Kalsiyum

Kalsiyum, ₂₀Ca

Kalsiyum
Görünüm	donuk gri, gümüş; soluk sarı bir renk tonu ile
Standart atom ağırlığı Ar, std(Ca)	7001400780000000000♠40.078(4)
Periyodik tablodaki Kalsiyum
Mg ↑ Ca ↓ Sr potasyum ← kalsiyum → skandiyum
Atom numarası (Z)	20
Grup	grup 2 (alkaline toprak metal)
Period	periyot 4
Blok	s-blok
Element kategorisi	Toprak alkali metal
Elektron konfigürasyonu	[Ar] 4s2
Kabuk başına elektron	2, 8, 8, 2
Fiziksel özellikler
STP de Faz	katı
Erime noktası	1115 K ​(842 °C, ​1548 °F)
Kaynama noktası	1757 K ​(1484 °C, ​2703 °F)
Yoğunluk (r.t. yakın)	1.55 g/cm3
sıvı olduğunda ( m.p.)	1.378 g/cm3
Isı entalpisi	8.54 kJ/mol
Buharlaştırma vaporisation	154.7 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	25.929 J/(mol·K)
Buhar basıncı P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 864 956 1071 1227 1443 1755
Atom özellikleri
Oksidasyon durumları	+1, +2 (a güçlü baz oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 1.00
Ionisation enerjisi	1.: 589.8 kJ/mol 2.: 1145.4 kJ/mol 3.: 4912.4 kJ/mol (daha fazlası)
Atom yarıçapı	deneysel: 197 pm
Kovalent yarıçapı	176±10 pm
Van der Waals yarıçapı	231 pm
kalsiyum spektral çizgileri
Diğer özellikler
Kristal yapı	​yüz merkezli kübik (fcc)
Sesin hızı kalay çubuk	3810 m/s (20 °C)
Termal Genleşme	22.3 µm/(m·K) (25 °C)
Termal iletkenlik	201 W/(m·K)
Elektriksel direnç	33.6 nΩ·m (20 °C)
Manyetik sıralama	diyamanyetik
Manyetik alınganlık	+40.0·10−6 cm3/mol
Young modülü	20 GPa
Kayma modülü	7.4 GPa
Bulk modülü	17 GPa
Poisson oranı	0.31
Mohs sertliği	1.75
Brinell sertliği	170–416 MPa
CAS Numarası	7440-70-2
Tarihçe
Keşfeden ve ilk izolasyon	Humphry Davy (1808)
kalsiyum ana izotopları
İzo­top Bol­luk Half-life (t1/2) Bozunma modu Boz­unma 40Ca 96.941% kararlı 41Ca iz 9.94×104 y ε 41K 42Ca 0.647% kararlı 43Ca 0.135% kararlı 44Ca 2.086% kararlı 45Ca syn 162.6 d β− 45Sc 46Ca 0.004% kararlı 47Ca syn 4.5 d β− 47Sc γ – 48Ca 0.187% 6.4×1019 y β−β− 48Ti

Kalsiyum, sembolü Ca ve atom numarası 20 olan kimyasal bir elementtir. Bir alkalin toprak metali olarak, kalsiyum havaya maruz kaldığında koyu bir oksit-nitrit tabakası oluşturan reaktif bir metaldir. Fiziksel ve kimyasal özellikleri en ağır homologları stronsiyum ve baryuma benzer. Demir ve alüminyumdan sonra yer kabuğunda en bol beşinci element ve en bol üçüncü metaldir. Dünyadaki en yaygın kalsiyum bileşiği kalker ve erken deniz yaşamının fosilleşmiş kalıntılarında bulunan kalsiyum karbonattır; alçıtaşı, anhidrit, florit ve apatit de kalsiyum kaynaklarıdır. Adı, ısınan kireçtaşından elde edilen Latin kals "kireç" ten türemiştir.

Bazı kalsiyum bileşikleri kadim insanlar tarafından bilinmesine rağmen, kimyaları on yedinci yüzyıla kadar bilinmiyordu. Saf kalsiyum, elementi belirleyen Humphry Davy tarafından oksitinin elektrolizi yoluyla 1808'de izole edildi. Kalsiyum bileşikleri birçok endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır: kalsiyum takviyesi için gıdalarda ve farmasötiklerde, kağıt endüstrisinde ağartıcı olarak, çimento ve elektrik izolatörlerinde bileşenler olarak ve sabun üretiminde kullanılmaktadır. Öte yandan, saf formdaki metal, yüksek reaktivitesi nedeniyle çok az uygulamaya sahiptir; yine de, küçük miktarlarda, genellikle çelik yapımında bir alaşım bileşeni olarak ve bazen de otomotiv bataryaları yapımında kalsiyum esaslı bir alaşım olarak kullanılır.

Kalsiyum, insan vücudundaki en bol metal ve beşinci en bol elementtir. Elektrolitler olarak, kalsiyum iyonları organizmaların ve hücrelerin fizyolojik ve biyokimyasal süreçlerinde hayati bir rol oynar: ikinci bir haberci olarak hareket ettikleri sinyal iletim yollarında; nöronlardan nörotransmiter salınımında; tüm kas hücresi tiplerinin kasılmasında; birçok enzimde kofaktörler olarak; ve gübrelemede sıralanabilir. Hücrelerin dışındaki kalsiyum iyonları, uyarılabilir hücre zarları, protein sentezi ve kemik oluşumu arasındaki potansiyel farkı korumak için önemlidir.

Özellikleri

Sınıflandırma

Kalsiyum, özellikleri grubu, stronsiyum, baryum ve radyumdaki daha ağır elementlere çok benzeyen çok sünek gümüşi bir metaldir (bazen soluk sarı olarak tanımlanır). Bir kalsiyum atomunun elektron konfigürasyonunda [Ar]4s² düzenlenmiş yirmi elektronu vardır. Periyodik tablonun 2. grubuna yerleştirilen diğer elementler gibi, kalsiyumun en dıştaki s-orbitalinde iki değerlik elektronu vardır, Bu, argon, soy gazın kararlı elektron konfigürasyonu ile bir dipositik iyon oluşturmak için kimyasal reaksiyonlarda çok kolay bir şekilde kaybolur. Bu nedenle, kalsiyum genellikle iyonik olan bileşiklerinde neredeyse her zaman iki değerlidir. Varsayımsal tek değerlikli kalsiyum tuzları, elementlerine göre stabil olacaktır, ancak iki değerlikli tuzlar ve kalsiyum metaliyle orantısızlık göstermeyecektir, çünkü MX₂ oluşumunun entalpisi varsayımsal MX'lerinkinden çok daha yüksektir. Bu, varsayımsal Ca⁺ katyonuna kıyasla daha fazla yüklü Ca²⁺ katyonunun sağladığı çok daha büyük örgü enerjisi nedeniyle oluşur.

Kalsiyum, stronsiyum, baryum ve radyum her zaman alkalin toprak metalleri olarak kabul edilir; periyodik tablonun 2. grubunda da bulunan daha hafif berilyum ve magnezyum da sıklıkla dahil edilir. Bununla birlikte, berilyum ve magnezyum fiziksel ve kimyasal davranışlarında grubun diğer üyelerinden önemli ölçüde farklıdır: sırasıyla alüminyum ve çinko gibi davranırlar ve geçiş sonrası metallerin daha zayıf metalik özelliklerine sahiptirler, bu yüzden geleneksel tanım "toprak alkali metal" terimi bunların dışındadır. Bu sınıflandırma çoğunlukla İngilizce kaynaklarda kullanılmamaktadır, ancak yine de Japonya gibi diğer ülkelerde kullanılmaktadır. Sonuç olarak, stronsiyum ve baryum ile yapılan karşılaştırmalar, magnezyum ile yapılanlardan daha kalsiyum kimyası ile ilgilidir.

Fiziksel

Kalsiyum metali 842 °C'de erir ve 1494 °C'de kaynar; bu değerler komşu grup 2 metalleri olan magnezyum ve stronsiyum değerlerinden daha yüksektir. Stronsiyum gibi yüz merkezli kübik düzenlemede kristalleşir; 450 °C'nin üstünde, magnezyum gibi anizotropik altıgen kapalı paket bir düzenlemeye dönüşür. 1.55 g/cm³ yoğunluğu, grubundaki en düşük yoğunluktadır. Kalsiyum kurşundan daha zordur, ancak bir bıçakla kesilebilir. Kalsiyum, hacmen bakır veya alüminyumdan daha zayıf bir elektrik iletkeni olmakla birlikte, çok düşük yoğunluğu nedeniyle her ikisinden de daha iyi bir iletkendir. Atmosferik oksijenle hızlı reaksiyona girdiği için çoğu karasal uygulama için bir iletken olarak kalsiyum iletken olmamakla birlikte, uzayda bu şekilde kullanılması düşünülmüştür.

Kimyasal

Kalsiyumun kimyası tipik bir ağır alkalin toprak metalinin kimyasıdır. Örneğin, kalsiyum su ile magnezyumdan daha hızlı ve stronsiyumdan daha az hızlı bir şekilde kalsiyum hidroksit ve hidrojen gazı üretir. Aynı zamanda havadaki oksijen ve azot ile reaksiyona girerek bir kalsiyum oksit ve kalsiyum nitrür karışımı oluşturur. İnce olarak ayrıldığında, nitrür üretmek için kendiliğinden havada yanar. Dökme olarak, kalsiyum daha az reaktiftir: nemli havada hızla bir hidrasyon kaplaması oluşturur, ancak %30 bağıl nemin altında oda sıcaklığında süresiz olarak saklanabilir.

Basit oksit CaO'nun yanı sıra, peroksit CaO₂, yüksek bir oksijen basıncı altında kalsiyum metalinin doğrudan oksidasyonu ile yapılabilir ve sarı bir süperoksit Ca(O₂)₂ için bazı kanıtlar vardır. Kalsiyum hidroksit, Ca(OH)₂, stronsiyum, baryum veya alkali metallerin hidroksitleri kadar güçlü olmasa da, güçlü bir bazdır. Dört kalsiyum dihalidi de bilinmektedir. Kalsiyum karbonat (CaCO₃) ve kalsiyum sülfat (CaSO₄) özellikle bol minerallerdir. Stronsiyum ve baryum, alkali metaller ve iki değerlikli lantanidler europium ve itterbiyum gibi, kalsiyum metal de koyu mavi bir çözelti vermek için doğrudan sıvı amonyak içinde çözülür.

Ca²⁺ iyonunun büyük boyutu nedeniyle, CaZn₁₃ gibi bazı metaller arası bileşiklerde 24'e kadar yüksek koordinasyon sayıları yaygındır. Kalsiyum, analitik kimyada ve sert sudan kalsiyum iyonlarının uzaklaştırılmasında yararlı olan EDTA ve polifosfatlar gibi oksijen şelatlarıyla kolayca komplekslenir. Sterik engelin yokluğunda, daha küçük grup 2 katyonları daha güçlü kompleksler oluşturma eğilimindedir, ancak büyük polidentat makrosikller söz konusu olduğunda eğilim tersine çevrilir.

Her ne kadar kalsiyum magnezyum ile aynı grupta olsa da ve kimyada organomagnezyum bileşikleri çok yaygın olarak kullanılmasına rağmen, organokalsiyum bileşikleri benzer şekilde yaygın değildir, çünkü son zamanlarda olası katalizörler olarak araştırılsa da, daha zor ve daha reaktiftirler. Organokalsiyum bileşikleri, Yb²⁺ (102 pm) ve Ca²⁺ (100 pm) benzer iyonik yarıçapları nedeniyle organoytterbium bileşiklerine daha benzer olma eğilimindedir. Bu bileşiklerin çoğu sadece düşük sıcaklıklarda hazırlanabilir; hacimli ligandlar kararlılığı destekleme eğilimindedir. Örneğin, kalsiyum disiklopentadienil, Ca(C₅H₅)₂, kalsiyum metali doğrudan merkürosen veya siklopentadien ile reaksiyona sokularak yapılmalıdır; C₅H₅ ligandının, bulkier Ca(C₅H₅)₂ ligandıyla değiştirilmesi, bileşiğin çözünürlüğünü, uçuculuğunu ve kinetik stabilitesini arttırır.

İzotopları

Doğal kalsiyum, beş kararlı izotopun (⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ve ⁴⁶Ca) ve bir yarı uzun ömürlü bir izotopun, tüm pratik amaçlar için stabil olduğu düşünülebilir (⁴⁸Ca, yarı ömürlü) yaklaşık 4.3 × 10¹⁹ yıl). Kalsiyum, doğal olarak oluşan altı izotop içeren ilk (en hafif) elementtir.

Doğadaki en yaygın kalsiyum izotopu, tüm doğal kalsiyumun %96.941'ini oluşturan ⁴⁰Ca'dır. Silikon yakma işleminde alfa parçacıklarının füzyonundan üretilir ve eşit proton ve nötron sayılarına sahip en ağır kararlı nükliddir; oluşumu da ilkel ⁴⁰K'nın bozulmasıyla yavaş yavaş desteklenir. Başka bir alfa parçacığı eklemek kararsız ⁴⁴Ti'ye yol açacaktır; bu, tüm doğal kalsiyumun %2.806'sını oluşturur ve en yaygın ikinci izotoptur. Diğer dört doğal izotop, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁶Ca, ve ⁴⁸Ca, her biri tüm doğal kalsiyumun %1'inden daha azını içeren önemli ölçüde daha nadirdir. Dört daha hafif izotop, esas olarak oksijen yakma ve silikon yakma işlemlerinin ürünleridir ve iki daha ağır olanı nötron yakalama işlemleriyle üretilir. ⁴⁶Ca çoğunlukla "sıcak" bir s işleminde üretilir, çünkü oluşumu kısa ömürlü ⁴⁵Ca'nın bir nötronu yakalamasına izin vermek için oldukça yüksek bir nötron akısı gerektirir. ⁴⁸Ca, yüksek nötron fazlalığı ve yeterince düşük entropinin hayatta kalmasını sağladığı tip Ia süpernovalarındaki r-işleminde elektron yakalanmasıyla üretilir.

⁴⁶Ca ve ⁴⁸Ca, sırasıyla altı-nötron veya sekiz-nötron fazlalığına sahip ilk "klasik olarak stabil" nüklitlerdir. Böyle hafif bir element için son derece nötron açısından zengin olmasına rağmen, ⁴⁸Ca çok kararlıdır çünkü kapalı kabuklarda düzenlenmiş 20 proton ve 28 nötronu olan iki kat sihirli bir çekirdektir. ⁴⁸Sc'ye beta bozunması, nükleer dönüşün brüt uyumsuzluğu nedeniyle çok engellenmiştir: ⁴⁸Ca sıfır nükleer dönüşe sahiptir, hatta eşittir, ⁴⁸Sc 6+ dönüşe sahiptir, bu nedenle çürüme açısal momentumun korunması ile yasaklanmıştır. ⁴⁸Sc'nin iki uyarılmış hali de çürüme için kullanılabilirken, yüksek dönüşleri nedeniyle de yasaktır. Sonuç olarak, ⁴⁸Ca bozulduğunda, bunun yerine çift beta bozunması ⁴⁸Ti'ye gider, bunun yerine çift beta bozunumuna uğradığı bilinen en hafif nüklid olur. Ağır izotop ⁴⁶Ca, teorik olarak ⁴⁶Ti'ye de çift beta bozunmaya uğrayabilir, ancak bu hiç gözlemlenmemiştir; en hafif ve en yaygın izotop ⁴⁰Ca da iki kat büyülüdür ve ⁴⁰Ar'a çift elektron yakalaması yapabilir, ancak bu da hiç gözlemlenmemiştir. Kalsiyum, iki primordial iki kat büyülü sihirli izotopuna sahip olan tek elementtir. ⁴⁰Ca ve ⁴⁶Ca'nın yarılanma ömürleri için deneysel alt limitler sırasıyla 5.9 × 10²¹ yıl ve 2.8 × 10¹⁵ yıldır.

Pratik olarak stabil ⁴⁸Ca dışında, en uzun ömürlü kalsiyum radyoizotopu ⁴¹Ca'dır. Yaklaşık yüz bin yıllık bir yarılanma ömrüne sahip, elektron yakalamasıyla kararlı ⁴¹K'ya bozunur. Soyu tükenmiş bir radyonüklid olarak erken Güneş Sistemindeki varlığı, ⁴¹K'dan fazladan çıkarıldı: ⁴¹Ca'nın izleri, günümüzde hala doğal ⁴⁰Ca'nın nötron aktivasyonu ile sürekli olarak yenilenen bir kozmojenik nüklid olduğundan hala var. ³⁵Ca ila ⁶⁰Ca arasında değişen birçok başka kalsiyum radyoizotopları bilinmektedir. Hepsi ⁴¹Ca'dan çok daha kısa ömürlüdür, aralarında en stabil olanı ⁴⁵Ca (yarılanma ömrü 163 gün) ve ⁴⁷Ca (yarılanma ömrü 4.54 gün) şeklindedir. ⁴²Ca'dan daha hafif izotoplar genellikle beta artı potasyum izotoplarına bozunur ve ⁴⁴Ca'dan daha ağır olanlar genellikle scandium izotoplarına beta eksi bozunmaya uğrar, ancak nükleer damla hatlarının yakınında, proton emisyonu ve nötron emisyonu da önemli bozulma modları olmaya başlar.

Diğer elementler gibi, çeşitli işlemler kalsiyum izotoplarının nispi bolluğunu değiştirir. Bu işlemlerde en iyi çalışılan, kalsit, aragonit ve apatit gibi kalsiyum minerallerinin çözeltiden çökelmesine eşlik eden kalsiyum izotoplarının kütleye bağlı fraksiyonlanmasıdır. Daha hafif izotoplar, bu minerallere tercihen dahil edilir ve çevre çözeltisi, oda sıcaklığında atomik kütle birimi (amu) başına kabaca %0.025 büyüklüğünde daha ağır izotoplarla zenginleştirilir. Kalsiyum izotop bileşimindeki kütleye bağlı farklılıklar, standart bir referans materyaldeki aynı orana kıyasla bir numunedeki iki izotopun (genellikle ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca) oranı ile geleneksel olarak ifade edilir. ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca, yaygın toprak malzemeleri arasında yaklaşık %1 oranında değişir.

Tarihçe

Kimyasal yapıları 17. yüzyıla kadar anlaşılmamasına rağmen, kalsiyum bileşikleri binlerce yıldır biliniyordu. Bir yapı malzemesi ve heykeller için alçı olarak kireç, MÖ 7000 yılına kadar kullanılmıştır. İlk tarihli kireç fırını MÖ 2500 yıllarına dayanır ve Mezopotamya, Khafajah'da bulunmuştur. Aynı zamanda, Giza'nın Büyük Piramidi'nde dehidre edilmiş alçıtaşı (CaSO₄·2H₂O) kullanılıyordu; bu malzeme daha sonra Tutankamon mezarı'ndaki alçı için kullanılacaktır. Eski Romalılar bunun yerine kireçtaşı (CaCO₃) ısıtılarak yapılan kireç harçları kullandılar; "kalsiyum" adı Latince calx "kireç" kelimesinden türemiştir. Vitruvius, ortaya çıkan kirecin orijinal kireç taşından daha hafif olduğunu ve bunu suyun kaynamasına atfettiğini kaydetti; 1755 yılında Joseph Black bunun eski Romalılar tarafından bir gaz olarak tanınmayan karbondioksit kaybından kaynaklandığını kanıtladı.

1787'de Antoine Lavoisier, kirecin temel bir kimyasal elementin oksit olabileceğinden şüphelendi. Lavoisier elementler tablosunda beş "tuzlaşabilir toprak" (yani tuz üretmek için asitlerle reaksiyona girebilecek cevherler (salis = tuz, Latince) listeledi: chaux (kalsiyum oksit), magnezie (magnezya, magnezyum oksit ), barit (baryum sülfat), alümin (alümina, alüminyum oksit) ve silis (silika, silikon dioksit)) listeledi. Lavoisier, bu "unsurlar" hakkında şunları söyledi:

Muhtemelen henüz doğada mevcut olan metalik maddelerin bir kısmı ile tanışıyoruz, çünkü oksijene karbondan daha güçlü bir afinitesi olanların hepsi, şimdiye kadar, metalik bir duruma indirgenemedikleri ve sonuç olarak sadece Gözlemlerimize oksid formunda sunulan, topraklarla karıştırılmıştır. Şu anda dünya ile düzenlediğimiz baritlerin bu durumda olması son derece olasıdır; çünkü birçok deneyde metalik cisimlere neredeyse yaklaşan özellikler sergiler. Toprak olarak adlandırdığımız tüm maddelerin, şimdiye kadar bilinen herhangi bir işlemle indirgenemeyen sadece metalik oksidler olması bile mümkündür.

Kalsiyum, magnezyum, stronsiyum ve baryen ile birlikte ilk olarak 1808'de Humphry Davy tarafından izole edildi. Jöns Jakob Berzelius ve Magnus Martin af Pontin'in elektroliz üzerindeki çalışmalarını takiben Davy, anot olarak kullanılan bir platin plaka üzerine cıva(II) oksit ile ilgili metal oksitlerin bir karışımını koyarak kalsiyum ve magnezyum izole etti, katot kısmen civaya batırılmış bir platin teldir. Elektroliz daha sonra kalsiyum-cıva ve magnezyum-cıva amalgamları verdi ve cıva damıtılarak metali verdi. Bununla birlikte, saf kalsiyum bu yöntemle toplu olarak hazırlanamaz ve üretimi için uygulanabilir bir ticari işlem bir asırdan daha uzun bir süre öncesine kadar bulunmamıştır.

Oluşumu ve üretimi

%3'le, kalsiyum Dünya'nın kabuğunda en bol bulunan beşinci element ve alüminyum ve demirin arkasında en çok bulunan üçüncü metaldir. Ayrıca ay yüzeyinde dördüncü en bol elementtir. Tortul kalsiyum karbonat yatakları, geçmiş deniz yaşamının fosilleşmiş kalıntıları olarak Dünya yüzeyini tahrip eder; rhombohedral kalsit (daha yaygın) ve ortorombik aragonit (daha ılıman denizlerde oluşan) olmak üzere iki şekilde oluşurlar. Birinci tip mineraller arasında kireçtaşı, dolomit, mermer, tebeşir ve izlanda kalsiti; Aragonit yataklar Bahamalar, Florida Keys ve Kızıldeniz havzalarını oluşturur. Mercanlar, deniz kabukları ve inciler çoğunlukla kalsiyum karbonattan oluşur. Diğer önemli kalsiyum mineralleri arasında alçıtaşı (CaSO₄·2H₂O), anhidrit (CaSO4), florit CaSO₄) ve apatit ([Ca₅(PO₄)₃F]) bulunur.

Başlıca kalsiyum üreticileri Çin (yılda yaklaşık 10000 ila 12000 ton), Rusya (yılda yaklaşık 6000 ila 8000 ton) ve ABD'dir (yılda yaklaşık 2000 ila 4000 ton). Kanada ve Fransa da küçük üreticiler arasında. 2005 yılında yaklaşık 24000 ton kalsiyum üretildi; dünyadan çıkarılan kalsiyumun yaklaşık yarısı ABD tarafından kullanılmaktadır ve her yıl üretilen ürünün yaklaşık %80'i kullanılmaktadır. Rusya ve Çin'de Davy'nin elektroliz yöntemi hala kullanılmaktadır, ancak bunun yerine erimiş kalsiyum klorüre uygulanmaktadır. Kalsiyum stronsiyum veya baryuma göre daha az reaktif olduğu için, hava ile sonuçlanan oksit-nitrür kaplaması sabittir ve çömlekçi çarkı ile işleme ve diğer standart metalurjik teknikler kalsiyum için uygundur. Amerika Birleşik Devletleri ve Kanada'da, bunun yerine kalsiyum yüksek sıcaklıklarda alüminyum ile kireç azaltılarak üretilir.

Jeokimyasal döngü

Kalsiyum döngüsü tektonik, iklim ve karbon döngüsü arasında bir bağlantı sağlar. En basit ifadeyle, dağların yükselmesi kalsiyum taşıyan kayaları kimyasal hava koşullarına maruz bırakır ve Ca²⁺ 'yı yüzey suyuna bırakır. Bu iyonlar, kireçtaşı (CaCO
3) oluşturmak için çözünmüş CO₂ ile reaksiyona girerek okyanusa taşınır ve bu da yeni kayalara katıldığı deniz tabanına yerleşir. Çözünmüş CO₂, karbonat ve bikarbonat iyonları ile birlikte "çözünmüş inorganik karbon" (DIC) olarak adlandırılır.

Gerçek reaksiyon daha karmaşıktır ve bikarbonat iyonunu (HCO−
3) CO₂, deniz suyu pH'ındaki suyla reaksiyona girdiğinde oluşur:

Ca2+
+ 2HCO−
3 → CaCO
3_(s) + CO
2 + H
2O

Deniz suyu pH'ında, CO₂'nin çoğu hemen HCO−
3'e dönüştürülür. Reaksiyon, bir CO₂ molekülünün okyanus/atmosferden litosfere net taşınmasıyla sonuçlanır. Sonuç olarak, kimyasal ayrışma ile salınan her Ca²⁺ iyonu sonuçta bir CO₂ molekülünü yüzeysel sistemden (atmosfer, okyanus, topraklar ve canlı organizmalar) çıkarır ve yüz milyonlarca yıl kalması muhtemel karbonat kayalarında saklar. Kayalardan gelen kalsiyumun ayrışması, böylece okyanus ve atmosferden gelen CO₂'yi temizler ve iklim üzerinde uzun vadeli güçlü bir etki yapar.

Kullanımları

Metalik kalsiyumun en büyük kullanımı, oksijen ve kükürt için güçlü kimyasal afinitesi nedeniyle çelik yapımındadır. Oksitleri ve sülfürleri, bir kez oluştuktan sonra, çelikte sıvı kireç alüminat ve sülfür inklüzyonları verir; işlemde, bu inklüzyonlar çelik boyunca dağılır ve küçük ve küresel hale gelir, dökülebilirliği, temizliği ve genel mekanik özellikleri geliştirir. Kalsiyum ayrıca normal antimon-kurşun alaşımları yerine %0,1 kalsiyum-kurşun alaşımlarının kullanımının daha az su kaybına ve daha az kendi kendine deşarj olmasına yol açtığı bakım gerektirmeyen otomotiv akülerinde de kullanılır. Genleşme ve çatlama riski nedeniyle, alüminyum bazen bu alaşımlara da dahil edilir. Bu kurşun-kalsiyum alaşımları, kurşun-antimon alaşımlarının yerine dökümde de kullanılır. Kalsiyum ayrıca, rulmanlar için kullanılan alüminyum alaşımlarını güçlendirmek, dökme demirdeki grafitik karbonun kontrolü ve bizmut safsızlıklarının kurşuntan uzaklaştırılması için de kullanılır. Kalsiyum metali, bazı drenaj temizleyicilerinde bulunur; burada yağları sabunlaştıran ve drenleri bloke eden proteinleri (örneğin saçtaki) sıvılaştıran ısı ve kalsiyum hidroksit üretilir. Metalurjinin yanı sıra, yüksek saflıkta argon gazından azotu gidermek ve oksijen ve azot için bir alıcı olarak kalsiyumun reaktivitesinden faydalanır. Ayrıca krom, zirkonyum, toryum ve uranyum üretiminde bir indirgeyici ajan olarak kullanılır. Hidrojenin kolayca yeniden ekstrakte edilebildiği katı kalsiyum hidrit oluşturmak üzere hidrojenle reaksiyona girdiği için hidrojen gazını depolamak için de kullanılabilir.

Mineral oluşumu sırasında kalsiyum izotop fraksiyonlanması kalsiyum izotoplarının çeşitli uygulamalarına yol açmıştır. Özellikle, 1997'de Skulan ve DePaolo'nun kalsiyum minerallerinin, minerallerin çökeltildiği çözeltilerden izotopik olarak daha hafif olduğu gözlemi, tıpta ve paleookeanografide benzer uygulamaların temelidir. Kalsiyum ile mineralize iskeletlere sahip hayvanlarda, yumuşak dokuların kalsiyum izotopik bileşimi, iskelet mineralinin göreli oluşum oranını ve çözünmesini yansıtır. İnsanlarda, kalsiyum izotopik idrar bileşimindeki değişikliklerin kemik mineral dengesindeki değişikliklerle ilişkili olduğu gösterilmiştir. Kemik oluşum hızı kemik emilim oranını aştığında, yumuşak dokudaki ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca oranı yükselir veya bunun tersi de geçerlidir. Bu ilişki nedeniyle, kalsiyum izotopik idrar veya kan ölçümleri osteoporoz gibi metabolik kemik hastalıklarının erken saptanmasında yararlı olabilir. Deniz suyunda da benzer bir sistem mevcuttur, burada ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca, mineral çökeltme ile Ca²⁺ 'nin uzaklaştırılma oranı okyanusa yeni kalsiyum girişini aştığında yükselir. 1997 yılında Skulan ve DePaolo, jeolojik zamanlar boyunca deniz suyunda ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca'daki değişimin ilk kanıtını ve bu değişikliklerin teorik bir açıklamasını sundu. Daha yakın tarihli makaleler bu gözlemi teyit ederek deniz suyu Ca²⁺ konsantrasyonunun sabit olmadığını ve okyanusun asla kalsiyum girişi ve çıkışı açısından "sabit durumda" olmadığını göstermiştir. Deniz kalsiyum döngüsü karbon döngüsüne yakından bağlı olduğu için bunun önemli klimatolojik etkileri vardır.

Birçok kalsiyum bileşiği gıdalarda, ilaç olarak ve tıpta, diğerleri arasında kullanılır. Örneğin, kalsiyum ve fosfor, kalsiyum laktat, kalsiyum difosfat ve trikalsiyum fosfat ilavesiyle gıdalarda desteklenir. Sonuncusu ayrıca diş macununda ve antasitlerde parlatıcı olarak kullanılır. Kalsiyum laktobiyonat, farmasötikler için süspanse edici bir ajan olarak kullanılan beyaz bir tozdur. Fırınlamada, mayalama maddesi olarak kalsiyum monofosfat kullanılır. Kalsiyum sülfit kağıt yapımında bir ağartıcı olarak kullanılır ve bir dezenfektan olarak, kalsiyum silikat kauçukta bir takviye maddesi olarak kullanılır ve kalsiyum asetat kireçlenme reçine bileşenidir ve metalik sabunlar ve sentetik reçineler yapmak için kullanılır.

Gıda kaynakları

Kalsiyum açısından zengin gıdalar arasında yoğurt ve peynir, sardalye, somon, soya ürünleri, lahana ve takviye edilmiş kahvaltılık tahıllar gibi süt ürünleri yer alır.

Arterlerin ve böbrek taşlarının kalsifikasyonu da dahil olmak üzere uzun süreli olumsuz yan etkilerle ilgili endişeler nedeniyle, kalsiyum için hem ABD Tıp Enstitüsü (IOM) hem de Avrupa Gıda Güvenliği Otoritesi (EFSA), birleşik diyet ve takviye için Tolere Edilebilir Üst Alım Düzeyleri (UL'ler) belirledi. IOM'den, 9-18 yaşları arasındaki insanlar 3 g/gün kombine alımını aşmamalıdır; 19-50 yaşları için, günde 2,5 g'ı aşmamak; 51 yaş ve üstü için, günde 2 g'ı geçmemelidir. EFSA, UL'yi tüm yetişkinler için 2.5 g/ gün olarak belirledi, ancak çocuklar ve ergenler için bilgilerin UL'leri belirlemek için yeterli olmadığına karar verdi.

Biyolojik ve patolojik rol

Yaşa göre ayarlanmış günlük kalsiyum önerileri (ABD Tıp Enstitüsü RDA'larından)

Yaş	Kalsiyum (mg/gün)
1–3 yıl	700
4–8 yıl	1000
9–18 yıl	1300
19–50 yıl	1000
>51 yıl	1000
hamilelik	1000
emzirme	1000

Fonksiyon

Kalsiyum büyük miktarlarda gerekli olan önemli bir elementtir.Ca²⁺ iyonu bir elektrolit görevi görür ve kas, dolaşım ve sindirim sistemlerinin sağlığı için hayati önem taşır; kemik inşası için vazgeçilmezdir; ve kan hücrelerinin sentezini ve işlevini destekler. Örneğin, kasların kasılmasını, sinir iletimini ve kanın pıhtılaşmasını düzenler. Sonuç olarak, hücre içi ve dışı kalsiyum seviyeleri vücut tarafından sıkı bir şekilde düzenlenir. Kalsiyum bu rolü oynayabilir, çünkü Ca²⁺ iyonu birçok organik bileşik, özellikle proteinler ile kararlı koordinasyon kompleksleri oluşturur; ayrıca iskeletin oluşumunu sağlayan çok çeşitli çözünürlüklere sahip bileşikler oluşturur.

Bağlayıcı

Kalsiyum iyonları, glutamik asit veya aspartik asit kalıntılarının karboksil gruplarını bağlayarak proteinler tarafından kompleksleştirilebilir; fosforile serin, tirosin veya treonin kalıntıları ile etkileşime girerek; veya p-karboksillenmiş amino asit kalıntıları ile kıskaçlama yapmasıdır. Sindirim enzimi olan tripsin ilk yöntemi kullanır; kemik matriks proteini olan osteokalsin üçüncüyü kullanır. Osteopontin ve kemik sialoprotein gibi diğer bazı kemik matris proteinleri hem birinci hem de ikinciyi kullanır. Enzimlerin kalsiyum bağlanarak doğrudan aktivasyonu yaygındır; diğer bazı enzimler, doğrudan kalsiyum bağlayıcı enzimlerle kovalent olmayan birleşme ile aktive edilir. Kalsiyum ayrıca hücre yüzeyinin fosfolipid tabakasına bağlanır ve hücre yüzeyi ile ilişkili proteinleri sabitler.

Çözünürlük

Kalsiyum bileşiklerinin geniş çözünürlüğünün bir örneği olarak, monokalsiyum fosfat suda çok çözünür, hücre dışı kalsiyumun %85'i 2.0 mM çözünürlüğünde dikalsiyum fosfat gibidir ve organik bir matristeki kemiklerin hidroksiapatiti 100 μM'de trikalsiyum fosfattır.

Beslenme

Kalsiyum, multivitamin diyet takviyelerinin yaygın bir bileşenidir, ancak takviyelerdeki kalsiyum komplekslerinin bileşimi, ilgili tuzun çözünürlüğüne göre değişen biyoyararlanımını etkileyebilir: kalsiyum sitrat, malat ve laktat, biyolojik olarak daha az bulunurken oksalat daha azdır. Diğer kalsiyum preparatları arasında kalsiyum karbonat, kalsiyum sitrat malat ve kalsiyum glukonat bulunur. Bağırsak, serbest iyon olarak yenen kalsiyumun yaklaşık üçte birini emer ve daha sonra plazma kalsiyum seviyesi böbrekler tarafından düzenlenir.

Kemik oluşumu ve serum seviyelerinin hormonal regülasyonu

Paratiroid hormonu ve D vitamini, kalsiyum iyonlarının birikmesini sağlayarak ve arttırarak kemik oluşumunu teşvik eder, kemik kütlesini veya mineral içeriğini etkilemeden hızlı kemik döngüsüne izin verir. Plazma kalsiyum seviyeleri düştüğünde, hücre yüzeyi reseptörleri aktive edilir ve paratiroid hormonunun salgılanması meydana gelir; daha sonra, hedeflenen böbrek, bağırsak ve kemik hücrelerinden alarak kalsiyumun plazma havuzuna girişini uyarmaya devam eder; paratiroid hormonunun kemik oluşturma etkisi, salgisi artan plazma kalsiyum seviyeleri ile artmakta olan kalsitonin tarafından antagonize edilir.

Anormal serum seviyeleri

Aşırı kalsiyum alımı hiperkalsemiye neden olabilir. Bununla birlikte, kalsiyum bağırsaklar tarafından oldukça verimsiz bir şekilde emildiğinden, yüksek serum kalsiyumuna muhtemelen paratiroid hormonunun (PTH) aşırı salgılanması veya muhtemelen her ikisinin de kalsiyum emilimini kolaylaştıran aşırı D vitamini alımı neden olur. Tüm bu koşullar, kalsiyum, kan damarları veya böbreklerde aşırı kalsiyum tuzlarının birikmesine neden olur. Semptomlar arasında anoreksi, bulantı, kusma, hafıza kaybı, konfüzyon, kas güçsüzlüğü, artmış idrara çıkma, dehidrasyon ve metabolik kemik hastalığı bulunur. Kronik hiperkalsemi tipik olarak yumuşak dokunun kalsifikasyonuna ve ciddi sonuçlarına yol açar: örneğin, kalsifikasyon vasküler duvarların elastikiyet kaybına ve laminer kan akışının bozulmasına neden olabilir ve bu nedenle plak rüptürü ve trombozuna neden olabilir. Tersine, yetersiz kalsiyum veya D vitamini alımı, sıklıkla paratiroid hormon salgılanmasının veya hücrelerde kusurlu PTH reseptörlerinin yetersiz salgılanmasından kaynaklanan hipokalsemiye neden olabilir. Semptomlar, potansiyel olarak tetani ve kalp dokusunda iletkenliğin bozulmasına neden olan nöromüsküler uyarılabilirliği içerir.

Böbrek taşı

Aşırı diyet kalsiyum alımı, idrar yolunda kalan kalsiyum oksalat kristallerinin oluşumundan kaynaklanan ağrılı bir durum olan böbrek taşı riskini artırır.

Kemik hastalığı

Kemik gelişimi için kalsiyum gerektiğinden, birçok kemik hastalığı, kemiğin moleküler yapısında veya organizasyonunda organik matrikse veya hidroksiapatite kadar izlenebilir. Osteoporoz, birim hacim başına kemik mineral içeriğinde bir azalmadır ve kalsiyum, D vitamini ve bisfosfonatların takviyesi ile tedavi edilebilir. Yetersiz miktarda kalsiyum, D vitamini veya fosfat, osteomalazi adı verilen kemiklerin yumuşamasına neden olabilir.

Güvenlik

Metalik kalsiyum

Kalsiyum

Tehlikeler
GHS piktogramlar
GHS işaret kelimesi	Tehlike
GHS Tehlike bildirimleri	H261
GHS Önlem Açıklamaları	P231, P232, P422
NFPA 704	3 0 1 W

Kalsiyum su ve asitlerle egzotermik olarak reaksiyona girdiğinden, vücut nemiyle temas eden kalsiyum metali ciddi aşındırıcı tahrişe neden olur. Yutulduğunda, kalsiyum metali ağız, yemek borusu ve mide üzerinde aynı etkiye sahiptir ve ölümcül olabilir. Bununla birlikte, uzun süreli maruz kalmanın belirgin yan etkileri olduğu bilinmemektedir.