Kalcij

Kalcij,₂₀Ca

Kalcij uperiodnom sistemu
↓ ↓ → →
Hemijski element,Simbol,Atomski broj	Kalcij, Ca, 20
Serija	Zemnoalkalni metali
Grupa,Perioda,Blok	2, 4,s
Izgled	srebreno bijeli metal
Zastupljenost	3,39%
Atomske osobine
Atomska masa	40,078u
Atomski radijus(izračunat)	197 (194) pm
Kovalentni radijus	176±10 pm
Van der Waalsov radijus	231 pm
Elektronska konfiguracija	[Ar] 4s2
Broj elektronauenergetskom nivou	2, 8, 8, 2
Izlazni rad	2,87eV
1. energija ionizacije	589,8 kJ/mol
2. energija ionizacije	1145,4 kJ/mol
3. energija ionizacije	4912,4 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Mohsova skala tvrdoće	1,75
Kristalna struktura	kubična prostorno centrirana
Gustoća	1550kg/m3
Magnetizam	paramagnetičan
Tačka topljenja	1115 K (842°C)
Tačka ključanja	1760K (1487°C)
Molarni volumen	26,20 · 10−6m3/mol
Toplota isparavanja	153kJ/mol
Toplota topljenja	8,54 kJ/mol
Pritisak pare	254Papri 1112 K
Brzina zvuka	3810 m/s pri 293,15 K
Specifična toplota	647,3J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost	29,4 · 106S/m
Toplotna provodljivost	201 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	+2,+1
Oksid	CaO
Elektrodni potencijal	−2,84 V (Ca2++ 2e−→ Ca)
Elektronegativnost	1,00 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER(MeV) PR 40Ca 96,941% Stabilan 41Ca u tragovima 103.000god ε 0,421 41K 42Ca 0,647 % Stabilan 43Ca 0,135 % Stabilan 44Ca 2,086 % Stabilan 45Ca sin 162,61d β- 0,257 45Sc 46Ca 0,004 % Stabilan 47Ca sin 4,536d β- 1,992 47Sc 48Ca 0,187 % > 6 · 1018god β-β- 4,272 48Ti
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja F Lahko zapaljivo
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R:15 S: (2-)8-24/25-43
Ako je moguće i u upotrebi, koriste seosnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Kalcij(latinski:calcium) jestehemijski elementkoji se označavahemijskim simbolomCaa ima atomski broj 20. Spada umetaleII glavnegrupe. Elementarni kalcij je sjajni, srebrenasti metal. Na Zemlji, kalcij se nalazi samo u obliku svojih spojeva i kao sastavni dio minerala. U kalcijeve minerale, između ostalih, spadajukreda,krečnjak(kaokalcitilimramor) igips.Osim toga, kalcij igra vrlo važnu ulogu u organizmu životinja i čovjeka jer ulazi u sastavkostiju.Gradi 2+ione.

Historija

Kristali kalcija u zaštitnoj atmosferi

Humphry Davyje prvi otkrio elementarni kalcij

Nazivkalcijje izveden iz latinskog nazivacalx.Sa tim pojmom su Rimljani označavali krečnjak i kredu, te i iz njih načinjenmalter.Elementarni kalij prvi put je dobioHumphry Davy1808. godine putem isparavanjaživeiz elektrolitički dobijenog kalcij-amalgama.

Osobine

Djelimično oksidirani kalcij

Kalcij je mehak kaoolovo,ali se ne može rezatinožem.Elementarni kalcij u prisustvuzrakavrlo brzo oksidira. Sa vodom reagira vrlo burno gradećikalcij-hidroksidivodik.Sagorijeva u prisustvukisikaiz zraka dokalcij-oksida,te u mnogo manjoj mjerikalcij-nitrida.Ukoliko se usitni u prah, kalcij se može zapaliti sam od sebe. Spojevi kalcija se javljaju i u vodi, i prouzrokuju njenu tvrdoću. Kalcijevisulfatii hloridi čine stalnutvrdoću vodekoja se kuhanjem ne može otkloniti. Tvrdavodaje nepogodna za korištenje (za kuhanje, pranje i industriju). Kationi Ca²⁺spadaju u IV analitičku grupu kationa.

Kalcij spada uzemnoalkalne metale.U gotovo svim hemijskim spojevima, kalcij se javlja sa oksidacijskim brojem +2. Tek 2009. godine, naučnicima sa Univerziteta Friedrich-Schiller u njemačkom graduJenauspjelo je dobiti stabilni kalcij(I) kompleks, u kojem se kalcij nalazi stabilan u dotad nepoznatom oksidacijskom stanju +1. Međutim, taj spoj je vrlo osjetljiv na prisustvo vode i zraka.

Izotopi

Kalcij ima pet stabilnihizotopa(⁴⁰Ca,⁴²Ca,⁴³Ca,⁴⁴Ca and⁴⁶Ca), uz još jedan izotop (⁴⁸Ca) čije jevrijeme poluraspadatako dugo da se iz praktičnih razloga također može smatrati da je stabilan. Raspon od 20% u relativnoj atomskoj masi kod svojih prirodnih izotopa je veći nego kod bilo kojeg drugog elementa, izuzev vodika ihelija.Kalcij ima i kosmogenski izotop,radioaktivni⁴¹Ca koji ima vrijeme poluraspada od 103.000 godina. Za razliku od drugih kosmogenskih izotopa koji se stvaraju uZemljinoj atmosferi,izotop⁴¹Ca se stvara neutronskim aktiviranjem kalcija⁴⁰Ca. Najveći dio njegovog nastajanje je gornji sloj dubine od oko jedan metar u tlu, dokle u dovoljnoj mjeri prodire kosmogenski neutronski tok. Izotop⁴¹Ca je dobio dodatnu pažnju u astronomskim studijamazvijezdajer se raspada na⁴¹K, kritični pokazatelj anomalija u zvjedanim sistemima.

Oko 97% kalcija koji se javlja u prirodi je u obliku izotopa⁴⁰Ca. Izotop⁴⁰Ca je jedan od proizvoda raspadakalija⁴⁰K, zajedno saargonom⁴⁰Ar. Iako jekalij-argonsko datiranjeje vrlo rašireno u geološkim naukama, rasprostranjenost⁴⁰Ca u prirodi otežava korištenje ovog načina datiranja. Tehnike koje koristemasenu spektrometrijui razrjeđivanje izotopa sa dvostrukim spektrometarskim vrhom se koriste za kalij-kalcijevo datiranje.

Najrasprostranjeniji izotop⁴⁰Ca ima jezgru sa 20protonai 20neutrona.To je ujedno i najteži stabilni izotop među svim elementima koji ima isti broj protona i neutrona. U eksplozijisupernova,kalcij se formira u reakciji ugljika sa brojnim alfa česticama (jezgrama helija), sve dok se ne sintetizira najčešći izotop kalcija (koji sadrži deset jezgra helija).

Rasprostranjenost

Kalcij je peti element po rasprostranjenosti uZemljinoj koriu količini od 3,54%. Zbog svoje hemijske reaktivnosti, u prirodi se može naći samo u obliku svojih spojeva. Pretpostavlja se da je jedini izuzetak jedna vrstaflouritakoji u svojoj kristalnoj rešetki ima neku vrstu koloidalnog kalcija nastao putem prirodnog radioaktivnog raspada.Minerali bogati kalcijem poputkalcitaigipsasu dosta rasprostranjeni (npr. uAlpamacijele planine su sačinjene od krečnjaka). Veoma je rasprostranjen ikalcij sulfatu vidu anhidrita igipsa.

Kao esencijalni dio cijele žive materije on se nalazi u sastavu kostiju,zuba,školjki i lišća. Pored K⁺i Na⁺iona, ioni kalcija Ca²⁺imaju izuzetno važnu ulogu u prenosu podražaja kroznervne ćelije.Međutim, i kod drugih ćelija ioni kalcija su vrlo važni kod transdukcije signala.

U vidljivim spektrima mnogihzvijezda,uključujući iSunce,zapažene su snažne spektralne (apsorpcijske) linije jednostruko ioniziranog kalcija. Među njima najistaknutije suH-linija na 3968,5ÅiK-linija na 3933,7 Å jednostruko ioniziranog kalcija ili Ca II. Pri posmatranju Sunca, ili zvijezda niske temperature, istaknutnostHiKlinija u vidljivom spektru može biti naznaka snažne magnetske aktivnosti uhromosferi.Mjerenje periodičnih varijacija ovih aktivnih područja također se može koristiti u dobijanju podataka o periodima rotacije takvih zvijezda.

Dobijanje

Metalni kalcij se proizvodi uvakuumuputemredukcijeod prženog bezvodnogkreča(kalcij-oksida) saaluminijempri temperaturi od 1200 °C. Iako aluminij ima dosta manju reaktivnost i entalpiju od kalcija, tako se reakcija

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

uravnotežava gotovo u potpunosti na lijevoj strani, ali i pored toga ovaj proces proizvodnje funkcionira, jer nastali kalcij pri ovoj temperaturi neprestano isparava tako da se postepeno uklanja iz procesa. Nakon ovog procesa neophodna jedestilacijakalcija da bi se otklonile nečistoće.

Analitika

Kalcij se u krvi nalazi oko 50% kao ion Ca²⁺,oko 35% vezan zabjelančevine(albumin,globulin) te oko 15% vezan u kompleksima (u bikarbonatima, laktatima, citratima, fosfatima). Serumska vrijednost kalcija kreće se u vrlo uskim granicama kod normalnog nivoa ukupnog kalcija između 2,2 i 2,6 mmol/L (9–10,5 mg/dL) a raspon normalnog ioniziranog kalcija iznosi od 1,1 do 1,4 mmol/L (4,5–5,6 mg/dL). Biološki efekti kalcija određuju se kroz dostupnost njegovih slobodnih iona, pa je pri tome odlučujući ionizirani kalcij.

Ukupna koncentracija kalcija (ukupni kacij) u krvi zavisi od koncentracije albumina i s tim u skladu se mora korigirati. Alternativno, može se i direktno mjeriti koncentracija ioniziranog kalcija.Ukunpni kalcij u serumu se određuje pomoću apsorpcijske spektrometrije iliplamene emisione spektroskopije.Pri tome dolaze do izražaja fizikalne osobine kalcija. Direktno mjerenje ioniziranog kalcija vrši se sa ionoselektivnim elektrodama.

Upotreba

Metalni kalcijsluži kao redukcijsko sredstvo umetalurgijiza proizvodnju metala kao što sutorij,vanadij,cirkonij,itriji drugih iz gruperijetkih zemnih metala,te kao redukcijsko sredstvo u industriji čelika i aluminija, kao dodatak leguramaaluminija,berilija,bakra, olova i magnezija te kao polazni materijal za proizvodnju kalcij hidrida.

Tehnička upotreba kalcija je mnogo veća u obliku njegovih spojeva.

Krečnjak(CaCO₃) idolomit(CaMg(CO₃)₂) su dvije najvažnije sirovine u današnjoj industriji:

• Sredstvo za uklanjanješljakeu industrijičelika.Prosječna potrošnja iznosi oko 0,5 tona krečnjaka po toni čelika
• Polazna sirovina za proizvodnju gašenogkreča
• Kredakao sredstvo za punjenje umjetnih materijala, naprimjerPVC-a.Cilj je poboljšanje krutosti i otpornosti na udarce, kao i za smanjenje skupljanja. Osim toga jako povećana toplotna provodljivost omogućava viši radni takt priekstrudiranju(izvlačenju).
• Sitnozrnikalcij-karbonatsluži kao sredstvo za punjenje skupocjenog bezdrvnogpapira
• Fino mljeveni kreč ili dolomit se koristi i kao kreč za đubrenje u poljoprivredi i šumarstvu ili kao dodatak ishrani nekim životinjama.

Kalcij-sulfat(gips) se koristi kao građevinski materijal.

Kalcij-karbidsluži kao polazna sirovina za hemijske sinteze i za proizvodnju đubriva na bazi kreča i dušika, a ranije se koristio i za sintezuacetilena(etin), te ranije pogrešno nazivao i kalcij acetilid.

Kalcij-hloridsluži kao sredstvo za sušenje i topljenje kao i za ubrzavanje stvrdnjavanjabetona.

Spojevi

Kalcij, kombiniran safosfatima,dajehidroksilapatit,mineral koji ulazi u sastav ljudskih i životinjskihkostiizuba.Taj mineral također ulazi i u sastav nekihkorala,a može se pretvoriti u hidroksilapatit.

Kalcij-hidroksid(Ca(OH)₂,gašeni kreč) koristi se u mnogim hemijskim rafinerijskim procesima, a dobija se zagrijavanjemkrečnjakana visokim temperaturama (iznad 825 °C) nakon čega mu se oprezno dodajevoda.Kada se krečnjak pomiješa sa pijeskom, on otvrdne dajućimalter,te se stvrdnjava postepeno upijajućiugljik-dioksid.Pomiješan sa drugim spojevima, krečnjak je jedan od osnovnih sastojaka portlandskog cementa.

Kalcij-karbonat(CaCO₃) jedan je od najčešćih spojeva kalcija. Pri njegovom zagrijavanju se formira živi kreč (CaO), koji se zatim stavlja u vodu. Time se dobija novi materijal poznat kao gašeni kreč (Ca(OH)₂), jeftini bazni materijal koji se široko koristi u hemijskoj industriji. Kreda, mramor i krečnjak su oblici kalcij-karbonata.

Kada voda prolazi kroz krečnjak ili druge rastvorljive karbonatne stijene, ona djelimično rastvara stijenu praveći kraške formacije i pećine, kao i karakteristične pećinskeukrase:stalaktite i stalagmite, a takva vodaotvrdnjava(postajetvrda).

Drugi važni spojevi kalcija sukalcij-nitrat,kalcij-sulfid,kalcij-hlorid,kalcij-karbid,kalcij-cijanamidikalcij-hipohlorit.Poznat je i veoma mali broj spojeva kalcija u kojima je njegovooksidacijsko stanje+1. Takvi spojevi su nedavno otkriveni i proučavani.Charlotte Froese Fischer,kanadsko-američka naučnica, predpostavila je postojanje iona Ca⁻koji bi mogao biti stabilan. Takav ion je eksperimentalno potvrđen tek 1987. godine.

Biološki značaj

Kalcij je gradivni elemenat u ljudskom tijelu (po definiciji, to su elementi koji učestvuju u sastavu organizma u količini od više 50 mg po kg tjelesne mase) te time ne spada u elemente u tragovima. Sa udjelom u prosječnom ljudskom organizmu od oko 1 do 1,1 kg, kalcij je po količini jedan od najzastupljenijih mineralni materija u čovjeku. Oko 99% kalcija koji se u njemu nalazi, sadržan je ukostimaizubima,a hemijski spoj bogat kalcijem,hidroksilapatit(Ca₅(PO₄)₃(OH)), daje im stabilnost i čvrstoću. Istovremeno, kosti služe kao mjesto gdje seskladištikalcij u organizmu. Ukoliko tijelu nedostaje kalcija, dio nataloženog kalcija na kostima se otpušta te ga tijelo koristi za druge tjelesne funkcije gdje je neophodno. Smanjenje količine kalcija u kostima,osteoporoza,se javlja kod starijih osoba. Za prevenciju osteoporoze njemačka krovna organizacija DVO preporučuje uzimanje doza kalcija oko jedan gram dnevno. Unutarćelijakalcij pobuđuje muskulaturu i živčani sistem, razmjenuglikogena,diobu ćelija kao i aktiviranje nekih enzima ihormona.JapanskifiziologSetsuro Ebashiprvi je otkrio regulatornu funkciju kalcija u ćelijama. Pokazao je kako strujaionakalcija u ćelijama mišića dovodi do kontrakcija muskulature. Izvan ćelija, kalcij uzrokuje hemostazu (zaustavljanje krvarenja) i održavanje ćelijskih membrana. Smatra se da se u krvi mora neprestano nalaziti koncentracija kalcija od oko 2,1 do 2,6 mmol/l. Ona se regulira hormonimakalcitriolom,kalcitoninomiparatormonom.Samo 0,1% kalcija sadržanom u ljudskom tijelu nalazi se u vanćelijskom prostoru, a od toga je 30-55% spojeno na proteine, dok se 5-15% nalazi u obliku hemijskih kompleksa poputkalcij-hidrogenkarbonata,kalcij-citrata,kalcij-sulfata,kalcij-fosfatailikalcij-laktata.Samo oko 50% vanćelijskog kalcija se nalazi u slobodnojioniziranojformi odnosno u biološki aktivnom obliku.

Kalcij je najvažniji parametar u dijagnostici razmjene materija u kostima. Povećana koncentracija kalcija u krvi naziva sehiperkalcemija,dok se suprotan slučaj nedostatka kalcija nazivahipokalcemija.Nedostatak kalcija u kostima izaziva bolestrahitis.

Dnevne potrebe

Prema nekim evropskim referentnim organizacijama kao što suNjemačko društvo za ishranu(DGE), Austrijsko društvo za ishranu (ÖGE) i Švicarsko društvo za ishranu (SGE) koji su 2012. objavile tabele o najvišim toleriranim količinama kalcija kao što je to uradila i Evropska komisija za sigurnost hrane (EFSA) 2006. što je prikazano ispod:

Starost	Preporučeni unos (mg/dan)	Gustoća unosa muškarci (mg/MJ)1	Gustoća unosa žene (mg/MJ)1	Najveća tolerirana količina (mg/dan)
Dojenčad 0–4 mj.2	220 mg	110 mg	116 mg	n/p
Dojenčad 4–12 mj.	330 mg	133 mg	138 mg	n/p
1–4 godine	600 mg	128 mg	136 mg	n/p
4–7 godina	750 mg	109 mg	121 mg	n/p
7–10 godina	900 mg	114 mg	127 mg	n/p
10–13 godina	1100 mg	117 mg	129 mg	n/p
13–15 godina	1200 mg	107 mg	128 mg	n/p
15–19 godina	1200 mg	113 mg	141 mg	n/p
19–25 godina	1000 mg	94 mg	123 mg	2500 mg
25–51 godine	1000 mg	98 mg	128 mg	2500 mg
51–65 godina	1000 mg	109 mg	135 mg	2500 mg
preko 65 godina	1000 mg	120 mg	145 mg	2500 mg
Trudnice ispod 19 godina	1200 mg	–	~ 109 mg	2500 mg
Trudnice iznad 19 godina	1000 mg	–	109 mg	2500 mg
Dojilje ispod 19 godina	1200 mg	–	~ 93 mg	2500 mg
Dojilje preko 19 godina	1000 mg	–	93 mg	2500 mg

1 - Izračunato za omladinu i odrasle koji pretežno obavljaju sjedeće aktivnosti (fizički nivo aktivnosti od 1,4)
2 - Ovdje su navedene procijenjene vrijednosti

Vanjski linkovi

• EnvironmentalChemistry.com – kalcij
• Lijek kalcij na stranici Phytodoc
• Izračun kalcija
• Laborlexikon: Kalcij