stringtranslate.com

Кальций

Кальций — химический элемент ; он имеет символ Ca и атомный номер 20. Как щелочноземельный металл , кальций является реактивным металлом, который образует темный оксидно-нитридный слой при контакте с воздухом. Его физические и химические свойства наиболее схожи со свойствами его более тяжелых гомологов стронция и бария . 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 », которая была получена путем нагревания известняка.

Некоторые соединения кальция были известны древним, хотя их химия была неизвестна до семнадцатого века. Чистый кальций был выделен в 1808 году электролизом его оксида Гемфри Дэви , который и дал название элементу. Соединения кальция широко используются во многих отраслях промышленности: в пищевой и фармацевтической промышленности для добавления кальция , в бумажной промышленности в качестве отбеливателей, в качестве компонентов цемента и электроизоляторов, а также в производстве мыла. С другой стороны, металл в чистом виде имеет мало применений из-за его высокой реакционной способности; тем не менее, в небольших количествах он часто используется в качестве легирующего компонента при производстве стали, а иногда, как сплав кальция и свинца, при изготовлении автомобильных аккумуляторов.

Кальций является самым распространенным металлом и пятым по распространенности элементом в организме человека . [8] Как электролиты , ионы кальция (Ca2 + ) играют жизненно важную роль в физиологических и биохимических процессах организмов и клеток : в путях передачи сигнала , где они действуют как вторичные посредники ; в высвобождении нейротрансмиттеров из нейронов ; в сокращении всех типов мышечных клеток ; как кофакторы во многих ферментах ; и в оплодотворении . [8] Ионы кальция вне клеток важны для поддержания разности потенциалов через возбудимые клеточные мембраны , 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 в своей группе: стронция , бария и радия . Атом кальция имеет двадцать электронов с электронной конфигурацией [Ar]4s2 . Как и другие элементы, помещенные в группу 2 периодической таблицы, кальций имеет два валентных электрона на внешней s-орбитали, которые очень легко теряются в химических реакциях, образуя диположительный ион со стабильной электронной конфигурацией благородного газа , в данном случае аргона . [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 к двухвалентным солям и металлическому кальцию, потому что энтальпия образования MX 2 намного выше, чем у гипотетического MX. Это происходит из-за гораздо большей энергии решетки , предоставляемой более заряженным катионом Ca 2+ по сравнению с гипотетическим катионом Ca + . [10]

Кальций, стронций, барий и радий всегда считаются щелочноземельными металлами ; более легкие бериллий и магний , также входящие в группу 2 периодической таблицы, часто также включаются в эту группу. 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 некоторые из более слабых металлических свойств постпереходных металлов , поэтому традиционное определение термина «щелочноземельный металл» исключает их. [11]

Физические свойства

Металлический кальций плавится при 842 °C и кипит при 1494 °C; эти значения выше, чем у магния и стронция, соседних металлов группы 2. Он кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке, как стронций и барий; выше 443 °C (716 K) он переходит в объемноцентрированную кубическую решетку . [4] [12] Его плотность 1,526 г/см3 ( при 20 °C) [4] является самой низкой в ​​своей группе. [10]

Кальций тверже свинца , но его можно резать ножом, если приложить усилия. 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. [13] Хотя кальций нецелесообразен в качестве проводника для большинства наземных применений, поскольку он быстро реагирует с атмосферным кислородом, его использование в качестве такового в космосе рассматривалось. [13]

Химические свойства

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

Химия кальция является химией типичного тяжелого щелочноземельного металла. Например, кальций спонтанно реагирует с водой быстрее, чем магний, и медленнее, чем стронций, образуя гидроксид кальция и водород. Он также реагирует с кислородом и азотом в воздухе, образуя смесь оксида кальция и нитрида кальция . [14] При тонком измельчении он спонтанно сгорает на воздухе, образуя нитрид. Насыпной кальций менее реактивен: он быстро образует гидратационное покрытие во влажном воздухе, но при относительной влажности ниже 30% его можно хранить неограниченное время при комнатной температуре. [15]

Помимо простого оксида CaO, пероксид кальция , CaO 2 , может быть получен прямым окислением металлического кальция под высоким давлением кислорода, и есть некоторые свидетельства для желтого супероксида Ca(O 2 ) 2 . [16] Гидроксид кальция, Ca(OH) 2 , является сильным основанием, хотя и не таким сильным, как гидроксиды стронция, бария или щелочных металлов. [17] Все четыре дигалогенида кальция известны. [18] Карбонат кальция (CaCO 3 ) и сульфат кальция (CaSO 4 ) являются особенно распространенными минералами. [19] Подобно стронцию и барию, а также щелочным металлам и двухвалентным лантаноидам европию и иттербию , металлический кальций растворяется непосредственно в жидком аммиаке , образуя темно-синий раствор. [20]

Из-за большого размера иона кальция (Ca2 + ) обычно наблюдаются высокие координационные числа, до 24 в некоторых интерметаллических соединениях, таких как CaZn13 . [ 21] Кальций легко образует комплексы с кислородными хелатами, такими как ЭДТА и полифосфаты , которые полезны в аналитической химии и удалении ионов кальция из жесткой воды . При отсутствии стерических препятствий меньшие катионы группы 2 имеют тенденцию образовывать более прочные комплексы, но когда задействованы большие полидентатные макроциклы , тенденция меняется на противоположную. [19]

Хотя кальций находится в той же группе, что и магний, а магнийорганические соединения очень широко используются в химии, кальцийорганические соединения не столь широко распространены, поскольку их сложнее производить и они более реакционноспособны, хотя недавно их исследовали в качестве возможных катализаторов . [22] [23] [24] [25] [26] Кальцийорганические соединения, как правило, более похожи на иттербиевые органические соединения из-за схожих ионных радиусов Yb2 + (102 пм) и Ca2 + (100 пм). [27]

Большинство этих соединений можно получить только при низких температурах; объемные лиганды, как правило, способствуют стабильности. Например, дициклопентадиенил кальция , Ca(C 5 H 5 ) 2 , должен быть получен путем прямой реакции металлического кальция с меркуроценом или самим циклопентадиеном ; замена лиганда C 5 H 5 на более объемный лиганд C 5 (CH 3 ) 5 , с другой стороны, увеличивает растворимость, летучесть и кинетическую стабильность соединения. [19]

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 большим, что он является стабильным для всех практических целей ( 48 Ca , с периодом полураспада около 4,3 × 10 19  лет). Кальций является первым (самым легким) элементом, имеющим шесть встречающихся в природе изотопов. [14]

Наиболее распространенным изотопом кальция в природе является 40Ca , который составляет 96,941% всего природного кальция. Он производится в процессе сжигания кремния из слияния альфа-частиц и является самым тяжелым стабильным нуклидом с равным числом протонов и нейтронов; его появление также медленно дополняется распадом первичного 40K . Добавление еще одной альфа-частицы приводит к нестабильному 44Ti , который распадается посредством двух последовательных захватов электронов до стабильного 44Ca ; он составляет 2,806% всего природного кальция и является вторым по распространенности изотопом. [28] [29]

Другие 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, оставляя два более тяжелых, которые производятся посредством процессов захвата нейтронов . 46 Ca в основном производится в «горячем» s-процессе , так как его образование требует довольно высокого потока нейтронов, чтобы позволить короткоживущему 45 Ca захватить нейтрон. 48 Ca производится путем захвата электронов в r-процессе в сверхновых типа Ia , где высокий избыток нейтронов и достаточно низкая энтропия обеспечивают его выживание. [28] [29]

46 Ca и 48 Ca являются первыми «классически стабильными» нуклидами с избытком в 6 или 8 нейтронов соответственно. Несмотря на чрезвычайное богатство нейтронами для такого легкого элемента, 48 Ca очень стабилен, поскольку является дважды магическим ядром , имеющим 20 протонов и 28 нейтронов, расположенных в замкнутых оболочках. Его бета-распад до 48 Sc очень затруднен из-за грубого несоответствия ядерного спина : 48 Ca имеет нулевой ядерный спин, будучи четно-четным , в то время как 48 Sc имеет спин 6+, поэтому распад запрещен сохранением углового момента . Хотя два возбужденных состояния 48 Sc также доступны для распада, они также запрещены из-за их высоких спинов. В результате, когда 48 Ca распадается, он делает это путем двойного бета-распада до 48 Ti , являющегося самым легким нуклидом, который, как известно, подвергается двойному бета-распаду. [30] [31]

46 Ca также теоретически может подвергаться двойному бета-распаду до 46 Ti, но это никогда не наблюдалось. Наиболее распространенный изотоп 40 Ca также является дважды магическим и может подвергаться двойному захвату электронов до 40 Ar , но это также никогда не наблюдалось. Кальций является единственным элементом с двумя первичными дважды магическими изотопами. Экспериментальные нижние пределы для периодов полураспада 40 Ca и 46 Ca составляют 5,9 × 10 21 года и 2,8 × 10 15 лет соответственно. [30]

Помимо практически стабильного 48 Ca, самым долгоживущим радиоизотопом кальция является 41 Ca. Он распадается путем захвата электронов до стабильного 41 K с периодом полураспада около 10 5 лет. Его существование в ранней Солнечной системе в качестве вымершего радионуклида было выведено из избытков 41 K: следы 41 Ca также существуют сегодня, поскольку это космогенный нуклид , непрерывно производимый посредством нейтронной активации природного 40 Ca. [29]

Известно много других радиоизотопов кальция, от 35 Ca до 60 Ca. Все они намного короче 41 Ca, наиболее стабильными являются 45 Ca (период полураспада 163 дня) и 47 Ca (период полураспада 4,54 дня). Изотопы легче 42 Ca обычно подвергаются бета-плюс-распаду до изотопов калия, а те, что тяжелее 44 Ca, обычно подвергаются бета-минус-распаду до изотопов скандия , хотя вблизи ядерных границ протонная эмиссия и нейтронная эмиссия также начинают быть значительными модами распада. [30]

Как и другие элементы, различные процессы изменяют относительное содержание изотопов кальция. [32] Наиболее изученным из этих процессов является фракционирование изотопов кальция в зависимости от массы, которое сопровождает осаждение минералов кальция, таких как кальцит , арагонит и апатит из раствора. Более легкие изотопы предпочтительно включаются в эти минералы, оставляя окружающий раствор обогащенным более тяжелыми изотопами в количестве примерно 0,025% на атомную единицу массы (а.е.м.) при комнатной температуре. Зависящие от массы различия в составе изотопов кальция традиционно выражаются соотношением двух изотопов (обычно 44 Ca/ 40 Ca) в образце по сравнению с тем же соотношением в стандартном эталонном материале. 44 Ca/ 40 Ca варьируется примерно на 1-2‰ среди организмов на Земле. [33]

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. [34] Известь как строительный материал [35] и как гипс для статуй использовалась еще около 7000 г. до н.э. [36] Первая датированная печь для обжига извести датируется 2500 г. до н.э. и была найдена в Хафадже , Месопотамия . [37] [38]

Примерно в то же время в Великой пирамиде в Гизе использовался обезвоженный гипс (CaSO 4 ·2H 2 O) . Этот материал позже использовался для штукатурки в гробнице Тутанхамона . Древние римляне вместо этого использовали известковые растворы, полученные путем нагревания известняка (CaCO 3 ). Само название «кальций» происходит от латинского слова calx «известь». [34]

Витрувий отметил, что полученная известь была легче исходного известняка, приписывая это кипению воды. В 1755 году Джозеф Блэк доказал, что это было связано с потерей углекислого газа , который как газ не был признан древними римлянами. [39]

В 1789 году Антуан Лавуазье предположил, что известь может быть оксидом фундаментального химического элемента . В своей таблице элементов Лавуазье перечислил пять «солеобразующих земель» (т. е. руд, которые можно заставить реагировать с кислотами для получения солей ( salis = соль, на латыни): chaux (оксид кальция), magnésie (магнезия, оксид магния), baryte (сульфат бария), alumine (глинозем, оксид алюминия) и silice (кремнезем, диоксид кремния)). Об этих «элементах» Лавуазье рассуждал так:

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 способны восстанавливаться до металлического состояния, и, следовательно, будучи представлены нашему наблюдению только в форме оксидов, смешиваются с землями. Крайне вероятно, что барит, который мы только что отнесли к землям, находится в таком положении; поскольку во многих экспериментах он проявляет свойства, почти приближающиеся к свойствам металлических тел. Возможно даже, что все вещества, которые мы называем землями, могут быть только металлическими оксидами, невосстанавливаемыми никаким известным до сих пор способом. [40]

Кальций, вместе с его сородичами магнием, стронцием и барием, был впервые выделен Хэмфри Дэви в 1808 году. Следуя за работами Йенса Якоба Берцелиуса и Магнуса Мартина аф Понтина по электролизу , Дэви выделил кальций и магний, поместив смесь соответствующих оксидов металлов с оксидом ртути (II) на платиновую пластину, которая использовалась в качестве анода, катодом была платиновая проволока, частично погруженная в ртуть. Затем электролиз дал амальгамы кальция и ртути и магния и ртути, а отгонка ртути дала металл. [34] [41] Однако чистый кальций нельзя получить в больших количествах этим методом, и работающий коммерческий процесс его производства был найден только спустя столетие. [39]

Возникновение и производство

Травертиновые террасы в Памуккале , Турция

При содержании 3% кальций является пятым по распространенности элементом в земной коре и третьим по распространенности металлом после алюминия и железа . [42] Он также является четвертым по распространенности элементом в лунных высокогорьях . [15] Осадочные отложения карбоната кальция пронизывают поверхность Земли как окаменелые останки прошлой морской жизни; они встречаются в двух формах: ромбоэдрический кальцит (более распространенный) и орторомбический арагонит (образующийся в более умеренных морях). Минералы первого типа включают известняк , доломит , мрамор , мел и исландский шпат ; пласты арагонита составляют бассейны Багамских островов , Флорида-Кис и Красного моря . Кораллы , морские раковины и жемчуг в основном состоят из карбоната кальция. Среди других важных минералов кальция — гипс (CaSO 4 ·2H 2 O), ангидрит (CaSO 4 ), флюорит (CaF 2 ) и апатит ([Ca 5 (PO 4 ) 3 X], X = OH, Cl или F).gre [34]

Основными производителями кальция являются Китай (около 10000–12000 тонн в год), Россия (около 6000–8000 тонн в год) и США (около 2000–4000 тонн в год). Канада и Франция также входят в число второстепенных производителей. В 2005 году было произведено около 24000 тонн кальция; около половины добываемого в мире кальция используется США, причем около 80% продукции используется каждый год. [13]

В России и Китае метод электролиза Дэви до сих пор используется, но вместо этого применяется к расплавленному хлориду кальция . [13] Поскольку кальций менее реактивен, чем стронций или барий, оксидно-нитридное покрытие, которое получается на воздухе, является стабильным, а токарная обработка и другие стандартные металлургические методы подходят для кальция. [43] В Соединенных Штатах и ​​Канаде кальций вместо этого получают путем восстановления извести алюминием при высоких температурах. [13]

Геохимический цикл

Кальциевый цикл обеспечивает связь между тектоникой , климатом и углеродным циклом . Проще говоря, горообразование подвергает кальцийсодержащие породы, такие как базальт и гранодиорит, химическому выветриванию и высвобождает Ca 2+ в поверхностные воды. Эти ионы переносятся в океан, где они реагируют с растворенным CO 2, образуя известняк ( CaCO
3), который в свою очередь оседает на морское дно, где он включается в новые породы. Растворенный CO 2 , вместе с ионами карбоната и бикарбоната , называется « растворенным неорганическим углеродом » (DIC). [44]

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

При pH морской воды большая часть растворенного CO2 немедленно преобразуется обратно в HCO−
3. Реакция приводит к чистому переносу одной молекулы CO 2 из океана/атмосферы в литосферу . [45] Результатом является то, что каждый ион Ca 2+, высвобождаемый химическим выветриванием, в конечном итоге удаляет одну молекулу CO 2 из поверхностной системы (атмосферы, океана, почв и живых организмов), сохраняя ее в карбонатных породах, где она, вероятно, останется на сотни миллионов лет. Выветривание кальция из пород, таким образом, вымывает CO 2 из океана и атмосферы, оказывая сильное долгосрочное воздействие на климат. [44] [46]

Приложения

Наибольшее применение металлический кальций находит в сталеплавильном производстве из-за его сильного химического сродства к кислороду и сере . Его оксиды и сульфиды, однажды образовавшись, дают жидкие известковые алюминатные и сульфидные включения в стали, которые всплывают; при обработке эти включения рассеиваются по всей стали и становятся маленькими и сферическими, улучшая литейные свойства, чистоту и общие механические свойства. Кальций также используется в необслуживаемых автомобильных аккумуляторах , в которых использование 0,1% сплавов кальция со свинцом вместо обычных сплавов сурьмы со свинцом приводит к снижению потери воды и снижению саморазряда. [47]

Из-за риска расширения и растрескивания в эти сплавы иногда также включают алюминий . Эти свинцово-кальциевые сплавы также используются в литье, заменяя свинцово-сурьмянистые сплавы. [47] Кальций также используется для укрепления алюминиевых сплавов, используемых для подшипников, для контроля графитового углерода в чугуне и для удаления примесей висмута из свинца. [43] Металлический кальций содержится в некоторых очистителях для канализации, где он выполняет функцию генерации тепла и гидроксида кальция , который омыляет жиры и разжижает белки (например, те, что в волосах), которые блокируют стоки. [48]

Помимо металлургии, реакционная способность кальция используется для удаления азота из высокочистого аргонового газа и в качестве геттера для 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 реагирует с водородом, образуя твердый гидрид кальция , из которого водород можно легко извлечь повторно. [43]

Фракционирование изотопов кальция во время минералообразования привело к нескольким применениям изотопов кальция. В частности, наблюдение 1997 года Скулан и ДеПаоло [49] , что минералы кальция изотопно легче, чем растворы, из которых они осаждаются, является основой аналогичных применений в медицине и палеокеанографии. У животных со скелетами, минерализованными кальцием, изотопный состав кальция мягких тканей отражает относительную скорость образования и растворения минералов скелета. [50]

У людей изменения изотопного состава кальция в моче, как было показано, связаны с изменениями в балансе костных минералов. Когда скорость формирования костей превышает скорость резорбции костей, соотношение 44 Ca/ 40 Ca в мягких тканях увеличивается и наоборот. Из-за этой связи измерения изотопов кальция в моче или крови могут быть полезны для раннего выявления метаболических заболеваний костей, таких как остеопороз . [50]

Похожая система существует в морской воде, где 44 Ca/ 40 Ca имеет тенденцию к повышению, когда скорость удаления Ca 2+ минеральными осадками превышает поступление нового кальция в океан. В 1997 году Скулан и ДеПаоло представили первые доказательства изменения в морской воде 44 Ca/ 40 Ca в течение геологического времени, а также теоретическое объяснение этих изменений. Более поздние работы подтвердили это наблюдение, продемонстрировав, что концентрация Ca 2+ в морской воде не является постоянной, и что океан никогда не находится в «устойчивом состоянии» относительно поступления и выведения кальция. Это имеет важные климатологические последствия, поскольку морской цикл кальция тесно связан с циклом углерода . [51] [52]

Многие соединения кальция используются в пищевых продуктах, в качестве фармацевтических препаратов и в медицине, среди прочего. Например, кальций и фосфор добавляются в пищевые продукты путем добавления лактата кальция , дифосфата кальция и трикальцийфосфата . Последний также используется в качестве полирующего агента в зубной пасте и в антацидах . Лактобионат кальция представляет собой белый порошок, который используется в качестве суспендирующего агента для фармацевтических препаратов. В выпечке фосфат кальция используется в качестве разрыхлителя . Сульфит кальция используется в качестве отбеливателя в производстве бумаги и в качестве дезинфицирующего средства, силикат кальция используется в качестве армирующего агента в резине, а ацетат кальция является компонентом известковой канифоли и используется для изготовления металлических мыл и синтетических смол. [47]

Кальций входит в список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения . [53]

Источники пищи

Продукты, богатые кальцием, включают молочные продукты, такие как йогурт и сыр , сардины , лосось , соевые продукты, капусту и обогащенные хлопья для завтрака . [9]

Из-за опасений относительно долгосрочных неблагоприятных побочных эффектов, включая кальцификацию артерий и камни в почках , как Институт медицины США (IOM), так и Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) установили допустимые верхние уровни потребления (UL) для комбинированного диетического и дополнительного кальция. Согласно IOM, люди в возрасте от 9 до 18 лет не должны превышать 3 г/день комбинированного потребления; для возраста от 19 до 50 лет — не более 2,5 г/день; для возраста 51 года и старше — не более 2 г/день. [54] EFSA установило UL для всех взрослых на уровне 2,5 г/день, но решило, что информации для детей и подростков недостаточно для определения UL. [55]

Биологическая и патологическая роль

Глобальное потребление кальция с пищей среди взрослых (мг/день). [57]
  <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 в форме гидроксиапатита ; и поддерживает синтез и функцию клеток крови. Например, он регулирует сокращение мышц , нервную проводимость и свертываемость крови. В результате внутри- и внеклеточные уровни кальция жестко регулируются организмом. Кальций может играть эту роль, поскольку ион Ca 2+ образует стабильные координационные комплексы со многими органическими соединениями, особенно белками ; он также образует соединения с широким диапазоном растворимости, что позволяет формировать скелет . [ 8] [58]

Связывание

Ионы кальция могут образовывать комплексы с белками посредством связывания карбоксильных групп остатков глутаминовой или аспарагиновой кислоты ; посредством взаимодействия с фосфорилированными остатками серина , тирозина или треонина ; или посредством хелатирования γ-карбоксилированными остатками аминокислот. Трипсин , пищеварительный фермент, использует первый метод; остеокальцин , белок костного матрикса, использует третий. [59]

Некоторые другие белки костного матрикса, такие как остеопонтин и костный сиалопротеин, используют как первый, так и второй. Прямая активация ферментов путем связывания кальция является распространенной; некоторые другие ферменты активируются нековалентной ассоциацией с прямыми ферментами, связывающими кальций. Кальций также связывается с фосфолипидным слоем клеточной мембраны , закрепляя белки, связанные с поверхностью клетки. [59]

Растворимость

В качестве примера широкого диапазона растворимости соединений кальция можно привести монокальцийфосфат , который очень хорошо растворяется в воде, 85% внеклеточного кальция находится в виде дикальцийфосфата с растворимостью 2,00  мМ , а гидроксиапатит костей в органической матрице представляет собой трикальцийфосфат с растворимостью 1000 мкМ. [59]

Питание

Кальций является распространенным компонентом поливитаминных диетических добавок , [8] но состав кальциевых комплексов в добавках может влиять на его биодоступность , которая зависит от растворимости соли: цитрат кальция , малат и лактат обладают высокой биодоступностью, в то время как оксалат менее. Другие препараты кальция включают карбонат кальция , цитрат кальция, малат и глюконат кальция . [8] Кишечник всасывает около трети съеденного кальция в виде свободного иона , а уровень кальция в плазме затем регулируется почками . [ 8]

Гормональная регуляция формирования костей и сывороточных уровней

Паратиреоидный гормон и витамин D способствуют формированию костей, позволяя и усиливая отложение ионов кальция в них, что обеспечивает быстрый оборот костей без влияния на массу костей или содержание минералов. [8] Когда уровень кальция в плазме падает, активируются рецепторы клеточной поверхности и происходит секреция паратиреоидного гормона; затем он начинает стимулировать поступление кальция в плазменный пул, забирая его из целевых клеток почек, кишечника и костей, при этом костеобразующее действие паратиреоидного гормона блокируется кальцитонином , секреция которого увеличивается с повышением уровня кальция в плазме. [59]

Аномальные уровни сыворотки

Избыточное потребление кальция может вызвать гиперкальциемию . Однако, поскольку кальций всасывается кишечником довольно неэффективно, высокий уровень кальция в сыворотке крови, скорее всего, вызван чрезмерной секрецией паратиреоидного гормона (ПТГ) или, возможно, чрезмерным потреблением витамина D, оба из которых способствуют всасыванию кальция. Все эти состояния приводят к отложению избыточных солей кальция в сердце, кровеносных сосудах или почках. Симптомы включают анорексию, тошноту, рвоту, потерю памяти, спутанность сознания, мышечную слабость, повышенное мочеиспускание, обезвоживание и метаболическое заболевание костей. [59]

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 затем разрыв бляшки и тромбоз . 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 вызывает тетанию и нарушение проводимости в сердечной ткани. [59]

Заболевание костей

Поскольку кальций необходим для развития костей, многие заболевания костей можно отследить до органической матрицы или гидроксиапатита в молекулярной структуре или организации кости. Остеопороз — это снижение содержания минералов в костях на единицу объема, и его можно лечить добавлением кальция, витамина D и бисфосфонатов . [8] [9] Недостаточное количество кальция, витамина D или фосфатов может привести к размягчению костей, называемому остеомаляцией . [59]

Безопасность

Металлический кальций

Поскольку кальций экзотермически реагирует с водой и кислотами, металлический кальций, вступающий в контакт с влагой тела, приводит к сильному едкому раздражению. [61] При проглатывании металлический кальций оказывает такое же воздействие на рот, пищевод и желудок и может быть смертельным. [48] Однако, как известно, длительное воздействие не имеет явных неблагоприятных последствий. [61]


Ссылки

  1. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 112. ISBN 978-0-08-037941-8.
  2. ^ "Стандартные атомные веса: Кальций". CIAAW . 1983.
  3. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
  4. ^ abcde Арбластер, Джон В. (2018). Избранные значения кристаллографических свойств элементов . Materials Park, Огайо: ASM International. ISBN 978-1-62708-155-9.
  5. ^ Крик, Свен; Герлс, Хельмар; Вестерхаузен, Маттиас (2010). «Механистическое разъяснение образования обратного сэндвич-комплекса Ca(I) [(thf)3Ca(μ-C6H3-1,3,5-Ph3)Ca(thf)3] и стабильность арилзамещенных фенилкальциевых комплексов». Журнал Американского химического общества . 132 (35): 12492–12501. doi :10.1021/ja105534w. PMID  20718434.
  6. ^ Уист, Роберт (1984). CRC, Справочник по химии и физике . Бока-Ратон, Флорида: Chemical Rubber Company Publishing. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
  7. ^ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  8. ^ abcdefghij "Кальций". Институт Лайнуса Полинга, Университет штата Орегон, Корваллис, Орегон. 1 сентября 2017 г. Получено 31 августа 2019 г.
  9. ^ abcd «Кальций: информационный листок для специалистов здравоохранения». Управление пищевых добавок, Национальные институты здравоохранения США. 9 июля 2019 г. Получено 31 августа 2019 г.
  10. ^ abc Гринвуд и Эрншоу 1997, стр. 112–113.
  11. ^ Пэриш, Р. В. (1977). Металлические элементы. Лондон: Longman. стр. 34. ISBN 978-0-582-44278-8.
  12. ^ Смит, Дж. Ф.; Карлсон, О. Н.; Вест, Р. В. (1956). «Аллотропные модификации кальция». Журнал электрохимического общества . 103 (7): 409. doi :10.1149/1.2430364.
  13. ^ abcde Hluchan & Pomerantz 2005, с. 484.
  14. ^ ab CR Hammond Элементы (стр. 4–35) в Lide, DR, ред. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86-е изд.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  15. ^ ab Hluchan & Pomerantz 2005, стр. 483.
  16. ↑ Гринвуд и Эрншоу 1997, стр. 119.
  17. ↑ Гринвуд и Эрншоу 1997, стр. 121.
  18. ↑ Гринвуд и Эрншоу 1997, стр. 117.
  19. ^ abc Гринвуд и Эрншоу 1997, стр. 122–115.
  20. ↑ Гринвуд и Эрншоу 1997, стр. 112.
  21. ↑ Гринвуд и Эрншоу 1997, стр. 115.
  22. ^ Хардер, С.; Файль, Ф.; Кнолл, К. (2001). «Новые кальциевые полусэндвичевые комплексы для живой и стереоселективной полимеризации стирола». Angew. Chem. Int. Ed . 40 (22): 4261–64. doi :10.1002/1521-3773(20011119)40:22<4261::AID-ANIE4261>3.0.CO;2-J. PMID  29712082.
  23. ^ Криммин, Марк Р.; Кейсли, Ян Дж.; Хилл, Майкл С. (2005). «Катализ внутримолекулярного гидроаминирования, опосредованный кальцием». Журнал Американского химического общества . 127 (7): 2042–43. doi :10.1021/ja043576n. PMID  15713071.
  24. ^ Jenter, Jelena; Köppe, Ralf; Roesky, Peter W. (2011). "2,5-Бис{ N -(2,6-диизопропилфенил)иминометил}пирролильные комплексы тяжелых щелочноземельных металлов: синтез, структуры и катализ гидроаминирования". Organometallics . 30 (6): 1404–13. doi :10.1021/om100937c.
  25. ^ Эрроусмит, Мерл; Криммин, Марк Р.; Барретт, Энтони GM; Хилл, Майкл С.; Коциок-Кён, Габриэле; Прокопиоу, Панайотис А. (2011). «Плотность заряда катиона и выбор прекатализатора при гидроаминировании аминоалкенов, катализируемом 2-й группой». Organometallics . 30 (6): 1493–1506. doi :10.1021/om101063m.
  26. ^ Пенафиел, Дж.; Марон, Л.; Хардер, С. (2014). «Ранний катализ металлов главной группы: насколько важен металл?» (PDF) . Angew. Chem. Int. Ed . 54 (1): 201–06. doi :10.1002/anie.201408814. PMID  25376952.
  27. ↑ Гринвуд и Эрншоу 1997, стр. 136–37.
  28. ^ ab Cameron, AGW (1973). "Распространенность элементов в Солнечной системе" (PDF) . Space Science Reviews . 15 (1): 121–46. Bibcode : 1973SSRv...15..121C. doi : 10.1007/BF00172440. S2CID  120201972.
  29. ^ abc Клейтон, Дональд (2003). Справочник по изотопам в космосе: от водорода до галлия . Cambridge University Press. С. 184–98. ISBN 9780521530835.
  30. ^ abc Audi, G.; Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S. (2017). "Оценка ядерных свойств с помощью NUBASE2016" (PDF) . Chinese Physics C. 41 ( 3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A. doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  31. ^ Арнольд, Р. и др. ( Сотрудничество NEMO-3 ) (2016). «Измерение периода полураспада двойного бета-распада и поиск безнейтринного двойного бета-распада 48 Ca с помощью детектора NEMO-3». Physical Review D. 93 ( 11): 112008. arXiv : 1604.01710 . Bibcode : 2016PhRvD..93k2008A. doi : 10.1103/PhysRevD.93.112008. S2CID  55485404.
  32. ^ Рассел, Вашингтон; Папанастассиу, Д.А.; Томбрелло, штат Техас (1978). «Фракционирование изотопов кальция 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.
  33. ^ Скулан, Дж.; Депаоло, DJ (1999). «Фракционирование изотопов кальция между мягкими и минерализованными тканями как средство контроля использования кальция у позвоночных». Proc Natl Acad Sci USA . 96 (24): 13709–13. Bibcode : 1999PNAS...9613709S. doi : 10.1073 /pnas.96.24.13709 . PMC 24129. PMID  10570137. 
  34. ^ abcd Гринвуд и Эрншоу 1997, стр. 108.
  35. ^ Аподака, Лори Э. (2021). "Commodity report:Lime" (PDF) . Геологическая служба США . Получено 2012-03-06 .
  36. ^ Гарфинкель, Йосеф (1987). «Изделия из обожженной извести и их социальные последствия в докерамических неолитических деревнях Ближнего Востока». Paléorient . 13 (1): 69–76. doi :10.3406/paleo.1987.4417. JSTOR  41492234.
  37. ^ Уильямс, Ричард (2004). Печи для обжига извести и обжиг извести . Bloomsbury USA. стр. 4. ISBN 978-0-7478-0596-0.
  38. ^ Oates, JA H (2008). Известь и известняк: химия и технология, производство и использование. Wiley. ISBN 978-3-527-61201-7.
  39. ^ ab Weeks, Mary Elvira ; Leichester, Henry M. (1968). Открытие элементов . Easton, PA: Journal of Chemical Education. стр. 505–10. ISBN 978-0-7661-3872-8. LCCN  68-15217.
  40. ^ 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.
  41. ^ Дэви, Х. (1808). «Электрохимические исследования разложения земель; с наблюдениями за металлами, полученными из щелочных земель, и амальгамой, полученной из аммиака». Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 98 : 333–70. Bibcode :1808RSPT...98..333D. doi :10.1098/rstl.1808.0023. S2CID  96364168.
  42. ↑ Гринвуд и Эрншоу 1997, стр. 109.
  43. ^ abc Гринвуд и Эрншоу 1997, стр. 110.
  44. ^ ab Бернер, Роберт (2003). «Долгосрочный цикл углерода, ископаемое топливо и состав атмосферы». Nature . 426 (6964): 323–26. Bibcode :2003Natur.426..323B. doi :10.1038/nature02131. PMID  14628061. S2CID  4420185.
  45. ^ Zeebe (2006). "Морская карбонатная химия". Национальный совет по науке и окружающей среде . Получено 2010-03-13 .
  46. ^ Walker, James CG; Hays, PB; Kasting, JF (1981-10-20). "Механизм отрицательной обратной связи для долгосрочной стабилизации температуры поверхности Земли". Journal of Geophysical Research: Oceans . 86 (C10): 9776–82. Bibcode : 1981JGR....86.9776W. doi : 10.1029/JC086iC10p09776.
  47. ^ abc Hluchan & Pomerantz 2005, стр. 485–87.
  48. ^ ab Rumack BH. POISINDEX. Информационная система Micromedex, Inc., Энглвуд, Колорадо, 2010; CCIS Том 143. Холл AH и Rumack BH (редакторы)
  49. ^ 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.
  50. ^ ab Skulan, J.; Bullen, T.; Anbar, AD; Puzas, JE; Shackelford, L.; Leblanc, A.; Smith, SM (2007). «Естественный изотопный состав кальция в моче как маркер баланса костной ткани». Клиническая химия . 53 (6): 1155–58. doi : 10.1373/clinchem.2006.080143 . PMID  17463176.
  51. ^ Fantle, M.; Depaolo, D. (2007). «Изотопы Ca в карбонатных отложениях и поровой жидкости из ODP Site 807A: фактор фракционирования равновесия Ca 2+ (aq)–кальцит и скорости перекристаллизации кальцита в плейстоценовых отложениях». Geochim Cosmochim Acta . 71 (10): 2524–46. Bibcode :2007GeCoA..71.2524F. doi :10.1016/j.gca.2007.03.006.
  52. ^ 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.
  53. ^ Всемирная организация здравоохранения (2019). Примерный 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.
  54. ^ Комитет Института медицины (США) по рассмотрению рекомендуемых норм потребления кальция с пищей; Росс, AC; Тейлор, CL; Яктин, AL; Дель Валле, HB (2011). "гл. 6. Допустимые верхние уровни потребления". Рекомендуемые нормы потребления кальция и витамина D с пищей. Вашингтон, округ Колумбия: National Academies Press. стр. 403–56. doi :10.17226/13050. ISBN 978-0-309-16394-1. PMID  21796828. S2CID  58721779.
  55. ^ Допустимые верхние уровни потребления витаминов и минералов (PDF) , Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов, 2006 г.
  56. ^ Комитет Института медицины (США) по рассмотрению рекомендуемых норм потребления кальция с пищей; Росс, AC; Тейлор, CL; Яктин, AL; Дель Валле, HB (2011). "гл. 5. Рекомендуемые нормы потребления с пищей". Рекомендуемые нормы потребления кальция и витамина D с пищей. Вашингтон, округ Колумбия: National Academies Press. стр. 345–402. doi :10.17226/13050. ISBN 978-0-309-16394-1. PMID  21796828. S2CID  58721779.
  57. ^ Balk EM, Adam GP, Langberg VN, Earley A, Clark P, Ebeling PR, Mithal A, Rizzoli R, Zerbini CA, Pierroz DD, Dawson-Hughes B (декабрь 2017 г.). «Глобальное потребление кальция в рационе взрослых: систематический обзор». Osteoporosis International . 28 (12): 3315–24. doi :10.1007/s00198-017-4230-x. PMC 5684325. PMID  29026938 . 
  58. ^ Соса Торрес, Марта; Кронек, Питер МХ; «Введение: от камней к живым клеткам» стр. 1–32 в «Металлы, микробы и минералы: биогеохимическая сторона жизни» (2021) стр. xiv + 341. Вальтер де Грюйтер, Берлин. Редакторы Кронек, Питер МХ и Соса Торрес, Марта. doi :10.1515/9783110589771-001
  59. ^ abcdefg Hluchan & Pomerantz 2005, стр. 489–94.
  60. ^ "Кальциевая стружка, 99% на основе следов металлов". Sigma-Aldrich. 2021-02-24 . Получено 2021-12-22 .
  61. ^ ab Hluchan & Pomerantz 2005, стр. 487–89.

Библиография