Kalcij

Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigacija, traži
Kalcij
[Ar] 4s2 20Ca
   
Periodni sistem elemenata
Općenito
Hemijski element, Simbol, Atomski broj Kalcij, Ca, 20
Serija Zemnoalkalni metali
Grupa, Perioda, Blok 2, 4, s
Izgled srebreno bijeli metal
Zastupljenost 3,39[1] %
Atomske osobine
Atomska masa 40,078 u
Atomski radijus (izračunat) 197 (194) pm
Kovalentni radijus 176±10 pm
Van der Waalsov radijus 231 pm
Elektronska konfiguracija [Ar] 4s2
Broj elektrona u energetskom nivou 2, 8, 8, 2
Izlazni rad 2,87[2] eV
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 1550[3] kg/m3
Magnetizam paramagnetičan
Tačka topljenja 1115 K (842 °C)
Tačka ključanja 1760[4] K (1487 °C)
Molarni volumen 26,20 · 10−6 m3/mol
Toplota isparavanja 153[4] kJ/mol
Toplota topljenja 8,54 kJ/mol
Pritisak pare 254 Pa kod 1112 K
Brzina zvuka 3810 m/s kod 293,15 K
Specifična toplota 647,3[1] J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost 29,4 · 106 S/m
Toplotna provodljivost 201 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacijsko stanje +2, +1[5]
Oksidi 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

103.000 god ε 0,421 41K
42Ca

0,647 %

Stabilan
43Ca

0,135 %

Stabilan
44Ca

2,086 %

Stabilan
45Ca

sin

162,61 d β- 0,257 45Sc
46Ca

0,004 %

Stabilan
47Ca

sin

4,536 d β- 1,992 47Sc
48Ca

0,187 %

> 6 · 1018 god β-β- 4,272 48Ti
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja

Lahko zapaljivo

F
Lahko zapaljivo
Obavještenja o riziku i sigurnosti R: 15
S: (2-)8-24/25-43
Ukoliko je moguće i u upotrebi, koriste se SI osnovne jedinice.
Ako nije drugačije označeno, svi podaci su podaci dobiveni mjerenjima u normalnim uslovima.

Kalcij (latinski calcium) je hemijski element koji se označava hemijskim simbolom Ca a ima atomski broj 20. Spada u metale II glavne grupe. 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, spadaju kreda, krečnjak (kao kalcit ili mramor) i gips. Osim toga, kalcij igra vrlo važnu ulogu u organizmu životinja i čovjeka jer ulazi u sastav kostiju. Gradi 2+ ione.

Historija[uredi | uredi izvor]

Humphry Davy je prvi otkrio elementarni kalcij

Naziv kalcij je izveden iz latinskog naziva calx. Sa tim pojmom su Rimljani označavali krečnjak i kredu, te i iz njih načinjen malter. Elementarni kalij prvi put je dobio Humphry Davy 1808. godine putem isparavanja žive iz elektrolitički dobijenog kalcij amalgama.

Rasprostranjenost[uredi | uredi izvor]

Kalcij je peti element po rasprostranjenosti u Zemljinoj kori u 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 vrsta flourita koji u svojoj kristalnoj rešetki ima neku vrstu koloidalnog kalcija nastao putem prirodnog radioaktivnog raspada.[6] Minerali bogati kalcijem poput kalcita i gipsa su dosta rasprostranjeni (npr. u Alpama cijele planine su sačinjene od krečnjaka). Veoma je rasprostranjen i kalcij sulfat u vidu anhidrita i gipsa.

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 kroz nervne ćelije. Međutim, i kod drugih ćelija ioni kalcija su vrlo važni kod transdukcije signala.

Osobine[uredi | uredi izvor]

Kristali kalcija u zaštitnoj atmosferi
Djelimično oksidirani kalcij

Kalcij je mehak kao olovo, ali se ne može rezati nožem. Elementarni kalcij u prisustvu zraka vrlo brzo oksidira. Sa vodom reagira vrlo burno gradeći kalcij hidroksid i vodonik. Sagorijeva u prisustvu kisika iz zraka do kalcij oksida, te u mnogo manjoj mjeri kalcij nitrida. Ukoliko se usitni u prah, kalcij se može zapaliti sam od sebe. Spojevi kalcija se javljaju i u vodi, i prouzrokuju njenu tvrdoću. Kalcijevi sulfati i hloridi čine stalnu tvrdoću vode koja se kuhanjem ne može otkloniti. Tvrda voda je nepogodna za korištenje (za kuhanje, pranje i industriju). Kationi Ca2+ spadaju u IV analitičku grupu kationa.

Kalcij spada u zemnoalkalne metale. U gotovo svim hemijskim spojevima, kalcij se javlja sa oksidacijskim brojem +2. Tek 2009. godine, naučnicima sa Univerziteta Friedrich-Schiller u njemačkom gradu Jena uspjelo 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.[5]

Izotopi[uredi | uredi izvor]

Kalcij ima pet stabilnih izotopa (40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca and 46Ca), uz još jedan izotop (48Ca) čije je vrijeme poluraspada tako 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 vodonika i helija. Kalcij ima i kosmogenski izotop, radioaktivni 41Ca koji ima vrijeme poluraspada od 103.000 godina. Za razliku od drugih kosmogenskih izotopa koji se stvaraju u Zemljinoj atmosferi, izotop 41Ca se stvara neutronskim aktiviranjem kalcija 40Ca. Najveći dio njegovog nastajanje je gornji sloj dubine od oko 1 metar u tlu, dokle u dovoljnoj mjeri prodire kosmogenski neutronski tok. Izotop 41Ca je dobio dodatnu pažnju u astronomskim studijama zvijezda jer se raspada na 41K, kritični pokazatelj anomalija u zvjedanim sistemima.

Oko 97% kalcija koji se javlja u prirodi je u obliku izotopa 40Ca. Izotop 40Ca je jedan od proizvoda raspada kalija 40K, zajedno sa argonom 40Ar. Iako je kalij-argonsko datiranje je vrlo rašireno u geološkim naukama, rasprostranjenost 40Ca u prirodi otežava korištenje ovog načina datiranja. Tehnike koje koriste masenu spektrometriju i razrjeđivanje izotopa sa dvostrukim spektrometarskim vrhom se koriste za kalij-kalcijevo datiranje.

Najrasprostranjeniji izotop 40Ca ima jezgru sa 20 protona i 20 neutrona. To je ujedno i najteži stabilni izotop među svim elementima koji ima isti broj protona i neutrona. U eksploziji supernova, kalcij se formira u reakciji ugljika sa brojnim alfa česticama (jezgrama helija), sve dok se ne sintetizira najčešći izotop kalcija (koji sadrži 10 jezgra helija).

Kalcij zatvoren u atmosferi argona

Spojevi[uredi | uredi izvor]

[icon] Ova sekcija zahtijeva proširenje.

Zagrijavanjem uz prisustvo zraka gradi oksid (CaO) i nitrid (Ca3N2). Reaguje sa hladnom vodom gradeći hidroksid uz oslobađanje kisika. Sem ovih jedinjenja bitna su i kalcij peroksid i mnoge soli. Najbitniji minerali kalcija su: kalcit, argonit, kreda, gips, fluorit.

Dobijanje[uredi | uredi izvor]

Metalni kalcij se proizvodi u vakuumu putem redukcije od prženog bezvodnog kreča (kalcij oksida) sa aluminijem pri 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_2O_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 je destilacija kalcija da bi se otklonile nečistoće.

Upotreba[uredi | uredi izvor]

Metalni kalcij služi kao redukcijsko sredstvo u metalurgiji za proizvodnju metala kao što su torij, vanadij, cirkonij, itrij i drugih iz grupe rijetkih zemnih metala, te kao redukcijsko sredstvo u industriji čelika i aluminija, kao dodatak legurama aluminija, 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) i dolomit (CaMg(CO3)2) su dvije najvažnije sirovine u današnjoj industriji:

  • Sredstvo za uklanjanje šljake u industriji čelika. Prosječna potrošnja iznosi oko 0,5 tona krečnjaka po toni čelika
  • Polazna sirovina za proizvodnju gašenog kreča
  • Kreda kao sredstvo za punjenje umjetnih materijala, naprimjer PVC-a. Cilj je poboljšanje krutosti i otpornosti na udarce, kao i za smanjenje skupljanja. Osim toga jako povećana toplotna provodljivost omogućava viši radni takt pri ekstrudiranju (izvlačenju).
  • Sitnozrni kalcij karbonat služi kao sredstvo za punjenje skupocjenog bezdrvnog papira
  • 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 karbid služi kao polazna sirovina za hemijske sinteze i za proizvodnju đubriva na bazi kreča i dušika, a ranije se koristio i za sintezu acetilena (etin), te ranije pogrešno nazivao i kalcij acetilid.

Kalcij hlorid služi kao sredstvo za sušenje i topljenje kao i za ubrzavanje stvrdnjavanja betona.

Biološki značaj[uredi | uredi izvor]

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 u kostima i zubima, a hemijski spoj bogat kalcijem, hidroksilapatit (Ca5(PO4)3(OH)), daje im stabilnost i čvrstoću. Istovremeno, kosti služe kao mjesto gdje se skladišti kalcij 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 1 g dnevno. Unutar ćelija kalcij pobuđuje muskulaturu i živčani sistem, razmjenu glikogena, diobu ćelija kao i aktiviranje nekih enzima i hormona. Japanski fiziolog Setsuro Ebashi prvi je otkrio regulatornu funkciju kalcija u ćelijama. Pokazao je kako struja iona kalcija 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 hormonima kalcitriolom, kalcitoninom i paratormonom. 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 poput kalcij hidrogen karbonata, kalcij citrata, kalcij sulfata, kalcij fosfata ili kalcij laktata. Samo oko 50% vanćelijskog kalcija se nalazi u slobodnoj ioniziranoj formi odnosno u biološki aktivnom obliku.[7]

Kalcij je najvažniji parametar u dijagnostici razmjene materija u kostima. Povećana koncentracija kalcija u krvi naziva se hiperkalcemija, dok se suprotan slučaj nedostatka kalcija naziva hipokalcemija. Nedostatak kalcija u kostima izaziva bolest rahitis.

Kod biljaka ulazi u neke oblike ćelijskih zidova. One skladište kalcij u stabiljci i lišću. Nedostatak kalcija kod biljaka prouzrokuje slab razvoj korijena i lišća.

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
  2. ^ Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing: Lehrbuch der Experimentalphysik, Tom 6: Festkörper, 2. izd., Walter de Gruyter, 2005, str. 361, ISBN 978-3-11-017485-4
  3. ^ N. N. Greenwood und A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. izd., VCH, Weinheim 1988, str. 136. ISBN 3-527-26169-9
  4. ^ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. u: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, str. 328–337, doi:10.1021/je1011086
  5. ^ a b Sven Krieck, Helmar Görls, Lian Yu, Markus Reiher, Matthias Westerhausen (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, vol. 13, br. 8, 4. februar 2009., str. 2977-2985 doi:10.1021/ja808524y
  6. ^ berthold-weber.com: Fluorit im Wölsendorfer Flußspat-Revier, 10.3.2011.
  7. ^ Laura M. Calvi, David A. Bushinsky (juni 2008). "When Is It Appropriate to Order an Ionized Calcium?". Journal of the American Society of Nephrology 19: 1257–1260. doi:10.1681/ASN.2007121327

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]

Commons logo
U Wikimedijinom spremniku se nalazi još materijala vezanih uz: