Кальций

Химический элемент, символ Ca и атомный номер 20

Кальций — химический элемент ; он имеет символ Ca и атомный номер 20. Будучи щелочноземельным металлом , кальций является химически активным металлом, который при воздействии воздуха образует темный оксидно-нитридный слой. Его физические и химические свойства наиболее близки к его более тяжелым гомологам стронцию и барию . Это пятый по распространенности элемент в земной коре и третий по распространенности металл после железа и алюминия . Наиболее распространенным соединением кальция на Земле является карбонат кальция , обнаруженный в известняке и окаменелых остатках ранней морской жизни; гипс , ангидрит , флюорит и апатит также являются источниками кальция. Название происходит от латинского Calx « известь », полученного при нагревании известняка.

Некоторые соединения кальция были известны древним людям, хотя их химия была неизвестна до семнадцатого века. Чистый кальций был выделен в 1808 году электролизом его оксида Хамфри Дэви , который дал этому элементу название. Соединения кальция широко используются во многих отраслях промышленности: в пищевых продуктах и ​​фармацевтических препаратах в качестве добавок кальция , в бумажной промышленности в качестве отбеливателей, в качестве 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 его часто используют в качестве легирующего компонента при выплавке стали, а иногда, как кальциево-свинцовый сплав, при изготовлении автомобильных аккумуляторов.

Кальций — самый распространенный металл и пятый по распространенности элемент в организме человека . ^[8] Как электролиты , ионы кальция (Ca ²⁺ ) играют жизненно важную роль в физиологических и биохимических процессах организмов и клеток : в путях передачи сигналов , где они действуют как вторичные мессенджеры ; в высвобождении нейромедиаторов из нейронов ; в сокращении всех типов мышечных клеток ; как кофакторы во многих ферментах ; и в оплодотворении . ^[8] Ионы кальция вне клеток важны для поддержания разницы потенциалов на мембранах возбудимых клеток , синтеза белка и формирования костей. ^{[8] [9]}

Характеристики

Классификация

Кальций — очень пластичный серебристый металл (иногда его называют бледно-желтым), свойства которого очень похожи на свойства более тяжелых элементов его группы — стронция , бария и радия . Атом кальция имеет двадцать электронов, расположенных в электронной конфигурации [Ar]4s ² . Как и другие элементы, помещенные во 2-ю группу таблицы Менделеева, кальций имеет два валентных электрона на крайней s-орбитали, которые очень легко теряются в химических реакциях с образованием диположительного иона со стабильной электронной конфигурацией благородного газа . корпус аргон . ^[10]

Следовательно, кальций почти всегда двухвалентен в своих соединениях, которые обычно являются ионными . Гипотетические одновалентные соли кальция были бы стабильны по отношению к своим элементам, но не к диспропорционированию с двухвалентными солями и металлическим кальцием, поскольку энтальпия образования MX ₂ значительно выше, чем у гипотетического MX. Это происходит из-за гораздо большей энергии решетки , которую обеспечивает более сильно заряженный катион Ca ²⁺ по сравнению с гипотетическим катионом Ca ⁺ . ^[10]

Кальций, стронций, барий и радий всегда считаются щелочноземельными металлами ; Также часто включают более легкие бериллий и магний , также входящие во 2-ю группу таблицы Менделеева. Тем не менее, бериллий и магний существенно 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, чем постпереходные металлы , поэтому традиционное определение термина «щелочноземельный металл» их исключает. ^[11]

Физические свойства

Металлический кальций плавится при 842 °С и кипит при 1494 °С; эти значения выше, чем у магния и стронция, соседних металлов 2-й группы. Он кристаллизуется в гранецентрированной кубической форме, как стронций; выше 450 ° C он превращается в анизотропную гексагональную плотноупакованную структуру, как магний. Его плотность 1,55 г/см ³ является самой низкой в ​​своей группе. ^[10]

Кальций тверже свинца , но его можно с усилием разрезать ножом. Хотя кальций является худшим проводником электричества, чем медь или алюминий по объему, он является лучшим проводником по массе, чем оба, из-за его очень низкой плотности. ^[12] Хотя кальций непригоден в качестве проводника для большинства наземных применений, поскольку он быстро реагирует с атмосферным кислородом, его использование как таковое в космосе рассматривалось. ^[12]

Химические свойства

Строение полимерного центра [Ca(H ₂ O) ₆ ] ²⁺ в гидратированном хлориде кальция, иллюстрирующее высокое координационное число, характерное для кальциевых комплексов.

По химическому составу кальций аналогичен типичному тяжелому щелочноземельному металлу. Например, кальций самопроизвольно реагирует с водой быстрее, чем магний, и медленнее, чем стронций, с образованием гидроксида кальция и газообразного водорода. Он также реагирует с кислородом и азотом воздуха, образуя смесь оксида кальция и нитрида кальция . ^[13] При тонком 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 неопределенно долго при комнатной температуре. ^[14]

Помимо простого оксида CaO, пероксид CaO ₂ может быть получен прямым окислением металлического кальция под высоким давлением кислорода, и есть некоторые свидетельства существования желтого супероксида Ca(O ₂ ) ₂ . ^[15] Гидроксид кальция, Ca(OH) ₂ , является сильным основанием, хотя и не таким сильным, как гидроксиды стронция, бария или щелочных металлов. ^[16] Известны все четыре дигалогенида кальция. ^[17] Карбонат кальция (CaCO ₃ ) и сульфат кальция (CaSO ₄ ) являются особенно распространенными минералами. ^[18] Подобно стронцию и барию, а также щелочным металлам и двухвалентным лантанидам европию и иттербию , металлический кальций растворяется непосредственно в жидком аммиаке , образуя темно-синий раствор. ^[10]

Из-за большого размера иона кальция (Ca ²⁺ ) часто встречаются высокие координационные числа, вплоть до 24 в некоторых интерметаллических соединениях , таких как CaZn ₁₃ . ^[19] Кальций легко образует комплексы с кислородными хелатами , такими как ЭДТА и полифосфаты , которые полезны в аналитической химии и удалении ионов кальция из жесткой воды . В отсутствие стерических препятствий меньшие катионы группы 2 имеют тенденцию образовывать более прочные комплексы, но когда в процесс вовлечены большие полидентатные макроциклы , тенденция меняется на противоположную. ^[18]

Хотя кальций относится к той же группе, что и магний, и магнийорганические соединения очень часто используются в химии, кальцийорганические соединения не так широко распространены, поскольку их труднее получить и они более реакционноспособны, хотя недавно они были исследованы в качестве возможных катализаторов . ^{[20] [21] [22] [23] [24]} Кальцийорганические соединения имеют тенденцию быть более похожими на иттербиевые органические соединения из-за схожих ионных радиусов Yb ²⁺ (102 пм) и Ca ²⁺ (100 пм). ^[25]

Большинство этих соединений можно получить только при низких температурах; объемистые лиганды имеют тенденцию способствовать стабильности. Например, дициклопентадиенил кальция , Ca(C ₅ H ₅ ) ₂ , должен быть получен путем прямой реакции металлического кальция с меркуоценом или самим циклопентадиеном ; замена лиганда C ₅ H ₅ более объемистым лигандом C ₅ (CH ₃ ) _5, с другой стороны, увеличивает растворимость, летучесть и кинетическую стабильность соединения. ^[25]

изотопы

Природный кальций представляет собой смесь пяти стабильных изотопов ( ⁴⁰ Ca, ⁴² Ca, ⁴³ Ca, ⁴⁴ Ca и ⁴⁶ Ca) и одного изотопа с периодом полураспада настолько длинным, 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, имеющий шесть природных изотопов. ^[13]

На сегодняшний день наиболее распространенным изотопом кальция в природе является ⁴⁰ Са, который составляет 96,941% всего природного кальция. Он образуется в процессе сжигания кремния в результате синтеза альфа-частиц и является самым тяжелым стабильным нуклидом с равным числом протонов и нейтронов; его появление также медленно дополняется распадом первичного ⁴⁰ К. Добавление еще одной альфа-частицы приводит к нестабильному ⁴⁴ Ti, который быстро распадается за счет двух последовательных захватов электронов до стабильного ⁴⁴ Ca; это составляет 2,806% всего природного кальция и является вторым по распространенности изотопом. ^{[26] [27]}

Остальные четыре природных изотопа — ⁴² Ca, ⁴³ Ca, ⁴⁶ Ca и ⁴⁸ Ca — встречаются значительно реже, каждый из них составляет менее 1% всего природного кальция. Четыре более легких изотопа в основном являются продуктами процессов сжигания кислорода и кремния, а два более тяжелых изотопа производятся в процессах захвата нейтронов . ⁴⁶ Ca в основном производится в «горячем» s-процессе , поскольку для его образования требуется довольно высокий поток нейтронов, чтобы короткоживущий ⁴⁵ Ca мог захватить нейтрон. ⁴⁸ Ca образуется путем захвата электронов в r-процессе в сверхновых типа Ia , где высокий избыток нейтронов и достаточно низкая энтропия обеспечивают его выживание. ^{[26] [27]}

⁴⁶ Ca и ⁴⁸ Ca — первые «классически стабильные» нуклиды с шестинейтронным или восьминейтронным избытком соответственно. ^{Хотя 48} Ca чрезвычайно богат нейтронами для такого легкого элемента, он очень стабилен, поскольку представляет собой вдвойне магическое ядро , имеющее 20 протонов и 28 нейтронов, расположенных в закрытых оболочках. Его бета-распад до ⁴⁸ Sc очень затруднен из-за грубого несоответствия ядерного спина : ⁴⁸ Ca имеет нулевой ядерный спин, будучи четным-четным , тогда как ⁴⁸ Sc имеет спин 6+, поэтому распад запрещен из-за сохранения углового момента . Хотя два возбужденных состояния ⁴⁸ Sc также доступны для распада, они также запрещены из-за их высоких спинов. В результате, когда ⁴⁸ Ca действительно распадается, он делает это путем двойного бета-распада с образованием ⁴⁸ Ti , который является самым легким нуклидом, который, как известно, подвергается двойному бета-распаду. ^{[28] [29]}

Тяжелый изотоп ⁴⁶ Ca теоретически также может подвергаться двойному бета-распаду с образованием ⁴⁶ Ti, но этого никогда не наблюдалось. Самый легкий и наиболее распространенный изотоп ⁴⁰ Ca также является дважды магическим и может подвергаться двойному захвату электронов с помощью ⁴⁰ Ar , но этого также никогда не наблюдалось. Кальций — единственный элемент, имеющий два первичных изотопа с двойной магией. Экспериментальные нижние пределы периодов полураспада ⁴⁰ Ca и ⁴⁶ Ca составляют 5,9 × 10 ²¹  год и 2,8 × 10 ¹⁵  лет соответственно. ^[28]

Помимо практически стабильного ⁴⁸ Ca, самым долгоживущим радиоизотопом кальция является ⁴¹ Ca. Он распадается путем захвата электронов до стабильной температуры ⁴¹ К с периодом полураспада около ста тысяч лет. Его существование в ранней Солнечной системе в качестве вымершего радионуклида было предположено на основании избытка ⁴¹ К: следы ⁴¹ Са также существуют сегодня, поскольку это космогенный нуклид , непрерывно реформируемый посредством нейтронной активации природного ⁴⁰ Са . ^[27]

Известно множество других радиоизотопов кальция в диапазоне от ³⁵ Ca до ⁶⁰ Ca. Все они гораздо 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-распаду до изотопов калия, а изотопы тяжелее, чем ⁴⁴ Ca, обычно подвергаются бета-минус-распаду до изотопов скандия , хотя вблизи ядерных капельных линий испускание протонов и нейтронное излучение становятся существенными модами распада. также. ^[28]

Как и в случае с другими элементами, относительное содержание изотопов кальция изменяется в результате различных процессов. ^[30] Наиболее изученным из этих процессов является массово-зависимое фракционирование изотопов кальция, которое сопровождает осаждение минералов кальция, таких как кальцит , арагонит и апатит, из раствора. Более легкие изотопы преимущественно включаются в эти минералы, в результате чего окружающий раствор обогащается более тяжелыми изотопами в количестве примерно 0,025% на единицу атомной массы (а.е.м.) при комнатной температуре. Зависимые от массы различия в изотопном составе кальция обычно выражаются соотношением двух изотопов (обычно ⁴⁴ Ca/ ⁴⁰ Ca) в образце по сравнению с таким же соотношением в стандартном эталонном материале. ⁴⁴ Ca/ ⁴⁰ Ca варьируется примерно на 1% среди обычных земных материалов. ^[31]

История

Одна из статуй Айн-Газаль , сделанная из известковой штукатурки.

Соединения кальция были известны на протяжении тысячелетий, хотя их химический состав не был понят до 17 века. ^[32] Известь в качестве строительного материала ^[33] и гипса для статуй использовалась еще около 7000 г. до н.э. ^[34] Первая датированная печь для обжига извести датируется 2500 годом до нашей эры и была найдена в Хафадже , Месопотамия . ^{[35] [36]}

Примерно в то же время обезвоженный гипс (CaSO ₄ ·2H ₂ O) использовался в Великой пирамиде Гизы . Этот материал позже будет использован для штукатурки гробницы Тутанхамона . Вместо этого древние римляне использовали известковые растворы, приготовленные путем нагревания известняка (CaCO ₃ ). Само название «кальций» происходит от латинского слова « calx » «известь». ^[32]

Витрувий отметил, что полученная известь была легче исходного известняка, объяснив это кипением воды. В 1755 году Джозеф Блэк доказал, что это произошло из-за потери углекислого газа , который древние римляне не признавали за газ. ^[37]

В 1789 году Антуан Лавуазье предположил, что известь может быть оксидом фундаментального химического элемента . В своей таблице элементов Лавуазье перечислил пять «поддающихся солеобразованию земель» (т.е. руд, которые можно заставить вступать в реакцию с кислотами с образованием солей ( salis = соль на латыни): chaux (оксид кальция), магнезия (магнезия, оксид магния). ), барит (сульфат бария), глинозем (оксид алюминия, оксид алюминия) и кремнезем (кремнезем, диоксид кремния)). Об этих «элементах» Лавуазье рассуждал:

Мы, вероятно, знакомы пока лишь с частью существующих в природе металлических веществ, так как все те, которые имеют более сильное сродство к кислороду, чем имеет углерод, не способны до сих пор приводиться в металлическое состояние и, следовательно, являются лишь представленные нашему наблюдению в виде оксидов, путают с землями. Весьма вероятно, что в таком положении находится барит, который мы только что расположили с землями; ибо во многих экспериментах он проявляет свойства, близкие к свойствам металлических тел. Возможно даже, что все вещества, которые мы называем землями, могут быть лишь оксидами металлов, невосстанавливаемыми ни одним из известных до сих пор процессов. ^[38]

Кальций вместе с родственными ему магнием, стронцием и барием был впервые выделен Хамфри Дэви в 1808 году. Следуя работам Йонса Якоба Берцелиуса и Магнуса Мартина аф Понтина по электролизу , Дэви выделил кальций и магний, поместив смесь соответствующих металлов оксиды с оксидом ртути(II) на платиновой пластине, которая использовалась в качестве анода, а катод представлял собой платиновую проволоку, частично погруженную в ртуть. Затем электролиз дал амальгамы кальция и ртути и магния и ртути, а отгонка ртути дала металл. ^{[32] [39]} Однако чистый кальций не может быть получен в больших количествах этим методом, и работоспособный коммерческий процесс его производства был найден только более века спустя. ^[37]

Возникновение и производство

Травертиновые террасы в Памуккале , Турция

Кальций с содержанием 3% является пятым по распространенности элементом в земной коре и третьим по распространенности металлом после алюминия и железа . ^[32] Это также четвертый по распространенности элемент в лунном нагорье . ^[14] Осадочные отложения карбоната кальция пронизывают поверхность Земли как окаменелые останки прошлой морской жизни; они встречаются в двух формах: ромбоэдрический кальцит (более распространенный) и ромбический арагонит (образующийся в морях с более умеренным климатом). К минералам первого типа относятся известняк , доломит , мрамор , мел , исландский шпат ; Залежи арагонита слагают Багамские острова , Флорида-Кис и бассейны Красного моря . Кораллы , морские ракушки и жемчуг в основном состоят из карбоната кальция. К другим важным минералам кальция относятся гипс (CaSO ₄ ·2H ₂ O), ангидрит (CaSO ₄ ), флюорит (CaF ₂ ) и апатит ([Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ X], X = OH, Cl, или Ф). ^[32]

Основными производителями кальция являются Китай (около 10 000–12 000 тонн в год), Россия (около 6 000–8 000 тонн в год) и США (около 2 000–4 000 тонн в год). Канада и Франция также входят в число второстепенных производителей. В 2005 г. было произведено около 24 тыс. тонн кальция; около половины добываемого в мире кальция используется Соединенными Штатами, причем ежегодно используется около 80% произведенного кальция. ^[12]

В России и Китае до сих пор используется метод электролиза Дэви, но вместо него применяется расплавленный хлорид кальция . ^[12] Поскольку кальций менее реакционноспособен, чем стронций или барий, оксидно-нитридное покрытие, образующееся на воздухе, стабильно, а токарная обработка и другие стандартные металлургические методы подходят для кальция. ^[40] В США и Канаде кальций вместо этого производят путем восстановления извести алюминием при высоких температурах. ^[12]

Геохимический циклизм

Круговорот кальция обеспечивает связь между тектоникой , климатом и углеродным циклом . Проще говоря, поднятие гор подвергает содержащие кальций породы, такие как некоторые граниты , химическому выветриванию и высвобождает Ca ²⁺ в поверхностные воды. Эти ионы переносятся в океан, где они вступают в реакцию с растворенным CO ₂ с образованием известняка ( CaCO
₃), который, в свою очередь, оседает на морское дно, где включается в новые породы. Растворенный CO ₂ вместе с ионами карбоната и бикарбоната называется « растворенным неорганическим углеродом » (DIC). ^[41]

Реальная реакция более сложна и включает в себя ион бикарбоната ( HCO⁻
₃), который образуется при реакции CO ₂ с водой при pH морской воды :

${\displaystyle {\ce {Ca^2+ + 2 HCO3- -> CaCO3_v + CO2 + H2O}}}$

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 . ^[42] В результате каждый ион Ca ²⁺ , высвобождаемый в результате химического выветривания, в конечном итоге удаляет одну молекулу CO ₂ из поверхностной системы (атмосферы, океана, почвы и живых организмов), сохраняя ее в карбонатных породах, где она, вероятно, останется на сотни лет. миллионов лет. Таким образом, выветривание кальция из горных пород удаляет CO ₂ из океана и атмосферы, оказывая сильное долгосрочное воздействие на климат. ^{[41] [43]}

Приложения

Металлический кальций наиболее широко используется в производстве стали из-за его сильного химического сродства к кислороду и сере . Его оксиды и сульфиды, однажды образовавшись, образуют в стали жидкие известково -алюминатные и сульфидные включения, которые всплывают наружу; при обработке эти включения рассеиваются по всей стали и становятся маленькими и сферическими, улучшая литейные качества, чистоту и общие механические свойства. Кальций также используется в необслуживаемых автомобильных аккумуляторах , в которых использование 0,1% кальций- свинцовых сплавов вместо обычных сурьмяно -свинцовых сплавов приводит к меньшим потерям воды и меньшему саморазряду. ^[44]

Из-за риска расширения и растрескивания в эти сплавы иногда также включают алюминий . Эти свинцово-кальциевые сплавы также используются в литье, заменяя свинцово-сурьмяные сплавы. ^[44] Кальций также используется для упрочнения алюминиевых сплавов, используемых для изготовления подшипников, для контроля содержания графитового углерода в чугуне и для удаления примесей висмута из свинца. ^[40] Металлический кальций содержится в некоторых средствах для очистки сточных вод, где он генерирует тепло и гидроксид кальция , который омыляет жиры и разжижает белки (например, белки в волосах), которые блокируют стоки. ^[45]

Помимо металлургии, реакционная способность кальция используется для удаления азота из газообразного аргона высокой чистоты, а также в качестве поглотителя кислорода и азота. Он также используется в качестве восстановителя при производстве хрома , циркония , тория , ванадия и урана . Его также можно использовать для хранения газообразного водорода, поскольку он вступает в реакцию с водородом с образованием твердого гидрида кальция , из которого водород можно легко повторно извлечь. ^[40]

Фракционирование изотопов кальция во время образования минералов привело к нескольким применениям изотопов кальция. В частности, открытие 1997 г. Скулана и ДеПаоло ^[46] о том, что минералы кальция изотопно легче растворов, из которых они выпадают, лежит в основе аналогичных приложений в медицине и палеоокеанографии. У животных с минерализованным кальцием скелетом изотопный состав кальция мягких тканей отражает относительную скорость образования и растворения скелетных минералов. ^[47]

Было показано, что у людей изменения изотопного состава кальция в моче связаны с изменениями минерального баланса костей. Когда скорость костеобразования превышает скорость резорбции кости, соотношение ⁴⁴ Са/ ⁴⁰ Са в мягких тканях повышается и наоборот. Из-за этой взаимосвязи измерения изотопов кальция в моче или крови могут быть полезны для раннего выявления метаболических заболеваний костей, таких как остеопороз . ^[47]

Аналогичная система существует и в морской воде, где ^{соотношение 44} Ca/ ⁴⁰ Ca имеет тенденцию возрастать, когда скорость удаления Ca ²⁺ минеральными осадками превышает поступление нового кальция в океан. В 1997 году Скулан и ДеПаоло представили первые доказательства изменения содержания ⁴⁴ Ca/ ⁴⁰ Ca в морской воде в течение геологического времени, а также теоретическое объяснение этих изменений. Более поздние работы подтвердили это наблюдение, показав, что концентрация Ca ²⁺ в морской воде не является постоянной и что океан никогда не находится в «стационарном состоянии» в отношении поступления и вывода кальция. Это имеет важные климатологические последствия, поскольку морской цикл кальция тесно связан с циклом углерода . ^{[48] ​​[49]}

Многие соединения кальция используются, в частности, в пищевых продуктах, фармацевтических препаратах и ​​медицине. Например, кальций и фосфор добавляются в пищу за счет добавления лактата кальция , дифосфата кальция и трикальцийфосфата . Последний также используется в качестве полирующего агента в зубной пасте и антацидах . Лактобионат кальция представляет собой белый порошок, который используется в качестве суспендирующего агента в фармацевтических препаратах. В выпечке фосфат кальция используется в качестве разрыхлителя . Сульфит кальция используется в качестве отбеливателя при производстве бумаги и в качестве дезинфицирующего средства, силикат кальция используется в качестве армирующего агента в резине, а ацетат кальция входит в состав известковой канифоли и используется для изготовления металлического мыла и синтетических смол. ^[44]

Кальций включен в Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения . ^[50]

Источники питания

К продуктам, богатым кальцием, относятся молочные продукты , такие как йогурт и сыр , сардины , лосось , соевые продукты, капуста и обогащенные хлопья для завтрака . ^[9]

Из-за опасений по поводу долгосрочных побочных эффектов, включая кальцификацию артерий и камни в почках , Институт медицины США (IOM) и Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) установили допустимые верхние уровни потребления (UL) для комбинированных пищевых добавок и пищевых добавок. кальций. По данным МОМ, людям в возрасте 9–18 лет не следует превышать комбинированную дозу 3 г/день; для детей в возрасте 19–50 лет – не более 2,5 г/день; для детей в возрасте 51 года и старше не превышать 2 г/день. ^[51] EFSA установило UL для всех взрослых на уровне 2,5 г/день, но решило, что информации для детей и подростков недостаточно для определения UL. ^[52]

Биологическая и патологическая роль

Глобальное потребление кальция с пищей среди взрослых (мг/день). ^[54]

  <400

  400–500

  500–600

  600–700

  700–800

  800–900

  900–1000

  >1000

Функция

Кальций является важным элементом, необходимым в больших количествах. ^{[8] [9]} Ион Ca ²⁺ действует как электролит и жизненно важен для здоровья мышечной, кровеносной и пищеварительной систем; незаменим для построения костей; и поддерживает синтез и функцию клеток крови. Например, он регулирует сокращение мышц , нервную проводимость и свертывание крови. В результате уровень внутри- и внеклеточного кальция жестко регулируется организмом. Эту роль может играть кальций, поскольку ион Са ²⁺ образует устойчивые координационные комплексы со многими органическими соединениями, особенно с белками ; он также образует соединения с широким диапазоном растворимости, способствующие образованию скелета . ^{[8] [55]}

Связывание

Ионы кальция могут образовывать комплексы с белками путем связывания карбоксильных групп остатков глутаминовой кислоты или аспарагиновой кислоты ; посредством взаимодействия с фосфорилированными остатками серина , тирозина или треонина ; или путем хелатирования γ-карбоксилированными аминокислотными остатками. Трипсин , пищеварительный фермент, использует первый метод; остеокальцин , белок костного матрикса, использует третий. ^[56]

Некоторые другие белки костного матрикса, такие как остеопонтин и костный сиалопротеин, используют как первый, так и второй. Прямая активация ферментов путем связывания кальция является обычным явлением; некоторые другие ферменты активируются путем нековалентной ассоциации с ферментами, непосредственно связывающими кальций. Кальций также связывается с фосфолипидным слоем клеточной мембраны , закрепляя белки, связанные с поверхностью клетки. ^[56]

Растворимость

В качестве примера широкого диапазона растворимости соединений кальция можно привести монокальцийфосфат , который хорошо растворим в воде, 85% внеклеточного кальция представляет собой дикальцийфосфат с растворимостью 2,00  мМ , а гидроксиапатит костей в органическом матриксе представляет собой трикальцийфосфат с растворимостью 2,00 мМ . растворимость 1000 мкМ. ^[56]

Питание

Кальций является распространенным компонентом поливитаминных пищевых добавок ^[8] , но состав комплексов кальция в добавках может влиять на его биодоступность , которая зависит от растворимости задействованной соли: цитрат кальция , малат и лактат обладают высокой биодоступностью, тогда как оксалат менее биодоступен. . Другие препараты кальция включают карбонат кальция , цитрат кальция малат и глюконат кальция . ^[8] Кишечник поглощает около одной трети потребляемого кальция в виде свободных ионов , а уровень кальция в плазме затем регулируется почками . ^[8]

Гормональная регуляция костеобразования и уровня в сыворотке

Паратиреоидный гормон и витамин D способствуют формированию кости, позволяя и усиливая отложение там ионов кальция, обеспечивая быстрый обмен костной ткани, не влияя на костную массу или минеральный состав. ^[8] Когда уровень кальция в плазме падает, рецепторы клеточной поверхности активируются и происходит секреция паратиреоидного гормона; затем он начинает стимулировать поступление кальция в пул плазмы, забирая его из целевых клеток почек, кишечника и костей, при этом костеобразующему действию паратиреоидного гормона противодействует кальцитонин , секреция которого увеличивается с увеличением уровня кальция в плазме. ^[56]

Аномальные уровни в сыворотке

Избыточное потребление кальция может вызвать гиперкальциемию . Однако, поскольку кальций довольно неэффективно всасывается в кишечнике, высокий уровень кальция в сыворотке крови, скорее всего, вызван чрезмерной секрецией паратгормона (ПТГ) или, возможно, чрезмерным потреблением витамина D, оба из которых способствуют абсорбции кальция. Все эти состояния приводят к избыточному отложению солей кальция в сердце, кровеносных сосудах или почках. Симптомы включают анорексию, тошноту, рвоту, потерю памяти, спутанность сознания, мышечную слабость, повышенное мочеиспускание, обезвоживание и метаболические заболевания костей. ^[56]

Хроническая гиперкальциемия обычно приводит к кальцификации мягких тканей и ее серьезным последствиям: например, кальцификация может вызвать потерю эластичности сосудистых стенок и нарушение ламинарного кровотока, а, следовательно, к разрыву бляшек и тромбозу . И наоборот, недостаточное потребление кальция или витамина D может привести к гипокальциемии , часто вызванной также недостаточной секрецией паратиреоидного гормона или дефектными рецепторами ПТГ в клетках. Симптомы включают нервно-мышечную возбудимость, которая потенциально может вызвать тетанию и нарушение проводимости сердечной ткани. ^[56]

Заболевания костей

Поскольку кальций необходим для развития костей, многие заболевания костей можно объяснить органическим матриксом или гидроксиапатитом в молекулярной структуре или организации кости. Остеопороз представляет собой снижение содержания минеральных веществ в кости на единицу объема, и его можно лечить добавлением кальция, витамина D и бисфосфонатов . ^{[8] [9]} Недостаточное количество кальция, витамина D или фосфатов может привести к размягчению костей, называемому остеомаляцией . ^[56]

Безопасность

Металлический кальций

Химическое соединение

Поскольку кальций экзотермически реагирует с водой и кислотами, контакт металлического кальция с влагой тела приводит к сильному коррозионному раздражению. ^[58] При проглатывании металлический кальций оказывает такое же воздействие на ротовую полость, пищевод и желудок и может привести к летальному исходу. ^[45] Однако не известно, что длительное воздействие имеет явные побочные эффекты. ^[58]

Рекомендации

1. Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 112. ИСБН 978-0-08-037941-8.
2. «Стандартные атомные массы: кальций». ЦИАВ . 1983.
3. Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; и другие. (04.05.2022). «Стандартные атомные массы элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . doi : 10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
4. Крик, Свен; Гёрлс, Хельмар; Вестерхаузен, Матиас (2010). «Механистическое объяснение образования обратного сэндвич-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. ПМИД  20718434.
5. Арбластер, Джон В. (2018). Некоторые значения кристаллографических свойств элементов . Парк материалов, Огайо: ASM International. ISBN 978-1-62708-155-9.
6. Уэст, Роберт (1984). CRC, Справочник по химии и физике . Бока-Ратон, Флорида: Издательство компании Chemical Rubber Company. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
7. Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
8. «Кальций». Институт Лайнуса Полинга, Университет штата Орегон, Корваллис, Орегон. 1 сентября 2017 года . Проверено 31 августа 2019 г.
9. «Кальций: информационный бюллетень для медицинских работников». Управление пищевых добавок, Национальные институты здравоохранения США. 9 июля 2019 года . Проверено 31 августа 2019 г.
10. Гринвуд и Эрншоу, стр. 112–13.
11. Пэриш, Р.В. (1977). Металлические элементы. Лондон: Лонгман. п. 34. ISBN 978-0-582-44278-8.
12. Глучан и Померанц, с. 484
13. CR Hammond Элементы (стр. 4–35) в Lide, DR, изд. (2005). Справочник CRC по химии и физике (86-е изд.). Бока-Ратон (Флорида): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
14. Глучан и Померанц, с. 483
15. Гринвуд и Эрншоу, с. 119
16. Гринвуд и Эрншоу, с. 121
17. Гринвуд и Эрншоу, с. 117
18. Гринвуд и Эрншоу, стр. 122–15.
19. Гринвуд и Эрншоу, с. 115
20. Хардер, С.; Фейл, Ф.; Нолл, К. (2001). «Новые полусэндвич-комплексы кальция для живой и стереоселективной полимеризации стирола». Энджью. хим. Межд. Эд . 40 (22): 4261–64. doi :10.1002/1521-3773(20011119)40:22<4261::AID-ANIE4261>3.0.CO;2-J. ПМИД  29712082.
21. Криммин, Марк Р.; Кейсли, Ян Дж.; Хилл, Майкл С. (2005). «Катализ внутримолекулярного гидроаминирования, опосредованный кальцием». Журнал Американского химического общества . 127 (7): 2042–43. дои : 10.1021/ja043576n. ПМИД  15713071.
22. Джентер, Елена; Кеппе, Ральф; Роски, Питер В. (2011). «2,5-Бис{ N- (2,6-диизопропилфенил)иминометил}пирролильные комплексы тяжелых щелочноземельных металлов: синтез, строение и катализ гидроаминирования». Металлоорганические соединения . 30 (6): 1404–13. дои : 10.1021/om100937c.
23. Эроусмит, Мерл; Криммин, Марк Р.; Барретт, Энтони, генеральный менеджер; Хилл, Майкл С.; Кочок-Кён, Габриэле; Прокопиу, Панайотис А. (2011). «Плотность катионного заряда и выбор предкатализатора при катализируемом гидроаминировании аминоалкенов группы 2». Металлоорганические соединения . 30 (6): 1493–1506. дои : 10.1021/om101063m.
24. Пенафиел, Дж.; Марон, Л.; Хардер, С. (2014). «Ранний катализ металлов основной группы: насколько важен металл?» (PDF) . Энджью. хим. Межд. Эд . 54 (1): 201–06. дои : 10.1002/anie.201408814. ПМИД  25376952.
25. Гринвуд и Эрншоу, стр. 136–37.
26. Кэмерон, AGW (1973). «Изобилие элементов в Солнечной системе» (PDF) . Обзоры космической науки . 15 (1): 121–46. Бибкод :1973ССРв...15..121С. дои : 10.1007/BF00172440. S2CID  120201972.
27. Клейтон, Дональд (2003). Справочник по изотопам в космосе: от водорода до галлия . Издательство Кембриджского университета. стр. 184–98. ISBN 9780521530835.
28. Audi, Г.; Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Бибкод : 2017ChPhC..41c0001A. дои : 10.1088/1674-1137/41/3/030001.
29. Арнольд, Р.; и другие. ( Коллаборация НЕМО-3 ) (2016). «Измерение периода полураспада двойного бета-распада и поиск безнейтринного двойного бета-распада ⁴⁸ Ca с помощью детектора НЕМО-3». Физический обзор D . 93 (11): 112008. arXiv : 1604.01710 . Бибкод : 2016PhRvD..93k2008A. doi :10.1103/PhysRevD.93.112008. S2CID  55485404.
30. Рассел, Вашингтон; Папанастассиу, Д.А.; Томбрелло, штат Техас (1978). «Фракционирование изотопов Ca на Земле и других материалах Солнечной системы». Геохим Космохим Акта . 42 (8): 1075–90. Бибкод : 1978GeCoA..42.1075R. дои : 10.1016/0016-7037(78)90105-9.
31. Скулан, Дж.; Депаоло, диджей (1999). «Фракционирование изотопов кальция между мягкими и минерализованными тканями как показатель использования кальция у позвоночных». Proc Natl Acad Sci США . 96 (24): 13709–13. Бибкод : 1999PNAS...9613709S. дои : 10.1073/pnas.96.24.13709 . ПМК 24129 . ПМИД  10570137. 
32. Гринвуд и Эрншоу, с. 108
33. Аподака, Лори Э. (2021). «Товарный отчет:Лайм» (PDF) . Геологическая служба США . Проверено 6 марта 2012 г.
34. Гарфинкель, Йосеф (1987). «Продукты из обожженной извести и социальные последствия в докерамических деревнях эпохи неолита B на Ближнем Востоке». Палеориент . 13 (1): 69–76. дои : 10.3406/палео.1987.4417. JSTOR  41492234.
35. Уильямс, Ричард (2004). Печи для обжига извести и обжига извести . Блумсбери США. п. 4. ISBN 978-0-7478-0596-0.
36. Оутс, JA H (2008). Известь и известняк: химия и технология, производство и использование. Уайли. ISBN 978-3-527-61201-7.
37. Weeks, Мэри Эльвира ; Лечестер, Генри М. (1968). Открытие элементов . Истон, Пенсильвания: Журнал химического образования. стр. 505–10. ISBN 978-0-7661-3872-8. LCCN  68-15217.
38. Лавуазье, Антуан; Керр, Роберт (переводчик) (1799) Элементы химии , 4-е изд. Эдинбург, Шотландия: Уильям Крич. п. 218. Оригинальный отрывок встречается в: Лавуазье, Антуан (1789) Traité Élémentaire de Chimie . Париж, Франция: Кюше. Том. 1. п. 174.
39. Дэви, Х. (1808). «Электрохимические исследования по разложению земель; с наблюдениями за металлами, полученными из щелочноземельных металлов, и над амальгамой, полученной из аммиака». Философские труды Лондонского королевского общества . 98 : 333–70. Бибкод : 1808RSPT...98..333D. дои : 10.1098/rstl.1808.0023. S2CID  96364168.
40. Гринвуд и Эрншоу, с. 110
41. Бернер, Роберт (2003). «Долгосрочный углеродный цикл, ископаемое топливо и состав атмосферы». Природа . 426 (6964): 323–26. Бибкод : 2003Natur.426..323B. дои : 10.1038/nature02131. PMID  14628061. S2CID  4420185.
42. Зибе (2006). «Морская карбонатная химия». Национальный совет по науке и окружающей среде . Проверено 13 марта 2010 г.
43. Уокер, Джеймс К.Г.; Хейс, П.Б.; Кастинг, Дж. Ф. (20 октября 1981 г.). «Механизм отрицательной обратной связи для долгосрочной стабилизации температуры поверхности Земли». Журнал геофизических исследований: Океаны . 86 (С10): 9776–82. Бибкод : 1981JGR....86.9776W. дои : 10.1029/JC086iC10p09776.
44. Глучан и Померанц, стр. 485–87.
45. Румак Б.Х. ПОИСИНДЕКС. Информационная система Micromedex, Inc., Энглвуд, Колорадо, 2010 г.; CCIS, том 143. Холл А.Х. и Румак Б.Х. (ред.)
46. Скулан, Дж.; Депаоло, диджей; Оуэнс, ТЛ (июнь 1997 г.). «Биологический контроль содержания изотопов кальция в глобальном цикле кальция». Geochimica et Cosmochimica Acta . 61 (12): 2505–10. Бибкод : 1997GeCoA..61.2505S. дои : 10.1016/S0016-7037(97)00047-1.
47. Скулан, Дж.; Буллен, Т.; Анбар, AD; Пузас, Дж. Э.; Шекелфорд, Л.; Леблан, А.; Смит, С.М. (2007). «Природный изотопный состав кальция мочи как маркер минерального баланса костной ткани». Клиническая химия . 53 (6): 1155–58. дои : 10.1373/clinchem.2006.080143 . ПМИД  17463176.
48. Фантл, М.; Депаоло, Д. (2007). «Изотопы Ca в карбонатных отложениях и поровой жидкости с участка ODP 807A: равновесный фактор фракционирования Ca ^{2+ (водный) – кальцит и скорости рекристаллизации кальцита в плейстоценовых отложениях».} Геохим Космохим Акта . 71 (10): 2524–46. Бибкод : 2007GeCoA..71.2524F. дои : 10.1016/j.gca.2007.03.006.
49. Гриффит, Элизабет М.; Пайтан, Адина; Калдейра, Кен; Буллен, Томас; Томас, Эллен (2008). «Динамический морской цикл кальция за последние 28 миллионов лет». Наука . 322 (12): 1671–74. Бибкод : 2008Sci...322.1671G. дои : 10.1126/science.1163614. PMID  19074345. S2CID  206515318.
50. Всемирная организация здравоохранения (2019). Модельный список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения: 21-й список 2019 г. Женева: Всемирная организация здравоохранения. hdl : 10665/325771 . ВОЗ/MVP/EMP/IAU/2019.06. Лицензия: CC BY-NC-SA 3.0 IGO.
51. Комитет Института медицины (США) по пересмотру рекомендуемого потребления витамина D и кальция в рационе; Росс, AC; Тейлор, CL; Яктине, Алабама; Дель Валле, HB (2011). «Глава 6. Допустимые верхние уровни потребления». Рекомендуемые диетические нормы потребления кальция и витамина D. Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. стр. 403–56. дои : 10.17226/13050. ISBN 978-0-309-16394-1. PMID  21796828. S2CID  58721779.
52. Допустимые верхние уровни потребления витаминов и минералов (PDF) , Европейское управление по безопасности пищевых продуктов, 2006 г.
53. Комитет Института медицины (США) по пересмотру рекомендуемого потребления витамина D и кальция в рационе; Росс, AC; Тейлор, CL; Яктине, Алабама; Дель Валле, HB (2011). «Гл. 5. Справочные нормы потребления пищи». Рекомендуемые диетические нормы потребления кальция и витамина D. Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. стр. 345–402. дои : 10.17226/13050. ISBN 978-0-309-16394-1. PMID  21796828. S2CID  58721779.
54. Балк Э.М., Адам Г.П., Лангберг В.Н., Эрли А., Кларк П., Эбелинг П.Р., Митал А., Риццоли Р., Зербини К.А., Пьерроз Д.Д., Доусон-Хьюз Б. (декабрь 2017 г.). «Глобальное потребление кальция с пищей взрослыми: систематический обзор». Международный остеопороз . 28 (12): 3315–24. doi : 10.1007/s00198-017-4230-x. ПМЦ 5684325 . ПМИД  29026938. 
55. Соса Торрес, Марта; Кронек, Питер М.Х.; «Введение: от камней к живым клеткам», стр. 1–32 в книге «Металлы, микробы и минералы: биогеохимическая сторона жизни» (2021), стр. xiv + 341. Вальтер де Грюйтер, Берлин. Редакторы Кронек, Питер М.Х. и Соса Торрес, Марта. дои : 10.1515/9783110589771-001
56. Глучан и Померанц, стр. 489–94.
57. «Кальциевая стружка, 99% микроэлементов» . Сигма-Олдрич. 24 февраля 2021 г. Проверено 22 декабря 2021 г.
58. Глучан и Померанц, стр. 487–89.

Библиография

• Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
• Глучан, Стивен Э.; Померанц, Кеннет. «Кальций и кальциевые сплавы». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a04_515.pub2. ISBN 978-3527306732.