Kalcium | ||||
---|---|---|---|---|
← Kalium | Scandium → | ||||
| ||||
Utseendet av en enkel substans | ||||
Kalciumprov i argonatmosfär | ||||
Atomegenskaper | ||||
Namn, symbol, nummer | Kalcium/kalcium (Ca), 20 | |||
Grupp , punkt , block |
2 (föråldrad 2), 4, s-element |
|||
Atommassa ( molmassa ) |
40.078(4) [1] a. e. m. ( g / mol ) | |||
Elektronisk konfiguration |
[Ar] 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 |
|||
Atomradie | 197 pm | |||
Kemiska egenskaper | ||||
kovalent radie | 174 pm | |||
Jonradie | (+2e) 99 pm | |||
Elektronnegativitet | 1,00 (Pauling skala) | |||
Elektrodpotential | -2,76 V | |||
Oxidationstillstånd | 0, +2 | |||
Joniseringsenergi (första elektron) |
589,4 (6,11) kJ / mol ( eV ) | |||
Termodynamiska egenskaper hos ett enkelt ämne | ||||
Densitet (vid ej ) | 1,55 g/cm³ | |||
Smält temperatur | 1112 K; 838,85°C | |||
Koktemperatur | 1757 K; 1483,85°C | |||
Oud. fusionsvärme | 9,20 kJ/mol | |||
Oud. avdunstningsvärme | 153,6 kJ/mol | |||
Molär värmekapacitet | 25,9 [2] J/(K mol) | |||
Molar volym | 29,9 cm³ / mol | |||
Kristallgittret av en enkel substans | ||||
Gallerstruktur | Kubisk FCC | |||
Gitterparametrar | 5.580Å _ | |||
Debye temperatur | 230K _ | |||
Andra egenskaper | ||||
Värmeledningsförmåga | (300 K) (201) W/(m K) | |||
CAS-nummer | 7440-70-2 | |||
Emissionsspektrum | ||||
tjugo | Kalcium |
Ca40,078 | |
4s 2 |
Kalcium ( kemisk symbol - Ca , från lat. Kalcium ) är ett kemiskt element av den 2: a gruppen (enligt den föråldrade klassificeringen - huvudundergruppen i den andra gruppen, IIA), den fjärde perioden av det periodiska systemet av kemiska element av D. I. Mendelejev , med atomnummer 20.
Det enkla ämnet kalcium är en måttligt hård [3] , mycket lätt reaktiv jordalkalimetall med silvervit färg .
Den erhölls först i sin rena form av G. Davy 1808 .
Kalcium är ett av de livsviktiga elementen för organismer.
Namnet på elementet kommer från lat. calx (i genitivfallet calcis ) - "kalk", "mjuk sten". Det föreslogs av den engelske kemisten Humphry Davy , som 1808 isolerade kalciummetall med elektrolytisk metod . Davy elektrolyserade en blandning av våtsläckt kalk med kvicksilveroxid HgO på en platinaplatta , som var anoden . Katoden var en platinatråd nedsänkt i flytande kvicksilver . Som ett resultat av elektrolys erhölls kalciumamalgam . Efter att ha kört bort kvicksilver från det fick Davy en metall som heter kalcium.
Kalciumföreningar - kalksten , marmor , gips (liksom kalk - en produkt av brinnande kalksten) har använts i konstruktionen för flera årtusenden sedan. Fram till slutet av 1700-talet ansåg kemister att kalk var en enkel kropp. År 1789 föreslog A. Lavoisier att kalk, magnesia , baryt , aluminiumoxid och kiseldioxid är komplexa ämnen.
På grund av den höga kemiska aktiviteten av kalcium i den fria formen i naturen finns inte.
Kalcium står för 3,38% av massan av jordskorpan ( 5:e plats i överflöd efter syre , kisel , aluminium och järn ). Innehållet av grundämnet i havsvatten är 400 mg/l [4] .
Kalcium förekommer i naturen i form av en blandning av sex isotoper : 40Ca , 42Ca , 43Ca , 44Ca , 46Ca och 48Ca , bland vilka den vanligaste - 40Ca - är 96,97%. Kalciumkärnor innehåller det magiska antalet protoner: Z = 20 . isotoper40
20Catjugo
och48
20Ca28
är två av de fem dubbelt magiska kärnor som finns i naturen .
Av de sex naturligt förekommande kalciumisotoperna är fem stabila. Den sjätte isotopen 48Ca , den tyngsta av de sex och mycket sällsynta (dess isotopförekomst är endast 0,187 %), genomgår dubbel beta-sönderfall med en halveringstid på (4,39 ± 0,58)⋅10 19 år [5] [6] [7 ] .
Kalcium, som vandrar kraftigt i jordskorpan och ackumuleras i olika geokemiska system, bildar 385 mineral (fjärde i antal mineraler).
Mest kalcium finns i sammansättningen av silikater och aluminosilikater av olika bergarter ( graniter , gnejser , etc.), särskilt i fältspat - anortit Ca[Al 2 Si 2 O 8 ].
Kalciummineraler såsom kalcit CaCO 3 , anhydrit CaSO 4 , alabaster CaSO 4 0,5H 2 O och gips CaSO 4 2H 2 O, fluorit CaF 2 , apatiter Ca 5 (PO 4 ) 3 ( F, Cl, OH) , dolomit MgCO CaCO3 . _ Närvaron av kalcium- och magnesiumsalter i naturligt vatten bestämmer dess hårdhet .
Sedimentär bergart, huvudsakligen bestående av kryptokristallin kalcit - kalksten (en av dess sorter är krita ). Under inverkan av regional metamorfism förvandlas kalksten till marmor .
I den naturliga migrationen av kalcium spelas en betydande roll av "karbonatjämvikten", förknippad med den reversibla reaktionen av interaktionen av kalciumkarbonat med vatten och koldioxid med bildandet av lösligt bikarbonat:
(jämvikten skiftar åt vänster eller höger beroende på koncentrationen av koldioxid).
Biogen migration spelar en viktig roll.
Kalciumföreningar finns i nästan alla djur- och växtvävnader ( se nedan ). En betydande mängd kalcium är en del av levande organismer. Så, hydroxyapatit Ca 5 (PO 4 ) 3 OH, eller, i en annan post, 3Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca (OH) 2 - basen för benvävnaden hos ryggradsdjur, inklusive människor; skal och skal från många ryggradslösa djur, äggskal, etc. är sammansatta av kalciumkarbonat CaCO 3. I levande vävnader hos människor och djur, 1,4-2% Ca (i massfraktion); i en människokropp som väger 70 kg är kalciumhalten cirka 1,7 kg (främst i sammansättningen av den intercellulära substansen i benvävnad).
Kalciummetallen finns i två allotropa modifieringar . Upp till 443 °C är α -Ca med ett kubiskt ytacentrerat gitter stabilt (parameter a \ u003d 0,558 nm ), β -Ca är stabilt ovanför med ett kubiskt kroppscentrerat gitter av typen α -Fe (parameter a \ \ u003d 0,448 nm ). Standardentalpin för α → β- övergången är 0,93 kJ/mol .
Med en gradvis ökning av trycket börjar den visa egenskaperna hos en halvledare , men blir inte en halvledare i ordets fulla betydelse (det är inte längre en metall heller). Med en ytterligare ökning av trycket återgår den till det metalliska tillståndet och börjar uppvisa supraledande egenskaper (supraledningstemperaturen är sex gånger högre än den för kvicksilver och överstiger vida alla andra element i konduktivitet). Det unika beteendet hos kalcium liknar på många sätt strontium (det vill säga att parallellerna i det periodiska systemet bevaras) [8] .
Kalcium är en typisk jordalkalimetall . Reaktiviteten för kalcium är hög, men lägre än den för de tyngre jordalkalimetallerna. Den reagerar lätt med syre, koldioxid och fukt i luften, varför ytan på kalciummetall vanligtvis är matt grå, därför lagras kalcium vanligtvis i laboratoriet, liksom andra alkaliska jordartsmetaller, i en tättsluten burk under ett lager fotogen eller flytande paraffin .
I serien av standardpotentialer är kalcium beläget till vänster om väte . Standardelektrodpotentialen för paret Ca 2+ / Ca 0 −2,84 V , så att kalcium aktivt reagerar med vatten, men utan antändning:
Med aktiva icke-metaller ( syre , klor , brom , jod ) reagerar kalcium under normala förhållanden:
Som för alla andra metaller kännetecknas kalcium också av att mindre aktiva metaller förskjuts från deras salter:
När det värms upp i luft eller syre, antänds kalcium och brinner med en röd låga med en orange nyans ("tegelröd"). Med mindre aktiva icke-metaller ( väte , bor , kol , kisel , kväve , fosfor och andra), interagerar kalcium vid upphettning, till exempel:
Förutom kalciumfosfid Ca3P2 och kalciumsilicid Ca2Si erhållen i dessa reaktioner är kalciumfosfider av CaP- och CaP5- kompositioner och kalciumsilicider av CaSi-, Ca3Si4- och CaSi2 - kompositioner också kända .
Förloppet av ovanstående reaktioner åtföljs som regel av frigörandet av en stor mängd värme. I alla föreningar med icke-metaller är oxidationstillståndet för kalcium +2. De flesta av kalciumföreningarna med icke-metaller bryts lätt ned av vatten, till exempel:
Ca 2+-jonen är färglös. När lösliga kalciumsalter tillsätts lågan blir lågan tegelröd.
Kalciumsalter såsom CaCl2 - klorid , CaBr2 - bromid , CaI2 - jodid och Ca(NO3 ) 2 - nitrat är mycket lösliga i vatten. CaF 2 fluorid , CaCO 3 karbonat , CaSO 4 sulfat , Ca 3 ( PO 4 ) 2 ortofosfat , CaC 2 O 4 oxalat och några andra är olösliga i vatten .
Viktigt är det faktum att, till skillnad från kalciumkarbonat CaCO 3 , är surt kalciumkarbonat (hydrokarbonat) Ca (HCO 3 ) 2 lösligt i vatten. I naturen leder detta till följande processer. När kallt regn eller flodvatten, mättat med koldioxid , tränger in under jorden och faller på kalkstenar , observeras deras upplösning, och på de platser där vatten mättat med kalciumbikarbonat kommer till jordens yta och värms upp av solens strålar, omvänd reaktion inträffar
Så i naturen sker en överföring av stora massor av ämnen. Som ett resultat kan enorma karsthåligheter och dopp bildas under jorden , och vackra " istappar " av sten - stalaktiter och stalagmiter - bildas i grottorna .
Närvaron av löst kalciumbikarbonat i vatten bestämmer till stor del vattnets tillfälliga hårdhet. Det kallas tillfälligt eftersom när vatten kokas sönderfaller bikarbonatet och CaCO 3 fälls ut . Detta fenomen leder till exempel till att det bildas kalk i grytan med tiden .
Fritt metalliskt kalcium erhålls genom elektrolys av en smälta bestående av CaCl 2 (75-80 %) och KCl eller från CaCl 2 och CaF 2 , samt aluminotermisk reduktion av CaO vid 1170-1200 ° C
Den huvudsakliga användningen av kalciummetall är som reduktionsmedel vid tillverkning av metaller, särskilt nickel, koppar och rostfritt stål. Kalcium och dess hydrid används också för att producera svårreducerade metaller som krom , torium och uran . Kalcium-blylegeringar används i vissa typer av batterier och vid tillverkning av lager. Kalciumgranulat används också för att avlägsna spår av luft från elektrovakuumapparater. Rent metalliskt kalcium används i stor utsträckning inom metallotermi vid produktion av sällsynta jordartsmetaller [9] .
Kalcium används ofta inom metallurgi för att deoxidera stål tillsammans med aluminium eller i kombination med det. Bearbetning utanför ugnen med kalciumhaltiga trådar intar en ledande position på grund av den multifaktoriella effekten av kalcium på smältans fysikalisk-kemiska tillstånd, metallens makro- och mikrostruktur, kvaliteten och egenskaperna hos metallprodukter och är en integrerad del av stålproduktionstekniken [10] . Inom modern metallurgi används injektionstråd för att införa kalcium i smältan, vilket är kalcium (ibland kiselkalcium eller aluminiumkalcium) i form av ett pulver eller pressad metall i ett stålskal. Tillsammans med deoxidation (avlägsnande av syre löst i stål) gör användningen av kalcium det möjligt att erhålla icke-metalliska inneslutningar som är gynnsamma till natur, sammansättning och form, som inte kollapsar under ytterligare tekniska operationer [11] .
48 Ca isotopen är ett av de mest effektiva och användbara materialen för produktion av supertunga grundämnen och upptäckten av nya grundämnen i det periodiska systemet . Detta beror på det faktum att kalcium-48 är en dubbelt magisk kärna [12] , så dess stabilitet gör att den är tillräckligt neutronrik för en lätt kärna; syntesen av supertunga kärnor kräver ett överskott av neutroner.
Kalcium är ett vanligt makronäringsämne i kroppen hos växter, djur och människor. Hos människor och andra ryggradsdjur finns det mesta i skelettet och tänderna . Kalcium finns i ben i form av hydroxiapatit [ 13 ] . De flesta grupper av ryggradslösa djurs "skelett" (svampar, korallpolyper, blötdjur etc.) består av olika former av kalciumkarbonat (kalk). Kalciumjoner är involverade i blodkoagulationsprocesser och fungerar också som en av de universella sekundära budbärarna inuti celler och reglerar en mängd olika intracellulära processer - muskelkontraktion , exocytos , inklusive utsöndring av hormoner och neurotransmittorer . Koncentrationen av kalcium i cytoplasman hos mänskliga celler är cirka 10 −4 mmol/l , i intercellulära vätskor cirka 2,5 mmol/l .
Behovet av kalcium beror på ålder. För vuxna i åldern 19–50 år och barn i åldern 4–8 år är det dagliga behovet (RDA) 1000 mg [14] och för barn i åldern 9 till 18 år, 1300 mg per dag [14] . I tonåren är tillräckligt kalciumintag mycket viktigt på grund av skelettets intensiva tillväxt. Men enligt studier i USA uppnår endast 11 % av flickorna och 31 % av pojkarna i åldern 12-19 sina behov [15] . I en balanserad kost kommer det mesta av kalciumet (cirka 80%) in i barnets kropp med mejeriprodukter . Resterande kalcium kommer från spannmål (inklusive fullkornsbröd och bovete), baljväxter, apelsiner , greener , nötter. Kalciumupptaget i tarmen sker på två sätt: genom tarmcellerna (transcellulärt) och intercellulärt (paracellulärt). Den första mekanismen förmedlas av verkan av den aktiva formen av vitamin D ( kalcitriol ) och dess tarmreceptorer. Det spelar en stor roll vid lågt till måttligt kalciumintag. Med en högre kalciumhalt i kosten börjar intercellulär absorption spela huvudrollen, vilket är förknippat med en stor kalciumkoncentrationsgradient. På grund av den transcellulära mekanismen absorberas kalcium i större utsträckning i tolvfingertarmen (på grund av den högsta koncentrationen av receptorer i kalcitriol där). På grund av intercellulär passiv överföring är kalciumabsorptionen mest aktiv i alla tre sektioner av tunntarmen. Kalciumabsorptionen främjas paracellulärt av laktos (mjölksocker).
Kalciumabsorptionen hindras av vissa animaliska fetter [16] (inklusive komjölkfett och nötkötttalg, men inte ister ) och palmolja . Palmitin- och stearinfettsyrorna som finns i sådana fetter klyvs bort under matsmältningen i tarmarna och binder i fri form kalcium fast och bildar kalciumpalmitat och kalciumstearat (olösliga tvålar ) [17] . I form av denna tvål med stol förloras både kalcium och fett. Denna mekanism är ansvarig för minskad kalciumabsorption [18] [19] [20] , minskad benmineralisering [21] och minskade indirekta mätningar av benstyrka [22] [23] hos spädbarn med palmolja (palmolein) baserad modersmjölksersättning . Hos dessa barn är bildningen av kalciumtvålar i tarmarna förknippad med förhårdnad av avföringen [24] [25] , en minskning av dess frekvens [24] samt mer frekventa uppstötningar [26] och kolik [23] .
Koncentrationen av kalcium i blodet är, på grund av dess betydelse för ett stort antal vitala processer, exakt reglerad, och med rätt näring och tillräckligt intag av magra mejeriprodukter och D-vitamin uppstår ingen brist. Långvarig brist på kalcium och/eller D-vitamin i kosten leder till ökad risk för benskörhet och orsakar rakitis i spädbarnsåldern .
Överdrivna doser av kalcium och D-vitamin kan orsaka hyperkalcemi . Den maximala säkra dosen för vuxna i åldern 19 till 50 år är 2500 mg per dag [27] (cirka 340 g Edammerost [ 28] ).
Kalciumhalten i produkter bestäms utifrån den genomsnittliga portionen för varje typ av livsmedelsprodukt. Förutom själva kalciumhalten är dess biotillgänglighet också viktig . I allmänhet innehåller animaliska livsmedel mer kalcium än vegetabiliska livsmedel. Den största mängden kalcium finns i mejeriprodukter (men endast 27–30 % av kalcium absorberas från dem), konserverad fisk (på grund av ätbara ben), nötter och frön (biotillgängligheten för kalcium är i genomsnitt 20 % ), baljväxter ( bönor , kikärter , linser , mungbönor ). , ärtor , sojabönor , edamame , som också innehåller ämnen som hindrar upptaget av kalcium, och för att öka dess biotillgänglighet är det bättre att värma dem), vissa grönsaker ( vattenkrasse , bok choy , sallad , broccoli ), vissa frukter och bär [29] :
Produkt | Standard portion | Kalciumhalt, mg | Andel av det dagliga kalciumintaget, % |
---|---|---|---|
yoghurt med låg fetthalt utan tillsatser | 227 g (8 vikt oz ) | 415 | 32 |
apelsinjuice berikad med kalcium | 200 ml (1 kopp) | 349 | 27 |
fruktyoghurt med låg fetthalt | 227 g | 344 | 27 |
mozzarellaost _ | 42,5 g (1,5 oz) | 333 | 26 |
sardiner på burk med ben | 85 g (3 oz) | 325 | 25 |
lättmjölk och sojamjölk | 200 ml | 299 | 23 |
sojamjölk berikad med kalcium | 200 ml | 299 | 23 |
helmjölk 3,25% fett | 200 ml | 276 | 21 |
hård tofu tillagad i kalciumsulfatlösning | 100 ml | 253 | 19 |
rosa konserverad lax med ben | 85 g | 181 | fjorton |
keso med en fetthalt på 1% | 200 ml | 138 | elva |
mjuk tofu tillagad i kalciumsulfatlösning | 100 ml | 138 | elva |
kokta sojabönor | 100 ml | 131 | tio |
kokt spenat | 100 ml | 123 | 9 |
mjuk fryst yoghurt (vanilj) | 100 ml | 103 | åtta |
kokt färsk grön kålrot | 100 ml | 99 | åtta |
färsk kål efter tillagning | 200 ml | 94 | 7 |
chiafrön | 1 matsked | 76 | 6 |
färsk kinakål bok choy (hackad) | 100 ml | 74 | 6 |
konserverade bönor (ingen vätska) | 100 ml | 54 | fyra |
majstortilla med en diameter på 15 cm | 46 | fyra | |
gräddfil med låg fetthalt | 2 matskedar | 31 | 2 |
fullkornsbröd | 1 skiva | trettio | 2 |
rå hackad kål | 200 ml | 24 | 2 |
rå broccoli | 100 ml | 21 | 2 |
gyllene äpple | medelstor frukt | tio | 0 |
Halten av kalcium i mjölk beror starkt på dess fetthalt - i fet mjölk är koncentrationen av kalcium lägre [30] .
Ordböcker och uppslagsverk |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Periodiskt system av kemiska element av D. I. Mendeleev | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Elektrokemisk aktivitet serie av metaller | |
---|---|
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 , |