические одновалентные соли кальция были бы стабильны по отношению к своим элементам, но не по отношению к непропорциональность к двухвалентным солям и металлическому кальцию, потому что энтальпия образования MX2 намного выше, чем у гипотетического MX. Это происходит из-за гораздо большего энергия решетки дается более заряженным Ca2+ катион по сравнению с гипотетическим Ca+ катион.[7]

Кальций, стронций, барий и радий всегда считаются щелочноземельные металлы; зажигалка бериллий и магний также во второй группе периодической таблицы Менделеева. Тем не менее, бериллий и магний значительно отличаются от других членов группы по своему физическому и химическому поведению: они ведут себя скорее как алюминий и цинк соответственно и имеют более слабый металлический характер, чем постпереходные металлы, поэтому традиционное определение 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 больше подходят 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 гранецентрированная кубическая расположение как стронций; выше 450 ° C он меняется на анизотропный шестиугольный плотно упакованный расположение как магний. Его плотность 1,55 г / см.3 является самым низким в своей группе.[7] Кальций тверже, чем вести но ножом можно разрезать с усилием. Хотя кальций хуже проводит электричество, чем медь или же алюминий по объему, это лучший проводник 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 [Ca (H2O)6]2+ центр в гидратированном хлориде кальция, что свидетельствует о высоком координационном числе, типичном для комплексов кальция.

По своему химическому составу кальций является типичным тяжелым щелочноземельным металлом. Например, кальций спонтанно реагирует с водой быстрее, чем магний, и медленнее, чем стронций, с образованием гидроксид кальция и газообразный водород. Он также реагирует с кислород и азот в воздухе, чтобы образовать смесь оксид кальция и нитрид кальция.[12] При мелком измельчении он самопроизвольно сгорает на воздухе с образованием нитрида. В массе кальций менее реакционноспособен: он быстро образует гидратационное покрытие во влажном воздухе, но ниже 30%. относительная влажность его можно хранить неограниченное время при комнатной температуре.[13]

Помимо простого оксида CaO, перекись CaO2 может быть получен прямым окислением металлического кальция под высоким давлением кислорода, и есть некоторые свидетельства желтого супероксид Ca (O2)2.[14] Гидроксид кальция, Ca (OH)2, является сильным основанием, хотя и не таким сильным, как гидроксиды стронция, бария или щелочных металлов.[15] Известны все четыре дигалогенида кальция.[16] Карбонат кальция (CaCO3) и сульфат кальция (CaSO4) являются особенно многочисленными минералами.[17] Подобно стронцию и барию, а также щелочным металлам и двухвалентным лантаноиды европий и иттербий, металлический кальций растворяется непосредственно в жидкости аммиак дать темно-синий раствор.[7]

Из-за большого размера Ca2+ ион, часто встречаются высокие координационные числа, до 24 в некоторых интерметаллические соединения такие как CaZn13.[18] Кальций легко образует комплексы с кислородом. хелаты Такие как EDTA и полифосфаты, которые полезны в аналитическая химия и удаление ионов кальция из жесткая вода. В отсутствие стерическое препятствие, катионы группы 2 меньшего размера склонны к образованию более прочных комплексов, но полидентатный макроциклы вовлечены, тенденция обратная.[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] Органические соединения кальция имеют тенденцию быть более похожими на соединения эттербия из-за схожести ионные радиусы Yb2+ (102 вечера) и Ca2+ (100 часов). Большинство этих соединений можно получить только при низких температурах; объемные лиганды обычно способствуют стабильности. Например, кальций дициклопентадиенил, Ca (C5ЧАС5)2, должны быть получены путем непосредственной реакции металлического кальция с меркуроцен или же циклопентадиен сам; замена C5ЧАС5 лиганд с более объемным C5(CH3)5 лиганд, с другой стороны, увеличивает растворимость, летучесть и кинетическую стабильность соединения.[24]

Изотопы

Основная статья: Изотопы кальция

Натуральный кальций представляет собой смесь пяти стабильных изотопы (40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Са и 46Ca) и один изотоп с таким длительным периодом полураспада, что его можно считать стабильным для всех практических целей (48Ca, с периодом полураспада около 4,3 × 1019 годы). Кальций - первый (самый легкий) элемент, содержащий шесть изотопов природного происхождения.[12]

Безусловно, наиболее распространенный изотоп кальция в природе - это 40Са, который составляет 96,941% всего природного кальция. Производится в процесс сжигания кремния из слияния альфа-частицы и является самым тяжелым стабильным нуклидом с равным числом протонов и нейтронов; его появление также медленно дополняется распадом изначальный 40K. Добавление еще одной альфа-частицы приводит к нестабильному 44Ti, который быстро распадается через два последовательных захват электронов к стабильной 44Ca; это составляет 2,806% всего природного кальция и является вторым по распространенности изотопом. Остальные четыре природных изотопа, 42Ca, 43Ca, 46Са и 48Са значительно реже, каждый составляет менее 1% всего природного кальция. Четыре более легких изотопа в основном являются продуктами сжигание кислорода и процессы сжигания кремния, в результате чего два более тяжелых должны производиться с помощью захват нейтронов процессы. 46Са в основном производится в «горячих» s-процесс, так как для его образования требуется довольно большой поток нейтронов, чтобы обеспечить короткоживущие 45Ca захватить нейтрон. 48Ca образуется в результате захвата электронов в r-процесс в сверхновые типа Ia, где высокий нейтронный избыток и достаточно низкая энтропия обеспечивают его выживание.[25][26]

46Ca и 48Са - первые «классически стабильные» нуклиды с избытком в шесть или восемь нейтронов соответственно. Несмотря на то, что такой легкий элемент чрезвычайно богат нейтронами, 48Ca очень стабилен, потому что это дважды магическое ядро, имеющий 20 протонов и 28 нейтронов, расположенных в закрытых оболочках. Его бета-распад к 48Sc очень затруднен из-за грубого несоответствия ядерное вращение: 48Ca имеет нулевой ядерный спин, будучи даже-даже, пока 48Sc имеет спин 6+, поэтому распад запрещенный сохранением угловой момент. Пока два возбужденных состояния 48Sc также доступны для распада, они также запрещены из-за их высоких спинов. В результате, когда 48Ca распадается, это происходит за счет двойной бета-распад к 48Ti вместо этого, будучи самым легким из известных нуклидов, претерпевающих двойной бета-распад.[27][28] Тяжелый изотоп 46Ca также теоретически может подвергаться двойному бета-распаду до 46Ti тоже, но этого никогда не наблюдалось; самый легкий и самый распространенный изотоп 40Са также обладает двойной магией и может двойной захват электронов к 40Ar, но этого также никогда не наблюдалось. Кальций - единственный элемент, который имеет два изначальных дважды магических изотопа. Экспериментальные нижние пределы периодов полураспада 40Ca и 46Ca 5,9 × 1021 лет и 2,8 × 1015 лет соответственно.[27]

Помимо практически стабильного 48Ca, самый долгоживущий радиоизотоп кальция это 41Ca. Он распадается при захвате электрона до стабильной 41K с периодом полураспада около ста тысяч лет. Его существование в ранней Солнечной системе как потухший радионуклид было выведено из избытка 41K: следы 41Ca также существует сегодня, так как это космогенный нуклид, постоянно реформируется через нейтронная активация естественного 40Ca.[26] Известны многие другие радиоизотопы кальция, начиная от 35Ca к 60Ca. Все они намного короче, чем 41Ca, наиболее стабильным среди них является 45Ca (период полураспада 163 дня) и 47Ca (период полураспада 4,54 дня). Изотопы легче, чем 42Ca обычно проходят бета плюс распад к изотопам калия и тем тяжелее, чем 44Ca обычно проходят бета минус распад к изотопам скандий, хотя рядом с ядерные капельные линии, испускание протона и нейтронное излучение также становятся значительными модами распада.[27]

Как и в случае с другими элементами, относительное содержание изотопов кальция изменяют различные процессы.[29] Наиболее изученным из этих процессов является зависимая от массы фракционирование изотопов кальция, который 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 44Ca /40Ca) в образце по сравнению с таким же соотношением в стандартном эталонном материале. 44Ca /40Ca колеблется примерно на 1% среди обычных материалов земли.[30]

История

Один из Статуи Айн Газаль, сделан из известковая штукатурка

Соединения кальция были известны тысячелетия, хотя их химический состав не был известен до 17 века.[31] Лайм как строительный материал[32] и, как гипс для статуй использовался еще около 7000 г. до н.э.[33] Первый датированный печь для обжига извести восходит к 2500 г. до н.э. и был найден в Хафаджа, Месопотамия.[34][35] Примерно в то же время обезвоженные гипс (CaSO4· 2H2O) использовался в Великая пирамида в Гизе; этот материал позже будет использован для штукатурки в гробнице Тутанхамон. В древние римляне взамен использовались известковые растворы, приготовленные путем нагревания известняк (CaCO3); само название «кальций» происходит от латинского слова кал "Лайм".[31] Витрувий отметил, что образовавшаяся известь была легче исходного известняка, объясняя это кипением воды; в 1755 г., Джозеф Блэк доказал, что это произошло из-за потери углекислый газ, который не был признан древними римлянами как газ.[36]

В 1787 г. Антуан Лавуазье подозревали, что известь может быть оксидом фундаментального химический элемент. 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), магнези (магнезия, оксид магния), барит (сульфат бария), глинозем (оксид алюминия, оксид алюминия) и кремний (кремнезем, 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 Хэмфри Дэви в 1808 году. Йенс Якоб Берцелиус и Магнус Мартин аф Понтин на электролиз, Дэви изолировал кальций и магний, поместив смесь соответствующих оксидов металлов с оксид ртути (II) на платина пластина, которая использовалась в качестве анода, 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

Травертин террасы в Памуккале, индюк

В 3% кальций пятый самый распространенный элемент в земной коре, и третий по распространенности металл после алюминий и утюг.[31] Это также четвертый по распространенности элемент в лунное нагорье.[13] Осадочный карбонат кальция отложения проникают на поверхность Земли в виде окаменелых останков прошлой морской жизни; они встречаются в двух формах: ромбоэдрический кальцит (чаще) и ромбический арагонит (образуется в морях с более умеренным климатом). Минералы первого типа включают известняк, доломит, мрамор, мел, и исландский лонжерон; арагонитовые пласты составляют Багамы, то Флорида-Кис, а красное море бассейны. Кораллы, морские раковины, и жемчуг в основном состоят из карбоната кальция. Среди других важных минералов кальция: гипс (CaSO4· 2H2O), ангидрит (CaSO4), флюорит (CaF2), и апатит ([Ca5(PO4)3F]).[31]

Основными производителями кальция являются Китай (примерно от 10000 до 12000 тонны в год), Россия (от 6000 до 8000 тонн в год), а Соединенные Штаты (примерно от 2000 до 4000 тонн в год). Канада и Франция также входят в число мелких производителей. В 2005 году было произведено около 24000 тонн кальция; Около половины добываемого в мире кальция используется Соединенными Штатами, при этом около 80% производимой продукции используется ежегодно.[11] В России и Китае метод электролиза Дэви все еще используется, но вместо этого применяется к расплавленным хлорид кальция.[11] Поскольку кальций менее реактивен, чем стронций или барий, оксидно-нитридное покрытие, в результате которого образуется воздух, стабильно и токарный станок механическая 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 тектоника, климат, а цикл углерода. Проще говоря, поднятие гор подвергает кальцийсодержащие породы химическому выветриванию и высвобождает Ca2+ в поверхностные воды. Эти ионы переносятся в океан, где реагируют с растворенным CO.2 формировать известняк (CaCO
3), который, в свою очередь, оседает на морское дно, где встраивается в новые породы. Растворенный CO2, вместе с карбонат и бикарбонат ионы, называются "растворенный неорганический углерод "(ДИК).[40]

Реальная реакция более сложная и включает в себя бикарбонат-ион (HCO−
3), который образуется при CO2 реагирует с водой в морской воде pH:

Ca2+
 + 2HCO−
3 → CaCO
3(s ) + CO
2 + ЧАС
2О

При pH морской воды большая часть CO2 немедленно конвертируется обратно в HCO−
3. Реакция приводит к чистому переносу одной молекулы CO2 из океана / атмосферы в литосфера.[41] В результате каждый Ca2+ ион, выделяемый в результате химического выветривания, в конечном итоге удаляет один CO2 молекула 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, очищает CO.2 из океана и атмосферы, оказывая сильное долгосрочное влияние на климат.[40][42]

Использует

Смотрите также: Добавка кальция

Наибольшее использование металлического кальция в сталеплавильное производство, благодаря сильному химическое сродство для кислорода и сера. Его оксиды и сульфиды после образования дают жидкую известь. алюминат и всплывающие сульфидные включения в стали; при обработке эти включения рассеиваются по всей стали и становятся мелкими и сферическими, улучшая литье, чистоту и общие механические свойства. Кальций также используется в необслуживаемых автомобильные аккумуляторы, в котором использование 0,1% кальция–вести сплавы вместо обычных сурьма - Свинцовые сплавы снижают потери воды и саморазряд. Из-за риска расширения и растрескивания, алюминий иногда 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 графита. углерод в чугун, и удалить висмут примеси из свинца.[39] Металлический кальций содержится в некоторых очистителях канализации, где он генерирует тепло и гидроксид кальция который омыляет жиры и разжижают белки (например, в волосах), блокирующие дренаж.[44] Помимо металлургии, реакционная способность кальция используется для удаления азот из высокой чистоты аргон газ и как добытчик для кислорода и азота. Он также используется в качестве восстановителя при производстве хром, цирконий, торий, и уран. Его также можно использовать для хранения газообразного водорода, поскольку он реагирует с водородом с образованием твердого вещества. гидрид кальция, из которого можно легко повторно извлечь водород.[39]

Фракционирование изотопов кальция во время образования минералов привело к нескольким применениям изотопов кальция. В частности, наблюдение Скулана и ДеПаоло в 1997 г.[45] тот факт, 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, 44Ca /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] Аналогичная система существует в морской воде, где 44Ca /40Ca имеет тенденцию повышаться, когда скорость удаления Ca2+ минеральных осадков превышает поступление нового кальция в океан. В 1997 году Скулан и ДеПаоло представили первые свидетельства изменений в морской воде. 44Ca /40Ca за геологическое время, а также теоретическое объяснение этих изменений. Более поздние публикации подтвердили это наблюдение, продемонстрировав, что в морской воде Ca2+ концентрация не постоянна, и океан никогда не находится в «устойчивом состоянии» в отношении поступления и вывода кальция. Это имеет важные климатологические последствия, так как морской цикл кальция тесно связан с цикл углерода.[47][48]

Многие соединения кальция используются, в частности, в пищевых продуктах, в качестве фармацевтических препаратов и в медицине. Например, кальций и фосфор добавляются в пищевые продукты за счет лактат кальция, дифосфат кальция, и трикальцийфосфат. Последний также используется как полирующее средство в зубная паста И в антациды. Лактобионат кальция представляет собой 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 как армирующий агент в резине, и ацетат кальция является составной частью известковая канифоль и используется для изготовления металлического мыла и синтетических смол.[43]

Кальций находится на Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения.[49]

Источники питания

Продукты, богатые кальцием, включают: молочные продукты, Такие как йогурт и сыр, сардины, лосось, соя товары, капуста, и укрепленный Хлопья на завтрак.[6]

Из-за опасений по поводу долгосрочных побочных эффектов, включая кальцификацию артерий и камни в почках, как США Институт медицины (МОМ) и Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) набор Допустимые верхние уровни потребления (UL) для комбинированного диетического и дополнительного кальция. 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 содержанию 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 - это существенный элемент нужны в большом количестве.[5][6] CA2+ ион 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 Ca2+ ионные формы стабильны координационные комплексы со многими органическими соединениями, особенно белки; он также образует соединения с широким диапазоном растворимости, что позволяет образовывать скелет.[5][54]

Привязка

Ионы кальция могут образовывать комплексы с белками посредством связывания карбоксильные группы из глютаминовая кислота или же аспарагиновая кислота остатки; через взаимодействие с фосфорилированный серин, тирозин, или же треонин остатки; или будучи хелатный по γ-карбоксилированным аминокислотным остаткам. 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 фосфолипид слой клеточная мембрана, закрепляя белки, связанные с поверхностью клетки.[54]

Растворимость

В качестве примера широкого диапазона растворимости соединений кальция: монокальций фосфат хорошо растворяется в воде, 85% внеклеточного кальция дикальция фосфат с растворимостью 2,0мМ и гидроксиапатит костей в органическом матриксе трикальцийфосфат при 100 мкМ.[54]

Питание

Кальций является обычным компонентом поливитаминный пищевые добавки,[5] но состав комплексов кальция в добавках может влиять на его биодоступность, которая зависит от растворимости вовлеченной соли: цитрат кальция, малат, и лактат обладают высокой биодоступностью, в то время как оксалат меньше. Другие препараты кальция включают: карбонат кальция, цитрат кальция малат, и глюконат кальция.[5] Кишечник поглощает около одной трети кальция, потребляемого в пищу. свободный ион, а уровень кальция в плазме затем регулируется почки.[5]

Гормональная регуляция образования костей и уровня сыворотки

Гормон паращитовидной железы и Витамин Д способствует формированию кости, позволяя и увеличивая отложение в ней ионов кальция, обеспечивая быстрый обмен костной ткани без влияния на массу костной ткани 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 кальцитонин, секреция которого увеличивается с увеличением уровня кальция в плазме.[54]

Аномальные уровни в сыворотке

Избыточное потребление кальция может вызвать гиперкальциемия. 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 кальцификация мягких тканей и его серьезные последствия: например, кальциноз может вызвать потерю эластичности сосудистые стенки и нарушение ламинарного кровотока - и, следовательно, разрыв бляшки и тромбоз. И наоборот, недостаточное потребление кальция или витамина D может привести к гипокальциемия, часто вызванные недостаточной секрецией паратироидного гормона или дефектными рецепторами ПТГ в клетках. Симптомы включают нервно-мышечную возбудимость, которая потенциально вызывает тетания 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 гидроксиапатит в молекулярной структуре или организации кости. Остеопороз представляет собой снижение содержания минералов в костях на единицу объема, и его можно лечить добавлением кальция, витамина D и бисфосфонаты.[5][6] Недостаточное количество кальция, витамина D или фосфатов может привести к размягчению костей, что называется остеомаляция.[54]

Безопасность

Металлический кальций

Кальций
Опасности
Пиктограммы GHSGHS02: Легковоспламеняющийся
Сигнальное слово GHSОпасность
H261
P231 + 232, P422[55]
NFPA 704 (огненный алмаз)

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 полость рта, 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. ^ Мейя, Юрис; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)». Чистая и прикладная химия. 88 (3): 265–91. Дои:10.1515 / pac-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. Дои: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. ^ а б c d е ж грамм час я j «Кальций». Институт Линуса Полинга, Государственный университет Орегона, Корваллис, Орегон. 1 сентября 2017 г.. Получено 31 августа 2019.
  6. ^ а б c d «Кальций: информационный бюллетень для специалистов в области здравоохранения». Управление диетических добавок Национального института здоровья США. 9 июля 2019 г.. Получено 31 августа 2019.
  7. ^ а б c d Гринвуд и Эрншоу, стр. 112–3.
  8. ^ Пэриш, Р. В. (1977). Металлические элементы. Лондон: Лонгман. п.34. ISBN  978-0-582-44278-8.
  9. ^ Фукума, Чихито (2013). 福 間 の 無機 化学 の 講義 三 訂 Version (на японском языке).株式会社 旺 文 社. п. 126. ISBN  9784010340172.
  10. ^ Ропп, Ричард К. (31 декабря 2012 г.). Энциклопедия соединений щелочноземельных металлов. С. 12–5. ISBN  978-0-444-59553-9.
  11. ^ а б c d Hluchan and Pomerantz, стр. 484
  12. ^ а б К. Р. Хэммонд Элементы (стр. 4–35) в Лиде, Д. Р., изд. (2005). CRC Справочник по химии и физике (86-е изд.). Бока-Ратон (Флорида): CRC Press. ISBN  0-8493-0486-5.
  13. ^ а б Hluchan and Pomerantz, стр. 483
  14. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 119
  15. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 121
  16. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 117
  17. ^ а б 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. Дои:10.1002 / 1521-3773 (20011119) 40:22 <4261 :: AID-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. Дои: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. Дои:10.1021 / om100937c.
  22. ^ Эроусмит, Мерл; Crimmin, Mark R .; Барретт, Энтони Г. М .; 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. Дои: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. Дои:10.1002 / anie.201408814. PMID  25376952.
  24. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 136–7.
  25. ^ Кэмерон, А. Г. У. (1973). «Изобилие элементов в Солнечной системе» (PDF). Обзоры космической науки. 15 (1): 121–146. Bibcode:1973ССРв ... 15..121С. Дои:10.1007 / BF00172440. S2CID  120201972.
  26. ^ а б Клейтон, Дональд (2003). Справочник изотопов в космосе: от водорода до галлия. Издательство Кембриджского университета. С. 184–198. ISBN  9780521530835.
  27. ^ а б c Audi, G .; Кондев, Ф. Г .; Wang, M .; Huang, W. J .; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF). Китайская физика C. 41 (3): 030001. Bibcode:2017ЧФК..41с0001А. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  28. ^ Arnold, R .; и другие. (NEMO-3 Сотрудничество ) (2016). "Измерение периода полураспада двойного бета-распада и поиск безнейтринного двойного бета-распада 48Са с детектором НЕМО-3 ». Физический обзор D. 93 (11): 112008. arXiv:1604.01710. Bibcode:2016ПхРвД..93к2008А. Дои:10.1103 / PhysRevD.93.112008. S2CID  55485404.
  29. ^ Russell, W. A .; Papanastassiou, D.A .; 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. Дои:10.1016/0016-7037(78)90105-9.
  30. ^ Skulan, J .; Депаоло, Д. Дж. (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. Дои:10.1073 / пнас.96.24.13709. ЧВК  24129. PMID  10570137.
  31. ^ а б c d е Гринвуд и Эрншоу, стр. 108
  32. ^ Миллер, М. Майкл. «Товарный отчет: Лайм» (PDF). Геологическая служба США. Получено 2012-03-06.
  33. ^ Гарфинкель, Йосеф (1987). "Продукты из обожженной извести и социальные последствия в деревнях Ближнего Востока до гончарного неолита B". Палеориент. 13 (1): 69–76. Дои:10.3406 / палео.1987.4417. JSTOR  41492234.
  34. ^ Уильямс, Ричард (2004). Печи для обжига извести и сжигание извести. п. 4. ISBN  978-0-7478-0596-0.
  35. ^ Оутс, Дж. А. Х (2008-07-01). Известь и известняк: химия и технология, производство и использование. ISBN  978-3-527-61201-7.
  36. ^ а б Недели, Мэри Эльвира; Лейчестер, Генри М. (1968). Открытие элементов. 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: Кюше, 1789 г.), т. 1, п. 174.)
  38. ^ Дэви, Х. (1808). «Электрохимические исследования разложения земли; с наблюдениями за металлами, полученными из щелочноземельных металлов, и за амальгамой, полученной из аммиака». Философские труды Лондонского королевского общества. 98: 333–70. Bibcode:1808РСПТ ... 98..333Д. Дои:10.1098 / рстл.1808.0023.
  39. ^ а б c Гринвуд и Эрншоу, стр. 110
  40. ^ а б Бернер, Роберт (2003). «Долгосрочный углеродный цикл, ископаемое топливо и состав атмосферы». Природа. 426 (6964): 323–326. Bibcode:2003Натура 426..323Б. Дои:10.1038 / природа02131. PMID  14628061. S2CID  4420185.
  41. ^ Зибе (2006). «Морская карбонатная химия». Национальный совет по науке и окружающей среде. Получено 2010-03-13.
  42. ^ Уокер, Джеймс С. Дж .; Hays, P. B .; 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. Дои:10.1029 / JC086iC10p09776. ISSN  2156-2202.
  43. ^ а б Hluchan and Pomerantz, стр. 485–7.
  44. ^ а б Rumack BH. POISINDEX. Информационная система Micromedex, Inc., Энглвуд, Колорадо, 2010 г .; CCIS Volume 143. Hall AH и Rumack BH (ред.)
  45. ^ Skulan, J .; Депаоло, Д. Дж .; 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. Дои:10.1016 / S0016-7037 (97) 00047-1.
  46. ^ Skulan, J .; Bullen, T .; Anbar, A.D .; Puzas, J. E .; 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. Дои:10.1373 / Clinchem.2006.080143. PMID  17463176. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-11-22. Получено 2011-06-12.
  47. ^ Фантл, М .; Депаоло, Д. (2007). «Изотопы Ca в карбонатных отложениях и поровом флюиде с участка 807A ODP: Ca2+(водн.) –– коэффициент равновесного фракционирования кальцита и скорости перекристаллизации кальцита в плейстоценовых отложениях ». Геохим Космохим Акта. 71 (10): 2524–2546. Bibcode:2007GeCoA..71.2524F. Дои: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. Дои:10.1126 / science.1163614. PMID  19074345. S2CID  206515318.
  49. ^ Всемирная организация здоровья (2019). Типовой список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения: 21-й список 2019 г.. 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 диетических норм витамина D и кальция; Росс, А. С .; Taylor, C.L .; Яктин, А.Л .; Дель Валле, Х. Б. (2011). Рекомендуемая диета для кальция и витамина D, Глава 6, Допустимые верхние уровни потребления, стр. 403–456. Вашингтон, округ Колумбия: National Academies Press. Дои:10.17226/13050. ISBN  978-0-309-16394-1. PMID  21796828.
  51. ^ Допустимый верхний уровень потребления витаминов и минералов (PDF), Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов, 2006 г.
  52. ^ Комитет Института медицины (США) по пересмотру рекомендуемых диетических норм витамина D и кальция; Росс, А. С .; Taylor, C.L .; Яктин, А.Л .; Дель Валле, Х. Б. (2011). Рекомендации по потреблению кальция и витамина D с пищей, Глава 5 Рекомендации по питанию, стр. 345-402. Вашингтон, округ Колумбия: National Academies Press. Дои:10.17226/13050. ISBN  978-0-309-16394-1. PMID  21796828.
  53. ^ Балк Е.М., Адам Г.П., Лангберг В.Н., Эрли А., Кларк П., Эбелинг П.Р., Митал А., Риццоли Р., Зербини К.А., Пьероз Д.Д., Доусон-Хьюз Б. (декабрь 2017 г.). «Глобальное потребление кальция с пищей среди взрослых: систематический обзор». Остеопороз Интернэшнл. 28 (12): 3315–3324. Дои:10.1007 / s00198-017-4230-х. ЧВК  5684325. PMID  29026938.
  54. ^ а б c d е ж Hluchan and Pomerantz, стр. 489–94.
  55. ^ «Кальциевая стружка на основе 99% микрометаллов». Сигма-Олдрич. Получено 2019-01-11.
  56. ^ а б Hluchan and Pomerantz, стр. 487–9.

Библиография