Калцијум

Калцијум
	узорак — комадићи елемента у стакленој посуди
Општа својства
Име, симбол	калцијум, Ca
Изглед	тамна сива, сребрна; са бледо жутом нијансом
У периодноме систему
калијум ← калцијум → скандијум	‍
Атомски број (Z)	20
Група, периода	група 2 (земноалкални метали), периода 4
Блок	s-блок
Категорија	земноалкални метал
Рел. ат. маса (Ar)	40,078(4)
Ел. конфигурација	[Ar] 4s2
по љускама	2, 8, 8, 2
Физичка својства
Агрегатно стање	чврсто
Тачка топљења	1115 K (842 °‍C, 1548 °F)
Тачка кључања	1757 K (1484 °‍C, 2703 °F)
Густина при с.т.	1,55 g/cm3
течно ст., на т.т.	1,378 g/cm3
Топлота фузије	8,54 kJ/mol
Топлота испаравања	154,7 kJ/mol
Мол. топл. капацитет	25,929 J/(mol·K)
Атомска својства
Оксидациона стања	+2, +1 (јако базни оксид)
Електронегативност	1,00
Енергије јонизације	1: 589,8 kJ/mol ; 2: 1145,4 kJ/mol ; 3: 4912,4 kJ/mol ; (остале)
Атомски радијус	197 pm
Ковалентни радијус	176±10 pm
Валсов радијус	231 pm
	Спектралне линије
Остало
Кристална структура	постраничноцентр. кубична (FCC)
Брзина звука танак штап	3810 m/s (на 20 °‍C)
Топл. ширење	22,3 µm/(m·K) (на 25 °‍C)
Топл. водљивост	201 W/(m·K)
Електроотпорност	33,6 nΩ·m (на 20 °‍C)
Магнетни распоред	дијамагнетичан
Магнетна сусцептибилност (χmol)	+40,0·10−6 cm3/mol
Јангов модул	20 GPa
Модул смицања	7,4 GPa
Модул стишљивости	17 GPa
Поасонов коефицијент	0,31
Мосова тврдоћа	1,75
Бринелова тврдоћа	170–416 MPa
CAS број	7440-70-2
Историја
Откриће и прва изолација	Хамфри Дејви (1808)
Главни изотопи
γ	–
	референце • Википодаци

Калцијум (Ca, лат. calcium) метал је IIA групе.^[5] Електронска конфигурација му је: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s², гради 2+ јон. Поседује 6 стабилних изотопа. То су ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca и ⁴⁸Ca. Елементарни калцијум је сјајни, сребрнасти метал. На Земљи се калцијум налази само у облику својих једињења и као саставни део минерала. У калцијумове минерале, између осталих, спадају креда, кречњак (као калцит или Мермер) и гипс. Осим тога, калцијум игра врло важну улогу у организму животиња и човека, јер улази у састав костију. Он гради 2+ јоне.

Особине

Калцијум је сребрнобео, мекан и лак метал. Калцијум је мек као олово, али се не може резати ножем. Елементарни калцијум у присуству ваздуха се врло брзо оксидује. Са водом реагује врло бурно градећи калцијум хидроксид и водоник. Сагорева у присуству кисеоника из ваздуха до калцијум оксида, те у много мањој мери калцијум нитрида. Уколико се уситни у прах, калцијум се може запалити сам од себе. Једињења калцијума се јављају и у води, и узрочник су њене тврдоће. Калцијумови сулфати и хлориди чине сталну тврдоћу воде која се кувањем не може отклонити. Тврда вода је непогодна за коришћење (за кување, прање и индустрију).^[6] Калцијум је чврста, сива, сјајна, супстанца на собној температури и атмосферском притиску. Проводи топлоту и електричну струју. Катјони Ca²⁺ спадају у IV аналитичку групу катјона.

Калцијум спада у земноалкалне метале. У готово свим хемијским једињењима, калцијум се јавља са оксидационим бројем +2. Тек 2009. године, научницима са Универзитета Фридрих-Шилер у немачком граду Јена успело је добију стабилни калцијум(I) комплекс, у којем се калцијум налази стабилан у дотад непознатом оксидационом стању +1. Међутим, то једињење је врло осетљиво на присуство воде и ваздуха.^[7]

Изотопи

Калцијум има пет стабилних изотопа (⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca и ⁴⁶Ca), уз још један изотоп (⁴⁸Ca) чије је време полураспада тако дуго да се из практичних разлога такође може сматрати да је стабилан. Распон од 20% у релативној атомској маси код својих природних изотопа је већи него код било којег другог елемента, изузев водоника и хелијума. Калцијум има и космогенски изотоп, радиоактивни ⁴¹Ca који има време полураспада од 103.000 година. За разлику од других космогенских изотопа који се стварају у Земљиној атмосфери, изотоп ⁴¹Ca се ствара неутронским активирањем калцијума ⁴⁰Ca. Највећи део његовог настајања је горњи слој дубине од око један метар у тлу, докле у довољној мери продире космогенски неутронски ток. Изотоп ⁴¹Ca је добио додатну пажњу у астрономским студијама звезда, јер се распада на ⁴¹K, критични показатељ аномалија у звезданим системима.

Око 97% калцијума који се јавља у природи је у облику изотопа ⁴⁰Ca. Изотоп ⁴⁰Ca је један од производа распада калијума ⁴⁰K, заједно са аргоном ⁴⁰Ar. Иако је калијум-аргонско датирање врло раширено у геолошким наукама, распрострањеност ⁴⁰Ca у природи отежава коришћење овог начина датирања. Технике које користе масену спектрометрију и разређивање изотопа са двоструким спектрометарским врхом се користе за калијум-калцијумско датирање.

Најраспрострањенији изотоп ⁴⁰Ca има језгро са 20 протона и 20 неутрона. То је уједно и најтежи стабилни изотоп међу свим елементима који има исти број протона и неутрона. У експлозији супернова, калцијум се формира у реакцији угљеника са бројним алфа честицама (језграма хелија), све док се не синтетише најчешћи изотоп калцијума (који садржи десет језгра хелија).

Заступљеност

Калцијум је најраспрострањенији земноалкални метал, а и један од најраспрострањенијих елемената у природи. Заступљен је у земљиној кори у количини од 3,54%. Због своје хемијске реактивности, у природи се може наћи само у облику својих једињења. Претпоставља се да је једини изузетак једна врста флоурита који у својој кристалној решетки има неку врсту колоидалног калцијума насталог путем природног радиоактивног распада.^[8] Калцијум карбонат је главни састојак седиментних стена. Као кречњак чини многе планинске масиве. Веома је распрострањен и калцијум сулфат у виду анхидрита и гипса. Најбитнији минерали калцијума су: калцит, аргонит, мермер, креда, гипс, доломит, кречњак, калцијумфлуорит ... Минерали богати калцијумом попут калцита и гипса су доста распрострањени (нпр. у Алпима целе планине су сачињене од кречњака). Веома је распрострањен и калцијум сулфат у виду анхидрита и гипса.

Као есенцијални део целе живе материје он се налази у саставу костију, зуба, шкољки и лишћа. Поред K⁺ и Na⁺ јона, јони калцијума Ca²⁺ имају изузетно важну улогу у преносу подражаја кроз нервне ћелије. Међутим, и код других ћелија јони калцијума су врло важни код трансдукције сигнала.

У видљивим спектрима многих звезда, укључујући и Сунце, запажене су снажне спектралне (апсорпцијске) линије једноструко јонизованог калцијума. Међу њима најистакнутије су H-линија на 3968,5 Å и K-линија на 3933,7 Å једноструко јонизираног калцијума или Ca II. При посматрању Сунца, или звезда ниске температуре, истакнутост H и K линија у видљивом спектру може бити назнака снажне магнетске активности у хромосфери. Мерење периодичних варијација ових активних подручја такође се може користити у добијању података о периодима ротације таквих звезда.^[9]

Једињења

Загревањем уз присуство ваздуха гради оксид (CaO) и нитрид (Ca₃N₂). Реагује са хладном водом градећи хидроксид уз ослобађање кисеоника. Сем ових једињења битна су и калцијумпероксид и многе соли.

Калцијум-супероксид:

Ca+O₂→CaO₂

Добијање

Метални калцијум се производи у вакууму путем редукције од прженог безводног креча (калцијум-оксида) са алуминијумом при температури од 1200 °C. Иако алуминијум има доста мању реактивност и енталпију од калцијума, тако се реакција

\mathrm {4\ CaO+2\ Al\ {\xrightarrow {1200^{\circ }C}}\ CaAl_{2}O_{4}+3\ Ca\uparrow }

уравнотежава готово у потпуности на левој страни, али и поред тога овај процес производње функционише, јер настали калцијум при овој температури непрестано испарава тако да се постепено уклања из процеса. Након овог процеса неопходна је дестилација калцијума да би се отклониле нечистоће.

Аналитика

Калцијум се у крви налази око 50% као јон Ca²⁺, око 35% везан за беланчевине (албумин, глобулин) те око 15% везан у комплексима (у бикарбонатима, лактатима, цитратима, фосфатима). Серумска вредност калцијума креће се у врло уским границама код нормалног нивоа укупног калцијума између 2,2 и 2,6 mmol/L (9–10,5 mg/dL) а распон нормалног јонизованог калцијума износи од 1,1 до 1,4 mmol/L (4,5–5,6 mg/dL). Биолошки ефекти калцијума одређују се кроз доступност његових слободних јона, па је при томе одлучујући јонизовани калцијум.^[10]

Укупна концентрација калцијума (укупни кацијум) у крви зависи од концентрације албумина и с тим у складу се мора кориговати. Алтернативно, може се и директно мерити концентрација јонизованог калцијума.^[11] Укунпни калцијум у серуму се одређује помоћу апсорпцијске спектрометрије или пламене емисионе спектроскопије.^[12] При томе долазе до изражаја физичке особине калцијума. Директно мерење јонизованог калцијума врши се са јоноселективним електродама.^[12]

Употреба

Метални калцијум служи као редукционо средство у металургији за производњу метала као што су торијум, ванадијум, цирконијум, итријум и других из групе ретких земноалкалних метала, те као редукционо средство у индустрији челика и алуминијума, као додатак легурама алуминијума, берилијума, бакра, олова и магнезијума те као полазни материјал за производњу калцијум хидрида.^[13]

Техничка употреба калцијума је много већа у облику његових једињења.

Кречњак (CaCO₃) и доломит (CaMg(CO₃)₂) су две важне сировине у данашњој индустрији:

Средство за уклањање шљаке у индустрији челика. Просечна потрошња износи око 0,5 тона кречњака по тони челика
Полазна сировина за производњу гашеног креча
Креда као средство за пуњење вештачких материјала, на пример ПВЦ-а. Циљ је побољшање крутости и отпорности на ударце, као и за смањење скупљања. Осим тога јако повећана топлотна проводљивост омогућава виши радни такт при екструдирању (извлачењу).
Ситнозрни калцијум-карбонат служи као средство за пуњење скупоценог бездрвног папира
Фино млевени креч или доломит се користи и као креч за ђубрење у пољопривреди и шумарству или као додатак исхрани неким животињама.

Калцијум-сулфат (гипс) се користи као грађевински материјал. Калцијум-карбид служи као полазна сировина за хемијске синтезе и за производњу ђубрива на бази креча и азота, а раније се користио и за синтезу ацетилена (етин), те се раније погрешно називао и калцијум ацетилид. Калцијум-хлорид служи као средство за сушење и топљење, као и за убрзавање стврдњавања бетона.

Биолошки значај

Кости човека и животиња садрже калцијум у виду фосфата и карбоната. Недостатак калцијума у костима изазива болест рахитис. Јон калцијума налази се и у крви и убрзава згрушавање крви у додиру са ваздухом. Код биљака улази у неке облике ћелијских зидова. Оне складиште калцијум у стабљици и лишћу. Недостатак калцијума код биљака проузрокује слаб развој корена и лишћа.

Калцијум је заступљен у човековом организму између 1,4 и 1,67% што представља преко 1 килограм. Калцијум има велику улогу у људском организму:

активатор ензима
провођење биоелектричних импулса
удео у згрушавању крви
удео у грчењу мишића
удео у производњи хормона

Ниво калцијума у крви зависи од:

количине калцијума која се уноси исхраном
количине калцијума у намирницама
степене избацивања калцијума са мокраћом

Калцијум је такође неопходан састојак у ћелијама биљака.

Референце

^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (II изд.). Oxford: Butterworth-Heinemann. стр. 112. ISBN 0080379419.
^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305.
^ Krieck, Sven; Görls, Helmar; Westerhausen, Matthias (2010). „Mechanistic Elucidation of the Formation of the Inverse Ca(I) Sandwich Complex [(thf)3Ca(μ-C6H3-1,3,5-Ph3)Ca(thf)3] and Stability of Aryl-Substituted Phenylcalcium Complexes”. Journal of the American Chemical Society. 132 (35): 12492—12501. PMID 20718434. doi:10.1021/ja105534w.
^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. стр. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.
^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.
^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.
^ Krieck, Sven; Görls, Helmar; Yu, Lian; Reiher, Markus; Westerhausen, Matthias (4. 2. 2009). „Stable "Inverse" Sandwich Complex with Unprecedented Organocalcium(I): Crystal Structures of [(thf)2Mg(Br)-C6H2-2,4,6-Ph3] and [(thf)3Ca{μ-C6H3-1,3,5-Ph3}Ca(thf)3]”. Journal of the American Chemical Society. 13 (8): 2977—2985. doi:10.1021/ja808524y.
^ berthold-weber.com: Fluorit im Wölsendorfer Flußspat-Revier, 10. 3. 2011.
^ Staff (1995). „H-K Project”. Mount Wilson Observatory. Приступљено 20. 5. 2015.
^ „Calcium”. laborlexikon.de. Приступљено 21. 5. 2011. |first1= захтева |last1= у Authors list (помоћ)
^ Robertson, W. G.; Marshall, R. W. (1. 11. 1979). Calcium measurements in serum and plasma--total and ionized. 11. CRC Critical Reviews in Clinical Laboratory Sciences. стр. 271—304. PMID 116800.
^ ^а ^б Guder WG; Nolte J, ур. (2005). Das Laborbuch für Klinik und Praxis (1 изд.). Elsevier, Urban und Fischer. ISBN 978-3-437-23340-1.
^ Грешка код цитирања: Неважећа ознака <ref>; нема текста за референце под именом Greenwood110.

Литература

Holleman A. F.; Wiberg E. (2001). Inorganic Chemistry (1st изд.). San Diego: Academic Press. ISBN 0-12-352651-5.
Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (II изд.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.
„Calcium and Calcium Alloys”. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. 2005. doi:10.1002/14356007.a04_515.pub2.

Спољашње везе

Витаминологија
Калцијум
WebElements.com – Calcium
Calcium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
Nutrition fact sheet from the National Institutes of Health

[1] Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (II изд.). Oxford: Butterworth-Heinemann. стр. 112. ISBN 0080379419.

[CIAAW2016-2] Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305.

[West-3] Krieck, Sven; Görls, Helmar; Westerhausen, Matthias (2010). „Mechanistic Elucidation of the Formation of the Inverse Ca(I) Sandwich Complex [(thf)3Ca(μ-C6H3-1,3,5-Ph3)Ca(thf)3] and Stability of Aryl-Substituted Phenylcalcium Complexes”. Journal of the American Chemical Society. 132 (35): 12492—12501. PMID 20718434. doi:10.1021/ja105534w.

[4] Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. стр. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.

[Housecroft3rd-5] Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.

[ParkesNeorganskaHemija-6] Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.

[CalciumI2009-7] Krieck, Sven; Görls, Helmar; Yu, Lian; Reiher, Markus; Westerhausen, Matthias (4. 2. 2009). „Stable "Inverse" Sandwich Complex with Unprecedented Organocalcium(I): Crystal Structures of [(thf)2Mg(Br)-C6H2-2,4,6-Ph3] and [(thf)3Ca{μ-C6H3-1,3,5-Ph3}Ca(thf)3]”. Journal of the American Chemical Society. 13 (8): 2977—2985. doi:10.1021/ja808524y.

[fluorit-8] rthold-weber.com: Fluorit im Wölsendorfer Flußspat-Revier, 10. 3. 2011.

[mtwilson-9] Staff (1995). „H-K Project”. Mount Wilson Observatory. Приступљено 20. 5. 2015.

[framce-10] „Calcium”. laborlexikon.de. Приступљено 21. 5. 2011. |first1= захтева |last1= у Authors list (помоћ)

[Robertson_Marshall-11] Robertson, W. G.; Marshall, R. W. (1. 11. 1979). Calcium measurements in serum and plasma--total and ionized. 11. CRC Critical Reviews in Clinical Laboratory Sciences. стр. 271—304. PMID 116800.

[Guder_Nolte-12] а ^б Guder WG; Nolte J, ур. (2005). Das Laborbuch für Klinik und Praxis (1 изд.). Elsevier, Urban und Fischer. ISBN 978-3-437-23340-1.

[Greenwood110-13] Грешка код цитирања: Неважећа ознака <ref>; нема текста за референце под именом Greenwood110.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

Нормативна контрола
Државне	Шпанија Француска BnF подаци Немачка Израел Сједињене Државе Јапан Чешка
Остале	Енциклопедија Британика 2