カルシウム：プロパティ、構造、取得、使用 - 化学 - 2025

カルシウムは、 2（氏Becambara）周期律表に属するアルカリ土類金属です。この金属は、地球の地殻に存在する元素の中で5番目に多く含まれています。鉄とアルミニウムの後ろ。化学記号Caで表され、原子番号は20です。

カルシウムは地球の地殻の3.64％を占め、人体の中で最も豊富な金属であり、その重量の2％を占めます。彼は本質的に自由ではありません。しかし、それは多くのミネラルや化合物の一部です。

酸素や湿気から鉱物油を保護するために鉱物油に保存された高純度の金属カルシウム。ソース：2×910

たとえば、石灰岩の一部である鉱物方解石に含まれています。炭酸カルシウムは、大理石、ドロマイト、卵殻、サンゴ、真珠、鍾乳石、石筍、および多くの海洋動物やカタツムリの殻として地球に存在します。

さらに、カルシウムは、石膏、硬石膏、蛍石、アパタイトなどの他のミネラルの一部です。それが文化レベルで骨と同意語であることは驚くことではありません。

空気にさらされると、カルシウムは黄色がかったコーティングで覆われます。これは、酸化カルシウム、窒化物、水酸化物の混合物の生成物です。ただし、切りたての表面は光沢があり、銀色がかった白っぽい。モース硬度1.75の柔らかさです。

カルシウムは生物の中で多くの機能を果たしますが、カルシウムは骨系の構造と機能を決定する化合物の一部です。第IV因子として識別されるいくつかの凝固因子を活性化することにより、凝固カスケードに介入します。

さらに、カルシウムは筋収縮に関与しており、収縮性タンパク質（アクチンとミオシン）の結合を可能にします。アセチルコリンを含むいくつかの神経伝達物質の放出を促進します。

化学的には、ほとんどの場合、2価カチオンCa ²⁺などの有機化合物または無機化合物に関与します。配位数が最も高いカチオンの1つです。つまり、同時に複数の分子またはイオンと相互作用できます。

歴史

古代に

石灰（CaO）や石膏（CaSO ₄）などのカルシウム化合物は、化学構造を無視して、何千年もの間人類によって使用されてきました。建築材料としての石灰と彫刻を作るための石膏は、紀元前7,000年使用されました

メソポタミアでは紀元前2,500年に使用された石灰窯が見つかりましたが、ギザの大ピラミッドの建設中に石膏が使用されました。

識別と分離

ジョセフ・ブラック（1755）は、石灰はその起源となる石灰岩（炭酸カルシウム）よりも軽いと説明しました。これは、加熱中に二酸化炭素を失うためです。

Antoine Lavoiser（1787）は、石灰は未知の化学元素の酸化物であるに違いないと結論付けました。

ハンフリーデービー卿（1808年）は、ホウ素を発見した年に、ジャカルベルゼリウスとマグナスマーティンが使用した電解技術を使用して、カルシウムについても同じことを行いました。

デービーは同じ実験計画を使用してカルシウムとマグネシウムを分離しました。彼は、陽極（+）として使用されるプラチナプレート上で酸化カルシウムと酸化水銀（II）を混合しましたが、陰極（-）は部分的に水銀に沈められたプラチナワイヤでした。

電気分解により、カルシウムと水銀のアマルガムが生成されました。カルシウムを精製するために、アマルガムを蒸留した。しかし、純粋なカルシウムは得られませんでした。

プロパティ

身体的特徴

銀色がかった白っぽい金属で、空気に触れると灰色がかった白に変わります。湿った空気では、曇った青灰色になります。固体または乾燥粉末。顔を中心とした結晶構造。

原子量

40.078 g / mol。

融点

842°C

沸点

1,484°C

密度

-1.55 g / cm ³、室温で。

融点で液体状態の-1.378 g / cm ³。

融合熱

8.54 kJ / mol。

気化熱

154.7 kJ / mol。

モルカロリー容量

25.929 J /（mol・K）。

比熱容量

0.63 J / gK

電気陰性

ポーリングスケールで1.0

イオン化エネルギー

-最初のイオン化589.8 kJ / mol

-2回目のイオン化1,145 kJ / mol

-3番目のイオン化4.912 kJ / mol

-4番目のイオン化6,490.57 kJ / molで、さらに4つのイオン化エネルギーがあります。

原子ラジオ

午後19時

共有結合半径

176±10 pm

熱膨張

20°Cで22.3 µm / m・K

熱伝導

201 W / m K

電気抵抗率

20°Cで336nΩ・m。

硬度

Mohsスケールで1.75。

同位体

カルシウム6つの天然の同位元素有する⁴⁰ CA、⁴² CA、⁴³ CA、⁴⁴のCa、⁴⁶ Ca及び⁴⁸ Caおよび19の放射性同位体を合成。最も豊富な同位体は、⁴⁰ Ca（96.94％）、⁴⁴ Ca（2.086％）、⁴² Ca（0.647％）です。

反応性

カルシウムは自然に水と反応し、水酸化カルシウムと水素ガスを生成します。空気中の酸素と窒素と反応し、それぞれ酸化カルシウムと窒化カルシウムを生成します。分裂すると、自然に空気中で燃焼します。

カルシウムが加熱されると、それは水素と反応してハロゲン化物を形成します。また、すべてのハロゲンと反応してハロゲン化物を形成します。また、ホウ素、硫黄、炭素、リンとも反応します。

カルシウムの構造と電子配置

カルシウム原子は金属結合によって結合され、2つの価電子が電子の潮汐に寄与します。したがって、Ca原子と結果の電子バンドの間の相互作用は、最終的には面心立方構造（ccc、スペイン語、またはfcc、英語、面心立方）の結晶を定義することになります。

このカルシウムccc結晶が約450°Cの温度に加熱されると、hcp相（コンパクトな六角形、または最も近いパックされた六角形）に遷移します。つまり、電子の動きや原子の振動がそれらを隔てる距離を縮めたように、構造はより緻密になります。

カルシウム原子には次の電子配置があります。

4秒²

これは、この金属の2つの価電子がその最も外側の4 s軌道から来ていることを説明します。それらが失われると、希ガスのアルゴンと等電子である二価カチオンCa ^{2+が形成され}ます。つまり、ArとCa ²⁺は同じ数の電子を持っています。

これらの結晶の価電子帯を確立するために結合するのは、カルシウムの4s軌道です。同じことが、伝導帯を確立する空の4p軌道でも起こります。

入手

カルシウムは、溶融塩化カルシウムの電気分解によって商業的に生産されます。以下の反応が電極で起こります：

アノードで：2CL ^-（L）=>のCl ₂（G）+ 2E ^-

カルシウムは、イオン性カルシウムから電子を捕獲することにより、カソード上に金属として堆積します。

カソードで：Ca ²⁺（l）+ 2 e ^- => Ca（s）

小規模では、酸化カルシウムをアルミニウムで、塩化カルシウムを金属ナトリウムで還元することにより、カルシウムを生成できます。

6 CaO + 2 Al => 3 Ca + Ca ₃ Al ₂ O ₆

CaCl ₂ + 2 Na => Ca + NaCl

用途

元素カルシウム

カルシウムはガラス電球の製造における添加剤として使用され、初期の製造段階で電球に添加されます。また、バルブの内側に残っているガスと結合するように最後に追加されます。

銅や鋼などの金属の製造における崩壊剤として使用されます。ライターのフリントにカルシウムとセシウムの合金を使用して火花を発生させます。カルシウムは還元剤ですが、脱酸および脱酸の用途もあります。

カルシウムは、クロム、トリウム、ウラン、ジルコニウムなどの金属の酸化物からの調製に使用されます。アルミニウム、銅、鉛、マグネシウム、およびその他の卑金属の合金化剤として使用されます。いくつかの高温合金の脱酸剤として。

鉛と合金化されたカルシウム（0.04％）は、電話ケーブルのシースとして機能します。それはそれらの寿命を延ばすために整形外科用インプラントのマグネシウムと合金で使用されます。

炭酸カルシウム

セラミック、ガラス、プラスチック、塗料のフィラー材料であり、石灰製造の原料でもあります。高純度の合成炭酸塩は、制酸剤や食事性カルシウムのサプリメントとして薬用に使用されています。食品添加物としても使用されています。

酸化カルシウム

酸化カルシウムは建設業界で使用され、壁のベニヤリングで使用されています。また、コンクリートに組み込まれています。19世紀には、ステージに強い白色光を当てるために、酸化カルシウムのブロックが焼かれました。

ライム（ここでも酸化カルシウム）は、鉄材料に存在する二酸化ケイ素（SiO ₂）などの不要な成分を鋼から除去するために使用されます。反応の生成物は、「スラグ」と呼ばれるケイ酸カルシウム（CaSiO ₃）です。

ライムは水と結合して水酸化カルシウムを形成します。この化合物は凝集して沈み、不純物をタンクの底に引きずります。

煙突の内部は石灰で裏打ちされ、工場からの煙を取り除きます。たとえば、酸性雨の原因となる二酸化硫黄（SO ₂）を捕捉し、亜硫酸カルシウム（CaSO ₃）に変換します。

塩化カルシウム

塩化カルシウムは道路上の氷を制御するために使用されます。ジャムに存在するトマトのためのコンディショナー; 車とトラックの車体の製造。

硫酸カルシウム

土壌改良剤として使用されているCaSO ₄・2H ₂ O（石膏）として一般的に提示されます。焼成石膏は、タイル、ボード、スラットの製造に使用されます。骨折の固定にも使用されます。

リン酸カルシウム

リン酸カルシウムは自然界にさまざまな形で見られ、肥料として使用されます。酸性カルシウム塩（CaH ₂ PO ₄）は、プラスチックの肥料や安定剤として使用されます。リン酸カルシウムは骨組織の一部として、特にヒドロキシアパタイトとして見られます。

その他のカルシウム化合物

さまざまな用途のカルシウム化合物が数多くあります。たとえば、炭化カルシウムは、溶接トーチで使用されるアセチレンを得るために使用されます。アルギン酸カルシウムは、アイスクリームなどの食品の増粘剤として使用されます。

次亜塩素酸カルシウムは、漂白剤、消臭剤、殺菌剤、殺藻剤として使用されます。

過マンガン酸カルシウムはロケット推進液です。また、浄水剤や繊維製品にも使用されています。

生体機能

カルシウムは生物の多くの機能を果たします：

-第IV因子として凝固カスケードに介入します。

-トロンビンを含むいくつかの凝固因子の活性化に必要です。

-骨格筋では、カルシウムが筋肉収縮に対するタンパク質系の抑制作用を解放し、収縮を引き起こすアクチン-ミオシンブリッジの形成を可能にします。

-興奮性細胞のイオンチャネルを安定させます。低カルシウム血症では、ナトリウムチャネルが活性化され、ナトリウムが細胞内に入り、致命的な持続性収縮（破傷風）が発生します。

さらに、カルシウムはシナプス前終末での神経伝達物質アセチルコリンの放出を促進します。

リスクと予防策

水と発熱反応します。したがって、一度摂取すると、口、食道、胃に深刻な損傷を与える可能性があります。

カルシウム元素が生成される場所や金属が適用される場所では、労働者はこのリスクにさらされます。予防策は、ほこり、衣類、および適切な換気の呼吸を回避するマスクで身を守ることです。

高カルシウム血症は非常に危険であり、主に副甲状腺ホルモンの過剰分泌またはビタミンDの過剰摂取によって引き起こされる可能性があります。たとえば、2.5 g /日を超える過剰なカルシウム摂取は、高カルシウム血症の原因になることはめったにありません。

過剰なカルシウムが腎臓に蓄積し、腎臓結石と腎ネフローゼを引き起こします。さらに、血管壁にカルシウムが蓄積すると、血管壁の弾性が変化し、高血圧、血流低下、血栓症の原因となる可能性があります。

基本的な予防策は、医師が患者の症状の特徴を観察して高カルシウム血症を疑い、適切な治療を開始するときに、臨床検査にカルシウム血症を含めることです。

参考文献

1. W.ハル。（1921）。カルシウムの結晶構造。doi.org/10.1103/PhysRev.17.42
2. ウィキペディア。（2019）。カルシウム。から回復：en.wikipedia.org
3. Advameg、Inc.（2019）。カルシウム。化学の説明。回収元​​：chemistryexplained.com
4. ティモシーP.ハヌサ。（2019年1月11日）。カルシウム。百科事典ブリタニカ。リカバリー元：britannica.com
5. 国立バイオテクノロジー情報センター。（2019）。カルシウム。PubChemデータベース。CID = 5460341。リカバリー元：pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. WebElements。（2019）。カルシウム：必需品。回収元​​：webelements.com