Kalcium | ||||
---|---|---|---|---|
← Kálium | Scandium → | ||||
| ||||
Egy egyszerű anyag megjelenése | ||||
Kalcium minta argon atmoszférában | ||||
Az atom tulajdonságai | ||||
Név, szimbólum, szám | Kalcium/Kalcium (Ca), 20 | |||
Csoport , időszak , blokk |
2 (elavult 2), 4, s-elem |
|||
Atomtömeg ( moláris tömeg ) |
40.078 (4) [1] a. e.m. ( g / mol ) | |||
Elektronikus konfiguráció |
[Ar] 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 |
|||
Atom sugara | 197 óra | |||
Kémiai tulajdonságok | ||||
kovalens sugár | 174 óra | |||
Ion sugara | (+2e) 99 óra | |||
Elektronegativitás | 1,00 (Pauling skála) | |||
Elektróda potenciál | -2,76 V | |||
Oxidációs állapotok | 0, +2 | |||
Ionizációs energia (első elektron) |
589,4 (6,11) kJ / mol ( eV ) | |||
Egy egyszerű anyag termodinamikai tulajdonságai | ||||
Sűrűség ( n.a. ) | 1,55 g/cm³ | |||
Olvadási hőmérséklet | 1112 K; 838,85 °C | |||
Forráshőmérséklet | 1757 K; Olvadáspont: 1483,85 °C | |||
Oud. fúzió hője | 9,20 kJ/mol | |||
Oud. párolgási hő | 153,6 kJ/mol | |||
Moláris hőkapacitás | 25,9 [2] J/(K mol) | |||
Moláris térfogat | 29,9 cm³ / mol | |||
Egy egyszerű anyag kristályrácsa | ||||
Rácsszerkezet | Cubic FCC | |||
Rács paraméterei | 5,580Å _ | |||
Debye hőmérséklet | 230 ezer _ | |||
Egyéb jellemzők | ||||
Hővezető | (300 K) (201) W/(m K) | |||
CAS szám | 7440-70-2 | |||
Emissziós spektrum | ||||
húsz | Kalcium |
kb40.078 | |
4s 2 |
A kalcium ( vegyjele - Ca , lat. Calcium ) a 2. csoport kémiai eleme (az elavult osztályozás szerint - a második csoport fő alcsoportja, IIA), a D. I. kémiai elemei periodikus rendszerének negyedik periódusa . Mengyelejev 20 - as rendszámmal .
Az egyszerű anyag , a kalcium egy közepesen kemény [3] , nagyon könnyű reakcióképes alkáliföldfém , ezüstfehér színű .
Tiszta formájában először G. Davy szerezte meg 1808 -ban .
A kalcium az élőlények egyik létfontosságú eleme.
Az elem neve latból származik. calx (genitivusban calcis ) - "mész", "puha kő". Humphry Davy angol kémikus javasolta , aki 1808 -ban elektrolitikus módszerrel izolálta a kalciumfémet . Davy elektrolizált nedves oltott mész és higany-oxid HgO keverékét platinalemezen , amely anód volt . A katód folyékony higanyba merített platinahuzal volt . Az elektrolízis eredményeként kalcium - amalgámot kaptunk. Miután elűzte belőle a higanyt, Davy kapott egy kalcium nevű fémet .
A kalciumvegyületeket - mészkő , márvány , gipsz (valamint a mész - a mészkő égésének terméke) több évezred óta használták az építőiparban. A 18. század végéig a kémikusok a meszet egyszerű testnek tekintették. 1789-ben A. Lavoisier azt javasolta, hogy a mész, a magnézia , a barit , az alumínium- oxid és a szilícium -dioxid összetett anyagok.
A kalcium nagy kémiai aktivitása miatt szabad formában a természetben nem található.
A kalcium a földkéreg tömegének 3,38%-át teszi ki ( az 5. hely bőségben az oxigén , a szilícium , az alumínium és a vas után ). A tengervíz elemtartalma 400 mg/l [4] .
A kalcium a természetben hat izotóp keveréke formájában fordul elő : 40Ca , 42Ca , 43Ca , 44Ca , 46Ca és 48Ca , amelyek közül a leggyakoribb - 40Ca - 96,97%. A kalciummagok a protonok mágikus számát tartalmazzák: Z = 20 . izotópok40
20kbhúsz
és48
20kb28
kettő a természetben létező öt kétszeresen mágikus mag közül .
A hat természetben előforduló kalcium-izotóp közül öt stabil. A hatodik izotóp , a 48Ca , a hat közül a legnehezebb és nagyon ritka ( izotóp-bősége mindössze 0,187%), kétszeres béta-bomláson megy keresztül , felezési ideje (4,39 ± 0,58)⋅10 19 év [5] [6] [7 ] ] .
A földkéregben erőteljesen vándorló, különféle geokémiai rendszerekben felhalmozódó kalcium 385 ásványt képez (az ásványok számát tekintve a negyedik).
A legtöbb kalciumot különféle kőzetek ( gránit , gneisz stb.) szilikátjai és alumínium -szilikátjai tartalmazzák, különösen a Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] földpát-anortit .
Kalcium ásványok , például kalcit CaCO 3 , CaSO 4 anhidrit , alabástrom CaSO 4 0,5H 2 O és gipsz CaSO 4 2H 2 O, fluorit CaF 2 , apatitok Ca 5 (PO 4 ) 3 (F, Cl, OH), dolomit MgCO 3 CaCO 3 . A természetes vízben lévő kalcium - és magnézium - sók jelenléte meghatározza annak keménységét .
Főleg kriptokristályos kalcit- mészkőből álló üledékes kőzet (egyik fajtája a kréta ). A regionális metamorfizmus hatására a mészkő márványmá alakul .
A kalcium természetes migrációjában jelentős szerepet játszik a „karbonát-egyensúly”, amely a kalcium-karbonát vízzel és szén-dioxiddal való kölcsönhatásának reverzibilis reakciójával jár együtt az oldható bikarbonát képződésével:
(az egyensúly a szén-dioxid koncentrációjától függően balra vagy jobbra tolódik el).
A biogén migráció fontos szerepet játszik.
A kalciumvegyületek szinte minden állati és növényi szövetben megtalálhatók ( lásd alább ). A kalcium jelentős része az élő szervezetek része. Tehát a hidroxiapatit Ca 5 (PO 4 ) 3 OH, vagy egy másik bejegyzésben a 3Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca (OH) 2 - a gerincesek csontszövetének alapja , beleértve az embert is; sok gerinctelen héja és héja, tojáshéj stb . kalcium-karbonát CaCO 3 -ból áll. Emberek és állatok élő szöveteiben 1,4-2% Ca (tömeghányad szerint); 70 kg tömegű emberi testben a kalciumtartalom körülbelül 1,7 kg (főleg a csontszövet sejtközi anyagának összetételében).
A kalcium fém két allotróp módosulatban létezik . 443 °C - ig az α -Ca a köbös homlokközéppontú ráccsal stabil ( a \ u003d paraméter 0,558 nm ), a β -Ca stabil fent egy α -Fe típusú köbös testközpontú ráccsal ( a \ paraméter ) u003d 0,448 nm ). Az α → β átmenet standard entalpiája 0,93 kJ/mol .
A nyomás fokozatos növekedésével kezdi mutatni a félvezető tulajdonságait , de nem válik félvezetővé a szó teljes értelmében (ez már nem is fém). A nyomás további növelésével visszatér fémes állapotba, és szupravezető tulajdonságokat kezd mutatni (a szupravezetési hőmérséklet hatszor magasabb, mint a higanyé, vezetőképességében pedig messze meghaladja az összes többi elemet). A kalcium egyedi viselkedése sok tekintetben hasonló a stronciuméhoz (vagyis a periódusos rendszer párhuzamai megmaradnak) [8] .
A kalcium egy tipikus alkáliföldfém . A kalcium reaktivitása magas, de alacsonyabb, mint a nehezebb alkáliföldféméké. Könnyen reakcióba lép a levegő oxigénjével, szén-dioxidjával és nedvességével, ezért a kalcium fém felülete általában tompa szürke, ezért a kalciumot a laboratóriumban általában a többi alkáliföldfémhez hasonlóan egy szorosan lezárt tégelyben egy réteg alatt tárolják. kerozinból vagy folyékony paraffinból .
A standard potenciálok sorozatában a kalcium a hidrogéntől balra található . A Ca 2+ / Ca 0 -2,84 V pár standard elektródpotenciálja , hogy a kalcium aktívan reagáljon a vízzel, de gyulladás nélkül:
Az aktív nemfémekkel ( oxigén , klór , bróm , jód ) a kalcium normál körülmények között reagál:
Mint minden más fémre, a kalciumra is jellemző, hogy a kevésbé aktív fémeket kiszorítják sóikból:
Levegőn vagy oxigénben hevítve a kalcium meggyullad és vörös lánggal ég, narancssárga árnyalattal („téglavörös”). A kevésbé aktív nemfémekkel ( hidrogén , bór , szén , szilícium , nitrogén , foszfor és mások) a kalcium kölcsönhatásba lép hevítés közben, például:
Az ezekben a reakciókban nyert kalcium - foszfid Ca3P2 és kalcium - szilicid Ca2Si mellett CaP és CaP5 kalcium - foszfidok, valamint CaSi , Ca3Si4 és CaSi2 kalcium-szilicidek is ismertek .
A fenti reakciók lefolyását általában nagy mennyiségű hő felszabadulása kíséri. Minden nemfém vegyületben a kalcium oxidációs állapota +2. A legtöbb nemfém kalciumvegyület víz hatására könnyen lebomlik, például:
A Ca 2+ -ion színtelen. Amikor oldható kalcium-sókat adnak a lánghoz, a láng téglavörösre változik.
A kalciumsók, mint például a CaCl 2 -klorid , CaBr 2 -bromid , CaI 2 -jodid és Ca(NO 3 ) 2 -nitrát jól oldódnak vízben. A CaF 2 - fluorid , a CaCO 3 - karbonát , a CaSO 4 - szulfát , a Ca 3 ( PO 4 ) 2 - ortofoszfát , a CaC 2 O 4 - oxalát és néhány egyéb vízben oldhatatlan .
Fontos az a tény, hogy a kalcium-karbonát CaCO 3 -mal ellentétben a savas kalcium-karbonát (hidrokarbonát) Ca (HCO 3 ) 2 vízben oldódik. A természetben ez a következő folyamatokhoz vezet. Amikor hideg eső vagy folyóvíz, szén-dioxiddal telített , behatol a föld alá és a mészkövekre hullik , azok feloldódása figyelhető meg, és azokon a helyeken, ahol a kalcium-hidrogén-karbonáttal telített víz a föld felszínére kerül, és a napsugarak felmelegszik, a fordított reakció lép fel
Tehát a természetben nagy tömegű anyagok átvitele megy végbe. Ennek eredményeként hatalmas karsztüregek , mélyedések alakulhatnak ki a föld alatt , a barlangokban pedig gyönyörű kő „ jégcsapok ” – cseppkövek , cseppkövek – képződnek .
A vízben oldott kalcium-hidrogén-karbonát jelenléte nagymértékben meghatározza a víz átmeneti keménységét. Ideiglenesnek nevezik, mert a víz forralásakor a bikarbonát lebomlik, és a CaCO 3 kicsapódik . Ez a jelenség például ahhoz vezet, hogy a vízforralóban idővel vízkő képződik .
A szabad fémes kalciumot CaCl 2 (75-80%) és KCl vagy CaCl 2 és CaF 2 olvadék elektrolízisével , valamint a CaO 1170-1200 °C-on aluminoterm redukciójával nyerik.
A kalciumfémet elsősorban redukálószerként használják fémek, különösen nikkel, réz és rozsdamentes acél gyártásában. A kalciumot és hidridjét nehezen redukálható fémek, például króm , tórium és urán előállítására is használják . A kalcium-ólom ötvözetek bizonyos típusú akkumulátorokban és csapágyak gyártásában használatosak. A kalcium granulátumot arra is használják, hogy eltávolítsák a levegő nyomait az elektrovákuum készülékekből. A tiszta fémes kalciumot a metallotermiában széles körben használják ritkaföldfémek előállítására [9] .
A kalciumot széles körben használják a kohászatban az acél deoxidálására az alumíniummal együtt vagy azzal kombinálva. A kalciumtartalmú huzalokkal végzett kemencén kívüli feldolgozás vezető pozíciót foglal el a kalciumnak az olvadék fizikai-kémiai állapotára, a fém makro- és mikroszerkezetére, a fémtermékek minőségére és tulajdonságaira gyakorolt többtényezős hatása miatt, és ennek szerves részét képezi. az acélgyártási technológia része [10] . A modern kohászatban injektálóhuzalt használnak a kalcium olvadékba történő bevezetésére, amely kalcium (néha szilícium- vagy alumínium-kalcium) por vagy préselt fém formájában egy acélhéjban. A dezoxidációval (az acélban oldott oxigén eltávolításával) együtt a kalcium alkalmazása lehetővé teszi olyan természetben, összetételben és formában is kedvező nemfémes zárványok előállítását, amelyek a további technológiai műveletek során nem esnek össze [11] .
A 48 Ca izotóp az egyik leghatékonyabb és leghasznosabb anyag a szupernehéz elemek előállításához és új elemek felfedezéséhez a periódusos rendszerben . Ez annak köszönhető, hogy a kalcium-48 kétszeresen mágikus mag [12] , így stabilitása lehetővé teszi, hogy kellően neutronban gazdag legyen egy könnyű atommag számára; a szupernehéz atommagok szintéziséhez többlet neutronra van szükség.
A kalcium gyakori makrotápanyag a növények, állatok és emberek szervezetében. Embereknél és más gerinceseknél a legtöbb a csontvázban és a fogakban található . A kalcium a csontokban hidroxiapatit formájában található [ 13 ] . A legtöbb gerinctelen csoport (szivacsok, korallpolipok, puhatestűek stb.) „csontváza” a kalcium-karbonát (mész) különféle formáiból áll. A kalciumionok részt vesznek a véralvadási folyamatokban , emellett az egyik univerzális másodlagos hírvivőként szolgálnak a sejteken belül, és szabályozzák a különféle intracelluláris folyamatokat – izomösszehúzódást , exocitózist , beleértve a hormonok és neurotranszmitterek szekrécióját is . A kalcium koncentrációja az emberi sejtek citoplazmájában körülbelül 10-4 mmol/l , az intercelluláris folyadékokban körülbelül 2,5 mmol/l .
A kalciumszükséglet az életkortól függ. A 19–50 éves felnőttek és a 4–8 éves gyermekek esetében a napi szükséglet (RDA) 1000 mg [14] , a 9–18 éves gyermekek esetében pedig 1300 mg naponta [14] . Serdülőkorban a csontváz intenzív növekedése miatt nagyon fontos a megfelelő kalciumbevitel. Az Egyesült Államokban végzett tanulmányok szerint azonban a 12-19 éves lányok mindössze 11%-a, a fiúk 31%-a teljesíti szükségleteit [15] . Kiegyensúlyozott étrendben a kalcium nagy része (kb. 80%) tejtermékekkel kerül a gyermek szervezetébe . A fennmaradó kalcium gabonafélékből (beleértve a teljes kiőrlésű kenyeret és hajdinát), hüvelyesekből, narancsból származik , zöldek , dió. A kalcium felszívódása a bélben kétféleképpen történik: a bélsejteken keresztül (transzcellulárisan) és intercellulárisan (paracellulárisan). Az első mechanizmust a D-vitamin aktív formája ( kalcitriol ) és bélreceptorai közvetítik. Nagy szerepe van az alacsony vagy mérsékelt kalciumbevitelben. A táplálék magasabb kalciumtartalma esetén az intercelluláris felszívódás kezdi meg a főszerepet, amely nagy kalciumkoncentráció-gradienshez kapcsolódik. A transzcelluláris mechanizmusnak köszönhetően a kalcium nagyobb mértékben szívódik fel a duodenumban (a kalcitriolban található receptorok legmagasabb koncentrációja miatt). Az intercelluláris passzív átvitelnek köszönhetően a kalcium felszívódása a vékonybél mindhárom szakaszában a legaktívabb. A kalcium felszívódását paracellulárisan a laktóz (tejcukor) segíti elő .
A kalcium felszívódását akadályozzák egyes állati zsírok [16] (beleértve a tehéntejzsírt és a marhafaggyút, de nem a disznózsírt ) és a pálmaolaj . Az ilyen zsírokban található palmitin- és sztearin - zsírsavak az emésztés során a belekben lehasadnak, és szabad formában szilárdan megkötik a kalciumot, kalcium- palmitátot és kalcium- sztearátot képezve (oldhatatlan szappanok ) [17] . Ennek a székkel ellátott szappannak a formájában a kalcium és a zsír is elveszik. Ez a mechanizmus felelős a csökkent kalcium felszívódásért [18] [19] [20] , a csökkent csont mineralizációért [21] és a csontszilárdság mérséklődéséért [22] [23] a pálmaolaj (pálma-olein) alapú csecsemőknél . Ezeknél a gyermekeknél a belekben a kalcium-szappanok képződése a széklet keményedésével [24] [25] , gyakoriságának csökkenésével [24] , valamint gyakoribb regurgitációval [26] és kólikával [23] társul .
A kalcium koncentrációja a vérben, nagyszámú létfontosságú folyamatban betöltött fontossága miatt, pontosan szabályozott, megfelelő táplálkozással, valamint zsírszegény tejtermékek és D-vitamin megfelelő bevitelével nem lép fel hiány. A tartós kalcium- és/vagy D-vitamin-hiány az étrendben növeli a csontritkulás kockázatát, és csecsemőkorban angolkórt okoz .
A túlzott mennyiségű kalcium és D-vitamin hiperkalcémiát okozhat . A maximális biztonságos adag 19 és 50 év közötti felnőttek számára napi 2500 mg [27] (kb. 340 g Edam sajt [28] ).
A termékek kalciumtartalmát az egyes élelmiszertípusok átlagos adagja alapján határozzák meg. Magán a kalciumtartalmon kívül a biológiai hasznosulása is fontos . Általában az állati eredetű élelmiszerek több kalciumot tartalmaznak, mint a növényi. A legnagyobb mennyiségű kalcium a tejtermékekben (de a kalciumnak csak 27-30% -a szívódik fel belőlük), a halkonzervekben (az ehető csontok miatt), a diófélékben és a magvakban (a kalcium biohasznosulása átlagosan 20% ), a hüvelyesekben ( bab ) található. , csicseriborsó , lencse , mungóbab ). , borsó , szójabab , edamame , amelyek a kalcium felszívódását gátló anyagokat is tartalmaznak, biológiai hasznosulásuk növelése érdekében érdemes melegíteni), egyes zöldségek ( vízitorma , bok choy , saláta , brokkoli ), néhány gyümölcs és bogyó [29] :
Termék | Standard adag | Kalciumtartalom, mg | Részesedés a napi kalciumbevitelből,% |
---|---|---|---|
zsírszegény joghurt adalékanyagok nélkül | 227 g (8 súly uncia ) | 415 | 32 |
kalciummal dúsított narancslé | 200 ml (1 csésze) | 349 | 27 |
alacsony zsírtartalmú gyümölcsjoghurt | 227 g | 344 | 27 |
mozzarella sajt | 42,5 g (1,5 uncia) | 333 | 26 |
csontos konzerv szardínia | 85 g (3 uncia) | 325 | 25 |
fölözött tej és szójatej | 200 ml | 299 | 23 |
kalciummal dúsított szójatej | 200 ml | 299 | 23 |
teljes tej 3,25% zsír | 200 ml | 276 | 21 |
kalcium-szulfát oldatban főtt kemény tofu | 100 ml | 253 | 19 |
rózsaszín lazackonzerv csontokkal | 85 g | 181 | tizennégy |
túró 1% zsírtartalommal | 200 ml | 138 | tizenegy |
kalcium-szulfát oldatban főtt puha tofu | 100 ml | 138 | tizenegy |
főtt szójabab | 100 ml | 131 | tíz |
főtt spenót | 100 ml | 123 | 9 |
lágy fagyasztott joghurt (vanília) | 100 ml | 103 | nyolc |
főtt friss zöld karalábé | 100 ml | 99 | nyolc |
friss káposzta főzés után | 200 ml | 94 | 7 |
chia mag | 1 evőkanál | 76 | 6 |
friss kínai kel, bok choy (apróra vágva) | 100 ml | 74 | 6 |
babkonzerv (folyadék nélkül) | 100 ml | 54 | négy |
15 cm átmérőjű kukorica tortilla | 46 | négy | |
zsírszegény tejföl | 2 evőkanál | 31 | 2 |
teljes kiőrlésű kenyér | 1 szelet | harminc | 2 |
nyers apróra vágott káposzta | 200 ml | 24 | 2 |
nyers brokkoli | 100 ml | 21 | 2 |
aranyalma _ | közepes méretű gyümölcs | tíz | 0 |
A tej kalciumtartalma erősen függ annak zsírtartalmától – a zsíros tejben a kalcium koncentrációja alacsonyabb [30] .
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|
D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periodikus rendszere | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Fémek elektrokémiai tevékenységsorai | |
---|---|
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , |