Calcio

El nombre del elemento proviene del lat. calx (en el caso genitivo calcis ) - "cal", "piedra blanda". Fue propuesta por el químico inglés Humphry Davy , quien en 1808 aisló el calcio metal por el método electrolítico . Davy electrolizó una mezcla de cal apagada húmeda con óxido de mercurio HgO en una placa de platino , que era el ánodo . El cátodo era un alambre de platino sumergido en mercurio líquido . Como resultado de la electrólisis , se obtuvo una amalgama de calcio . Habiendo eliminado el mercurio de él, Davy recibió un metal llamado calcio.

Los compuestos de calcio: piedra caliza , mármol , yeso (así como la cal , un producto de la quema de piedra caliza) se han utilizado en la construcción desde hace varios milenios. Hasta finales del siglo XVIII, los químicos consideraban a la cal como un cuerpo simple. En 1789, A. Lavoisier sugirió que la cal, la magnesia , la barita , la alúmina y la sílice son sustancias complejas.

Estar en la naturaleza

Debido a la alta actividad química del calcio en forma libre en la naturaleza no se encuentra.

El calcio representa el 3,38% de la masa de la corteza terrestre ( quinto lugar en abundancia después del oxígeno , el silicio , el aluminio y el hierro ). El contenido del elemento en el agua de mar es de 400 mg/l [4] .

Isótopos

El calcio se presenta en la naturaleza en forma de una mezcla de seis isótopos : 40Ca , 42Ca , 43Ca , 44Ca , 46Ca y 48Ca , entre los cuales el más común, el 40Ca , tiene un 96,97%. Los núcleos de calcio contienen el número mágico de protones: Z = 20 . isótopos40
20Californiaveinte
y48
20California28
son dos de los cinco núcleos doblemente mágicos que existen en la naturaleza .

De los seis isótopos de calcio naturales, cinco son estables. El sexto isótopo 48Ca , el más pesado de los seis y muy raro (su abundancia isotópica es solo del 0,187%), sufre una doble desintegración beta con una vida media de (4,39 ± 0,58)⋅10 19 años [5] [6] [ 7 ] .

En rocas y minerales

El calcio, que migra vigorosamente en la corteza terrestre y se acumula en varios sistemas geoquímicos, forma 385 minerales (el cuarto en número de minerales).

La mayor parte del calcio está contenido en la composición de silicatos y aluminosilicatos de varias rocas ( granitos , gneises , etc.), especialmente en feldespato - anortita Ca[Al 2 Si 2 O 8 ].

Minerales de calcio como calcita CaCO 3 , anhidrita CaSO 4 , alabastro CaSO 4 0.5H 2 O y yeso CaSO 4 2H 2 O, fluorita CaF 2 , apatitas Ca 5 (PO 4 ) 3 (F, Cl, OH), dolomita MgCO 3 CaCO3 . _ La presencia de sales de calcio y magnesio en el agua natural determina su dureza .

Roca sedimentaria, constituida principalmente por calcita criptocristalina - caliza (una de sus variedades es la creta ). Bajo la acción del metamorfismo regional , la piedra caliza se transforma en mármol .

Migración en la corteza terrestre

En la migración natural del calcio, el "equilibrio del carbonato" juega un papel importante, asociado con la reacción reversible de la interacción del carbonato de calcio con el agua y el dióxido de carbono con la formación de bicarbonato soluble:

{\mathsf {CaCO_{3}+H_{2}O+CO_{2}\rightleftarrows Ca(HCO_{3})_{2}\rightleftarrows Ca^{{2+}}+2HCO_{3}^{{ -}}}}

(el equilibrio se desplaza hacia la izquierda o hacia la derecha dependiendo de la concentración de dióxido de carbono).

La migración biogénica juega un papel importante.

En la biosfera

Los compuestos de calcio se encuentran en casi todos los tejidos animales y vegetales ( ver más abajo ). Una cantidad significativa de calcio es parte de los organismos vivos. Entonces, hidroxiapatita Ca 5 (PO 4 ) 3 OH, o, en otra entrada, 3Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca (OH) 2 - la base del tejido óseo de los vertebrados, incluidos los humanos; las conchas y caparazones de muchos invertebrados, cáscaras de huevo, etc. están compuestos de carbonato de calcio CaCO 3. En tejidos vivos de humanos y animales, 1.4-2% Ca (por fracción de masa); en un cuerpo humano que pesa 70 kg , el contenido de calcio es de aproximadamente 1,7 kg (principalmente en la composición de la sustancia intercelular del tejido óseo).

Propiedades físicas

El metal calcio existe en dos modificaciones alotrópicas . Hasta 443 ° C , α -Ca con una red cúbica centrada en las caras es estable (parámetro a \ u003d 0.558 nm ), β -Ca es estable arriba con una red cúbica centrada en el cuerpo del tipo α -Fe (parámetro a \ u003d 0,448 nm ). La entalpía estándar de la transición α → β es 0,93 kJ/mol . $\Delta H^{0}$

Con un aumento gradual de la presión, comienza a mostrar las propiedades de un semiconductor , pero no se convierte en un semiconductor en el sentido completo de la palabra (ya no es un metal tampoco). Con un mayor aumento de la presión, vuelve al estado metálico y comienza a exhibir propiedades superconductoras (la temperatura de superconductividad es seis veces más alta que la del mercurio y supera con creces la conductividad de todos los demás elementos). El comportamiento único del calcio es similar en muchos aspectos al estroncio (es decir, se conservan los paralelos en el sistema periódico) [8] .

Propiedades químicas

El calcio es un metal alcalinotérreo típico . La reactividad del calcio es alta, pero menor que la de los metales alcalinotérreos más pesados. Reacciona fácilmente con el oxígeno, el dióxido de carbono y la humedad del aire, por lo que la superficie del calcio metálico suele ser de color gris opaco, por lo que el calcio suele almacenarse en el laboratorio, como otros metales alcalinotérreos, en un frasco bien cerrado debajo de una capa. de queroseno o parafina líquida .

En la serie de potenciales estándar, el calcio se encuentra a la izquierda del hidrógeno . El potencial de electrodo estándar del par Ca 2+ / Ca 0 −2.84 V , de modo que el calcio reacciona activamente con el agua, pero sin ignición:

\mathsf{Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2\uparrow}

Con los no metales activos ( oxígeno , cloro , bromo , yodo ), el calcio reacciona en condiciones normales:

\mathsf{2Ca + O_2 \rightarrow 2CaO}

{\displaystyle {\mathsf {Ca+Br_{2}\rightarrow CaBr_{2))))

Como todos los demás metales, el calcio también se caracteriza por el desplazamiento de metales menos activos de sus sales:

{\ce {Ca + FeCl2 -> CaCl2 + Fe}}

Cuando se calienta en aire u oxígeno, el calcio se enciende y arde con una llama roja con un tinte anaranjado ("rojo ladrillo"). Con no metales menos activos ( hidrógeno , boro , carbono , silicio , nitrógeno , fósforo y otros), el calcio interactúa cuando se calienta, por ejemplo:

{\displaystyle {\mathsf {Ca+H_{2}\rightarrow CaH_{2))))

{\displaystyle {\mathsf {Ca+6B\rightarrow CaB_{6))))

{\displaystyle {\mathsf {3Ca+N_{2}\rightarrow Ca_{3}N_{2))))

{\displaystyle {\mathsf {Ca+2C\rightarrow CaC_{2))))

{\displaystyle {\mathsf {3Ca+2P\rightarrow Ca_{3}P_{2))))

{\mathsf {2Ca+Si\rightarrow Ca_{2}Si))

Además del fosfuro de calcio Ca 3 P 2 y el siliciuro de calcio Ca 2 Si obtenidos en estas reacciones , también se conocen composiciones de fosfuro de calcio de CaP y CaP 5 y siliciuros de calcio de CaSi, Ca 3 Si 4 y CaSi 2 .

El curso de las reacciones anteriores, por regla general, va acompañado de la liberación de una gran cantidad de calor. En todos los compuestos con no metales, el estado de oxidación del calcio es +2. La mayoría de los compuestos de calcio con no metales se descomponen fácilmente con el agua, por ejemplo:

{\mathsf {CaH_{2}+2H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+2H_{2}\uparrow ))

{\mathsf {Ca_{3}N_{2}+6H_{2}O\rightarrow 3Ca(OH)_{2}+2NH_{3}\uparrow ))

El ion Ca 2+ es incoloro. Cuando se agregan sales de calcio solubles a la llama, la llama se vuelve roja como un ladrillo.

Las sales de calcio como el cloruro de CaCl 2 , el bromuro de CaBr 2 , el yoduro de CaI 2 y el nitrato de Ca(NO 3 ) 2 son altamente solubles en agua. El fluoruro de CaF 2 , el carbonato de CaCO 3 , el sulfato de CaSO 4 , el ortofosfato de Ca 3 (PO 4 ) 2 , el oxalato de CaC 2 O 4 y algunos otros son insolubles en agua .

Es importante el hecho de que, a diferencia del carbonato de calcio CaCO 3 , el carbonato de calcio ácido (hidrocarbonato) Ca (HCO 3 ) 2 es soluble en agua. En la naturaleza, esto conduce a los siguientes procesos. Cuando la lluvia fría o el agua de los ríos, saturada de anhídrido carbónico , penetra bajo tierra y cae sobre las calizas , se observa su disolución, y en aquellos lugares donde sale a la superficie de la tierra agua saturada de bicarbonato de calcio y es calentada por los rayos del sol, la se produce la reacción inversa

{\displaystyle {\mathsf {CaCO_{3}+CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows Ca(HCO_{3})_{2))))

Entonces en la naturaleza hay una transferencia de grandes masas de sustancias. Como resultado, se pueden formar enormes cavidades kársticas y depresiones bajo tierra , y hermosos " carámbanos " de piedra ( estalactitas y estalagmitas ) se forman en las cuevas .

La presencia de bicarbonato de calcio disuelto en el agua determina en gran medida la dureza temporal del agua. Se llama temporal porque al hervir el agua se descompone el bicarbonato y precipita el CaCO 3 . Este fenómeno conduce, por ejemplo, al hecho de que se forman incrustaciones en la tetera con el tiempo .

Conseguir

El calcio metálico libre se obtiene por electrólisis de una masa fundida formada por CaCl 2 (75-80 %) y KCl o por CaCl 2 y CaF 2 , así como por reducción aluminotérmica de CaO a 1170-1200 °C ${\mathsf {4CaO+2Al\rightarrow CaAl_{2}O_{4}+3Ca))$

Aplicación

El principal uso del calcio metal es como agente reductor en la producción de metales, especialmente níquel, cobre y acero inoxidable. El calcio y su hidruro también se utilizan para producir metales difíciles de reducir como el cromo , el torio y el uranio . Las aleaciones de calcio y plomo se utilizan en algunos tipos de baterías y en la fabricación de cojinetes. Los gránulos de calcio también se utilizan para eliminar las trazas de aire de los dispositivos de electrovacío. El calcio metálico puro se usa ampliamente en metalotermia en la producción de elementos de tierras raras [9] .

El calcio se usa ampliamente en metalurgia para desoxidar el acero junto con el aluminio o en combinación con él. El procesamiento fuera del horno con alambres que contienen calcio ocupa una posición de liderazgo debido al efecto multifactorial del calcio sobre el estado fisicoquímico de la masa fundida, la macro y microestructura del metal, la calidad y las propiedades de los productos metálicos y es una parte integral parte de la tecnología de producción de acero [10] . En la metalurgia moderna, el alambre de inyección se usa para introducir calcio en la masa fundida, que es calcio (a veces silicocalcio o aluminio calcio) en forma de polvo o metal prensado en una carcasa de acero. Junto con la desoxidación (eliminación del oxígeno disuelto en el acero), el uso de calcio permite obtener inclusiones no metálicas que son favorables en naturaleza, composición y forma, que no colapsan durante operaciones tecnológicas posteriores [11] .

El isótopo 48 Ca es uno de los materiales más efectivos y útiles para la producción de elementos superpesados y el descubrimiento de nuevos elementos en la tabla periódica . Esto se debe a que el calcio-48 es un núcleo doblemente mágico [12] , por lo que su estabilidad le permite ser lo suficientemente rico en neutrones para un núcleo ligero; la síntesis de núcleos superpesados requiere un exceso de neutrones.

Rol biológico

El calcio es un macronutriente común en el cuerpo de plantas, animales y humanos. En humanos y otros vertebrados, la mayor parte se encuentra en el esqueleto y los dientes . El calcio se encuentra en los huesos en forma de hidroxiapatita [ 13 ] . Los "esqueletos" de la mayoría de los grupos de invertebrados (esponjas, pólipos de coral, moluscos, etc.) consisten en varias formas de carbonato de calcio (cal). Los iones de calcio están involucrados en los procesos de coagulación de la sangre y también sirven como uno de los segundos mensajeros universales dentro de las células y regulan una variedad de procesos intracelulares: contracción muscular , exocitosis , incluida la secreción de hormonas y neurotransmisores . La concentración de calcio en el citoplasma de las células humanas es de aproximadamente 10 −4 mmol/l , en los fluidos intercelulares de aproximadamente 2,5 mmol/l .

La necesidad de calcio depende de la edad. Para adultos de 19 a 50 años y niños de 4 a 8 años inclusive, el requerimiento diario (RDA) es de 1000 mg [14] , y para niños de 9 a 18 años inclusive, 1300 mg por día [14] . En la adolescencia es muy importante la ingesta adecuada de calcio debido al intenso crecimiento del esqueleto. Sin embargo, según estudios en los Estados Unidos, solo el 11% de las niñas y el 31% de los niños de 12 a 19 años alcanzan sus necesidades [15] . En una dieta equilibrada, la mayor parte del calcio (alrededor del 80 %) entra en el organismo del niño con los productos lácteos . El calcio restante proviene de los cereales (incluidos el pan integral y el trigo sarraceno), las legumbres, las naranjas , verdes , nueces. La absorción de calcio en el intestino ocurre de dos maneras: a través de las células intestinales (transcelularmente) e intercelularmente (paracelularmente). El primer mecanismo está mediado por la acción de la forma activa de la vitamina D ( calcitriol ) y sus receptores intestinales. Desempeña un papel importante en la ingesta de calcio de baja a moderada. Con un mayor contenido de calcio en la dieta, la absorción intercelular comienza a desempeñar el papel principal, lo que se asocia con un gran gradiente de concentración de calcio. Debido al mecanismo transcelular, el calcio se absorbe en mayor medida en el duodeno (debido a la mayor concentración de receptores en calcitriol allí). Debido a la transferencia pasiva intercelular, la absorción de calcio es más activa en las tres secciones del intestino delgado. La absorción de calcio es promovida paracelularmente por la lactosa (azúcar de la leche).

La absorción de calcio se ve obstaculizada por algunas grasas animales [16] (incluida la grasa de leche de vaca y el sebo de res, pero no la manteca de cerdo ) y el aceite de palma . Los ácidos grasos palmítico y esteárico contenidos en tales grasas se escinden durante la digestión en los intestinos y, en forma libre, se unen firmemente al calcio, formando palmitato de calcio y estearato de calcio ( jabones insolubles ) [17] . En la forma de este jabón con silla, se pierden tanto calcio como grasa. Este mecanismo es responsable de la reducción de la absorción de calcio [18] [19] [20] , la disminución de la mineralización ósea [21] y la reducción de las medidas indirectas de la fuerza ósea [22] [23] en lactantes con fórmula infantil a base de aceite de palma (oleína de palma) . En estos niños, la formación de jabones de calcio en los intestinos se asocia con el endurecimiento de las heces [24] [25] , una disminución de su frecuencia [24] , así como regurgitaciones más frecuentes [26] y cólicos [23] .

La concentración de calcio en la sangre, debido a su importancia para un gran número de procesos vitales, está regulada con precisión, y con una nutrición adecuada y una ingesta suficiente de lácteos bajos en grasa y vitamina D, no se produce deficiencia. La deficiencia prolongada de calcio y/o vitamina D en la dieta aumenta el riesgo de osteoporosis y provoca raquitismo en la infancia .

Las dosis excesivas de calcio y vitamina D pueden causar hipercalcemia . La dosis máxima segura para adultos de 19 a 50 años inclusive es de 2500 mg por día [27] (alrededor de 340 g de queso Edam [28] ).

Principales fuentes de calcio en los alimentos

El contenido de calcio en los productos se determina en función de la porción promedio de cada tipo de producto alimenticio. Además del propio contenido de calcio, también es importante su biodisponibilidad . En general, los alimentos de origen animal contienen más calcio que los vegetales. La mayor cantidad de calcio se encuentra en los productos lácteos (pero solo se absorbe del 27 al 30 % del calcio), el pescado enlatado (debido a los huesos comestibles), las nueces y las semillas (la biodisponibilidad del calcio es en promedio del 20 % ), las legumbres ( frijoles ). , garbanzos , lentejas , frijol mungo ) , guisantes , soja , edamame , que también contienen sustancias que impiden la absorción de calcio, y para aumentar su biodisponibilidad es mejor calentarlos), algunas verduras ( berros , bok choy , lechuga , brócoli ), algunas frutas y bayas [29] :

Alimentos con mayor contenido de calcio [30]

Producto	Porción estándar	Contenido de calcio, mg	Porcentaje de la ingesta diaria de calcio, %
yogur bajo en grasa sin aditivos	227 g (8 onzas de peso )	415	32
jugo de naranja fortificado con calcio	200 ml (1 taza)	349	27
yogur de frutas bajo en grasa	227 gramos	344	27
queso mozzarella	42,5 g (1,5 onzas)	333	26
sardinas enlatadas con hueso	85 g (3 onzas)	325	25
leche desnatada y leche de soja	200ml	299	23
leche de soya fortificada con calcio	200ml	299	23
leche entera 3,25% grasa	200ml	276	21
tofu duro cocido en solución de sulfato de calcio	100ml	253	19
salmón rosado enlatado con espinas	85 gramos	181	catorce
requesón con un contenido de grasa del 1%	200ml	138	once
tofu suave cocido en solución de sulfato de calcio	100ml	138	once
soja hervida	100ml	131	diez
espinacas hervidas	100ml	123	9
yogur helado suave (vainilla)	100ml	103	ocho
nabo verde fresco hervido	100ml	99	ocho
repollo fresco después de cocinar	200ml	94	7
semillas de chia	1 cucharada	76	6
bok choy de repollo chino fresco (picado)	100ml	74	6
frijoles enlatados (sin líquido)	100ml	54	cuatro
tortilla de maíz con un diámetro de 15 cm		46	cuatro
crema agria baja en grasa	2 cucharadas	31	2
pan integral	1 rebanada	treinta	2
repollo picado crudo	200ml	24	2
brócoli crudo	100ml	21	2
manzana dorada	fruta de tamaño mediano	diez	0

El contenido de calcio en la leche depende en gran medida de su contenido de grasa: en la leche grasa, la concentración de calcio es menor [30] .

Notas

↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Pesos atómicos de los elementos 2011 (Informe Técnico IUPAC ) // Química Pura y Aplicada . - 2013. - Vol. 85 , núm. 5 . - P. 1047-1078 . -doi : 10.1351 / PAC-REP-13-03-02 .
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Literatura

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Enlaces

diccionarios y enciclopedias

En catálogos bibliográficos
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Sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev

una

una

Él

Ser

Mes

Real academia de bellas artes

Soy

Metales alcalinos	metales alcalinotérreos	lantánidos	actínidos	metales de transición
metales ligeros	semimetales	no metales	halógenos	Gases nobles

Serie de actividad electroquímica de los metales.
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , Th , Np , U , Hf , Be , Al , Ti , Zr , Yb , Mn , V , Nb , Pa , Cr , Zn , Ga , Fe , Cd , In , Tl , Co , Ni , Te , Mo , Sn , Pb , H 2 , W , Sb , Bi , Ge , Re , Cu , Tc , Te , Rh , Po , Hg , Ag , Pd , Os , Ir , Pt , Au