Kalcijum

Kalcijum
	uzorak — komadići elementa u staklenoj posudi
Opšta svojstva
Ime, simbol	kalcijum, Ca
Izgled	tamna siva, srebrna; sa bledo žutom nijansom
U periodnom sistemu
kalijum ← kalcijum → skandijum	‍
Atomski broj (Z)	20
Grupa, perioda	grupa 2 (zemnoalkalni metali), perioda 4
Blok	s-blok
Kategorija	zemnoalkalni metal
Rel. at. masa (Ar)	40,078(4)
El. konfiguracija	[Ar] 4s2
po ljuskama	2, 8, 8, 2
Fizička svojstva
Agregatno stanje	čvrsto
Tačka topljenja	1115 K (842 °‍C, 1548 °F)
Tačka ključanja	1757 K (1484 °‍C, 2703 °F)
Gustina pri s.t.	1,55 g/cm3
tečno st., na t.t.	1,378 g/cm3
Toplota fuzije	8,54 kJ/mol
Toplota isparavanja	154,7 kJ/mol
Mol. topl. kapacitet	25,929 J/(mol·K)
Atomska svojstva
Oksidaciona stanja	+2, +1 (jako bazni oksid)
Elektronegativnost	1,00
Energije jonizacije	1: 589,8 kJ/mol ; 2: 1145,4 kJ/mol ; 3: 4912,4 kJ/mol ; (ostale)
Atomski radijus	197 pm
Kovalentni radijus	176±10 pm
Valsov radijus	231 pm
	Spektralne linije
Ostalo
Kristalna struktura	postraničnocentr. kubična (FCC)
Brzina zvuka tanak štap	3810 m/s (na 20 °‍C)
Topl. širenje	22,3 µm/(m·K) (na 25 °‍C)
Topl. vodljivost	201 W/(m·K)
Električna otpornost	33,6 nΩ·m (na 20 °‍C)
Magnetni raspored	dijamagnetičan
Magnetna susceptibilnost (χmol)	+40,0·10−6 cm3/mol
Jangov modul	20 GPa
Modul smicanja	7,4 GPa
Modul stišljivosti	17 GPa
Poasonov koeficijent	0,31
Mosova tvrdoća	1,75
Brinelova tvrdoća	170–416 MPa
CAS broj	7440-70-2
Istorija
Otkriće i prva izolacija	Hamfri Dejvi (1808)
Glavni izotopi
γ	–
	reference • Vikipodaci

Kalcijum (Ca, lat. calcium) metal je IIA grupe.^[5] Elektronska konfiguracija mu je: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s², gradi 2+ jon. Poseduje 6 stabilnih izotopa. To su ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca i ⁴⁸Ca. Elementarni kalcijum je sjajni, srebrnasti metal. Na Zemlji se kalcijum nalazi samo u obliku svojih jedinjenja i kao sastavni deo minerala. U kalcijumove minerale, između ostalih, spadaju kreda, krečnjak (kao kalcit ili Mermer) i gips. Osim toga, kalcijum igra vrlo važnu ulogu u organizmu životinja i čoveka, jer ulazi u sastav kostiju. On gradi 2+ jone.

Osobine uredi

Delimično oksidovani kalcijum

Kalcijum je srebrnobeo, mekan i lak metal. Kalcijum je mek kao olovo, ali se ne može rezati nožem. Elementarni kalcijum u prisustvu vazduha se vrlo brzo oksiduje. Sa vodom reaguje vrlo burno gradeći kalcijum hidroksid i vodonik. Sagoreva u prisustvu kiseonika iz vazduha do kalcijum oksida, te u mnogo manjoj meri kalcijum nitrida. Ukoliko se usitni u prah, kalcijum se može zapaliti sam od sebe. Jedinjenja kalcijuma se javljaju i u vodi, i uzročnik su njene tvrdoće. Kalcijumovi sulfati i hloridi čine stalnu tvrdoću vode koja se kuvanjem ne može otkloniti. Tvrda voda je nepogodna za korišćenje (za kuvanje, pranje i industriju).^[6] Kalcijum je čvrsta, siva, sjajna, supstanca na sobnoj temperaturi i atmosferskom pritisku. Provodi toplotu i električnu struju. Katjoni Ca²⁺ spadaju u IV analitičku grupu katjona.

Kalcijum spada u zemnoalkalne metale. U gotovo svim hemijskim jedinjenjima, kalcijum se javlja sa oksidacionim brojem +2. Tek 2009. godine, naučnicima sa Univerziteta Fridrih-Šiler u nemačkom gradu Jena uspelo je dobiju stabilni kalcijum(I) kompleks, u kojem se kalcijum nalazi stabilan u dotad nepoznatom oksidacionom stanju +1. Međutim, to jedinjenje je vrlo osetljivo na prisustvo vode i vazduha.^[7]

Izotopi uredi

Kalcijum ima pet stabilnih izotopa (⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca i ⁴⁶Ca), uz još jedan izotop (⁴⁸Ca) čije je vreme poluraspada tako dugo da se iz praktičnih razloga takođe 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 helijuma. Kalcijum ima i kosmogenski izotop, radioaktivni ⁴¹Ca koji ima vreme poluraspada od 103.000 godina. Za razliku od drugih kosmogenskih izotopa koji se stvaraju u Zemljinoj atmosferi, izotop ⁴¹Ca se stvara neutronskim aktiviranjem kalcijuma ⁴⁰Ca. Najveći deo njegovog nastajanja je gornji sloj dubine od oko jedan metar u tlu, dokle u dovoljnoj meri prodire kosmogenski neutronski tok. Izotop ⁴¹Ca je dobio dodatnu pažnju u astronomskim studijama zvezda, jer se raspada na ⁴¹K, kritični pokazatelj anomalija u zvezdanim sistemima.

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

Najrasprostranjeniji izotop ⁴⁰Ca ima jezgro 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, kalcijum se formira u reakciji ugljenika sa brojnim alfa česticama (jezgrama helija), sve dok se ne sintetiše najčešći izotop kalcijuma (koji sadrži deset jezgra helija).

Zastupljenost uredi

Kalcijum je najrasprostranjeniji zemnoalkalni metal, a i jedan od najrasprostranjenijih elemenata u prirodi. Zastupljen je u zemljinoj kori u količini od 3,54%. Zbog svoje hemijske reaktivnosti, u prirodi se može naći samo u obliku svojih jedinjenja. Pretpostavlja se da je jedini izuzetak jedna vrsta flourita koji u svojoj kristalnoj rešetki ima neku vrstu koloidalnog kalcijuma nastalog putem prirodnog radioaktivnog raspada.^[8] Kalcijum karbonat je glavni sastojak sedimentnih stena. Kao krečnjak čini mnoge planinske masive. Veoma je rasprostranjen i kalcijum sulfat u vidu anhidrita i gipsa. Najbitniji minerali kalcijuma su: kalcit, argonit, mermer, kreda, gips, dolomit, krečnjak, kalcijumfluorit ... Minerali bogati kalcijumom poput kalcita i gipsa su dosta rasprostranjeni (npr. u Alpima cele planine su sačinjene od krečnjaka). Veoma je rasprostranjen i kalcijum sulfat u vidu anhidrita i gipsa.

Kao esencijalni deo cele žive materije on se nalazi u sastavu kostiju, zuba, školjki i lišća. Pored K⁺ i Na⁺ jona, joni kalcijuma Ca²⁺ imaju izuzetno važnu ulogu u prenosu podražaja kroz nervne ćelije. Međutim, i kod drugih ćelija joni kalcijuma su vrlo važni kod transdukcije signala.

U vidljivim spektrima mnogih zvezda, uključujući i Sunce, zapažene su snažne spektralne (apsorpcijske) linije jednostruko jonizovanog kalcijuma. Među njima najistaknutije su H-linija na 3968,5 Å i K-linija na 3933,7 Å jednostruko joniziranog kalcijuma ili Ca II. Pri posmatranju Sunca, ili zvezda niske temperature, istaknutost H i K linija u vidljivom spektru može biti naznaka snažne magnetske aktivnosti u hromosferi. Merenje periodičnih varijacija ovih aktivnih područja takođe se može koristiti u dobijanju podataka o periodima rotacije takvih zvezda.^[9]

Jedinjenja uredi

Zagrevanjem uz prisustvo vazduha gradi oksid (CaO) i nitrid (Ca₃N₂). Reaguje sa hladnom vodom gradeći hidroksid uz oslobađanje kiseonika. Sem ovih jedinjenja bitna su i kalcijumperoksid i mnoge soli.

Kalcijum-superoksid:

Ca+O₂→CaO₂

Dobijanje uredi

Metalni kalcijum se proizvodi u vakuumu putem redukcije od prženog bezvodnog kreča (kalcijum-oksida) sa aluminijumom pri temperaturi od 1200 °C. Iako aluminijum ima dosta manju reaktivnost i entalpiju od kalcijuma, tako se reakcija

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

uravnotežava gotovo u potpunosti na levoj strani, ali i pored toga ovaj proces proizvodnje funkcioniše, jer nastali kalcijum pri ovoj temperaturi neprestano isparava tako da se postepeno uklanja iz procesa. Nakon ovog procesa neophodna je destilacija kalcijuma da bi se otklonile nečistoće.

Analitika uredi

Kalcijum se u krvi nalazi oko 50% kao jon Ca²⁺, oko 35% vezan za belančevine (albumin, globulin) te oko 15% vezan u kompleksima (u bikarbonatima, laktatima, citratima, fosfatima). Serumska vrednost kalcijuma kreće se u vrlo uskim granicama kod normalnog nivoa ukupnog kalcijuma između 2,2 i 2,6 mmol/L (9–10,5 mg/dL) a raspon normalnog jonizovanog kalcijuma iznosi od 1,1 do 1,4 mmol/L (4,5–5,6 mg/dL). Biološki efekti kalcijuma određuju se kroz dostupnost njegovih slobodnih jona, pa je pri tome odlučujući jonizovani kalcijum.^[10]

Ukupna koncentracija kalcijuma (ukupni kacijum) u krvi zavisi od koncentracije albumina i s tim u skladu se mora korigovati. Alternativno, može se i direktno meriti koncentracija jonizovanog kalcijuma.^[11] Ukunpni kalcijum u serumu se određuje pomoću apsorpcijske spektrometrije ili plamene emisione spektroskopije.^[12] Pri tome dolaze do izražaja fizičke osobine kalcijuma. Direktno merenje jonizovanog kalcijuma vrši se sa jonoselektivnim elektrodama.^[12]

Upotreba uredi

Metalni kalcijum služi kao redukciono sredstvo u metalurgiji za proizvodnju metala kao što su torijum, vanadijum, cirkonijum, itrijum i drugih iz grupe retkih zemnoalkalnih metala, te kao redukciono sredstvo u industriji čelika i aluminijuma, kao dodatak legurama aluminijuma, berilijuma, bakra, olova i magnezijuma te kao polazni materijal za proizvodnju kalcijum hidrida.^[13]

Tehnička upotreba kalcijuma je mnogo veća u obliku njegovih jedinjenja.

Krečnjak (CaCO₃) i dolomit (CaMg(CO₃)₂) su dve važne sirovine u današnjoj industriji:

Sredstvo za uklanjanje šljake u industriji čelika. Prosečna potrošnja iznosi oko 0,5 tona krečnjaka po toni čelika
Polazna sirovina za proizvodnju gašenog kreča
Kreda kao sredstvo za punjenje veštačkih materijala, na primer 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 kalcijum-karbonat služi kao sredstvo za punjenje skupocenog bezdrvnog papira
Fino mleveni kreč ili dolomit se koristi i kao kreč za đubrenje u poljoprivredi i šumarstvu ili kao dodatak ishrani nekim životinjama.

Kalcijum-sulfat (gips) se koristi kao građevinski materijal. Kalcijum-karbid služi kao polazna sirovina za hemijske sinteze i za proizvodnju đubriva na bazi kreča i azota, a ranije se koristio i za sintezu acetilena (etin), te se ranije pogrešno nazivao i kalcijum acetilid. Kalcijum-hlorid služi kao sredstvo za sušenje i topljenje, kao i za ubrzavanje stvrdnjavanja betona.

Biološki značaj uredi

Kosti čoveka i životinja sadrže kalcijum u vidu fosfata i karbonata. Nedostatak kalcijuma u kostima izaziva bolest rahitis. Jon kalcijuma nalazi se i u krvi i ubrzava zgrušavanje krvi u dodiru sa vazduhom. Kod biljaka ulazi u neke oblike ćelijskih zidova. One skladište kalcijum u stabljici i lišću. Nedostatak kalcijuma kod biljaka prouzrokuje slab razvoj korena i lišća.

Kalcijum je zastupljen u čovekovom organizmu između 1,4 i 1,67% što predstavlja preko 1 kilogram. Kalcijum ima veliku ulogu u ljudskom organizmu:

aktivator enzima
provođenje bioelektričnih impulsa
udeo u zgrušavanju krvi
udeo u grčenju mišića
udeo u proizvodnji hormona

Nivo kalcijuma u krvi zavisi od:

količine kalcijuma koja se unosi ishranom
količine kalcijuma u namirnicama
stepene izbacivanja kalcijuma sa mokraćom

Kalcijum je takođe neophodan sastojak u ćelijama biljaka.

Reference uredi

^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (II izd.). Oxford: Butterworth-Heinemann. str. 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. str. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.
^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). 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. Pristupljeno 20. 5. 2015.
^ „Calcium”. laborlexikon.de. Pristupljeno 21. 5. 2011. |first1= zahteva |last1= u Authors list (pomoć)
^ 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. str. 271—304. PMID 116800.
^ ^a ^b Guder WG; Nolte J, ur. (2005). Das Laborbuch für Klinik und Praxis (1 izd.). Elsevier, Urban und Fischer. ISBN 978-3-437-23340-1.
^ Greška kod citiranja: Nevažeća oznaka <ref>; nema teksta za reference pod imenom Greenwood110.

Literatura uredi

Holleman A. F.; Wiberg E. (2001). Inorganic Chemistry (1st izd.). San Diego: Academic Press. ISBN 0-12-352651-5.
Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (II izd.). 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.

Spoljašnje veze uredi

Vitaminologija
Kalcijum
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 izd.). Oxford: Butterworth-Heinemann. str. 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. str. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.

[Housecroft3rd-5] Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). 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. Pristupljeno 20. 5. 2015.

[framce-10] „Calcium”. laborlexikon.de. Pristupljeno 21. 5. 2011. |first1= zahteva |last1= u Authors list (pomoć)

[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. str. 271—304. PMID 116800.

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

[Greenwood110-13] Greška kod citiranja: Nevažeća oznaka <ref>; nema teksta za reference pod imenom Greenwood110.

[5]

[1]

[2]

[3]

[4]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]