Kalcis

Kalcis (Ca)
Periodinė grupė	Šarminių žemių metalas
Atomo numeris	20
Išvaizda	sidabriškai balta
Atomo savybės
Atominė masė (Molinė masė)	40,078(4) а.m.v. (g/mol)
Atomo spindulys	197 pm
Jonizacijos energija (pirmas elektronas)	589,8 kJ/mol (eV)
Elektronų konfigūracija	[Ar] 4s²
Cheminės savybės
Kovalentinis spindulys	174 pm
Jono spindulys	? pm
Elektroneigiamumas	1 (pagal Polingą)
Elektrodo potencialas	?
Oksidacijos laipsniai	?
Termodinaminės savybės
Tankis	1,55 g/cm³
Šiluminė talpa	? J/(K·mol)
Šiluminis laidumas	200 W/(m·K)
Lydymosi temperatūra	1112 K
Lydymosi šiluma	8,529 kJ/mol
Virimo temperatūra	1757 K
Garavimo šiluma	154,67 kJ/mol
Molinis tūris	25,86 cm³/mol
Kristalinė gardelė
Kristalinė gardelė	?
Gardelės periodas	? Å

Kalcis (Calcium, Ca), periodinės elementų sistemos II grupės šarminių žemių metalų pogrupio cheminis elementas. Atomų skaičius 20, atomų masė 40,08. Išorinių elektronų konfigūracija 4s². Oksidacijos laipsnis junginiuose +2. Gamtinis kalcis yra 6 stabilių izotopų mišinys, didžiausią dalį (96,97 %) sudaro ⁴⁰Ca. Žemės plutoje kalcio yra 2,96 % (pagal masę), tai penktas pagal gausumą elementas (po deguonies, silicio, aliuminio ir geležies). Gamtoje randamas tik mineralų pavidalu. Svarbiausias iš jų yra feldšpatas (anortitas) Ca[Al₂Si₂O₈], gipsas CaSO₄·2H₂O, dolomitas CaCO₃·MgCO₃, kalcitas CaCO₃, fluoritas CaF₂.

Bendroji charakteristika

Kalcio liepsnos testas

Kalcis – sidabriškai baltos spalvos metalas. Iki 300 °C temperatūros kalcio kristalai (α modifikacija) turi kubinę centrasienę gardelę, aukštesnėje temperatūroje egzistuoja heksagoninė β modifikacija. Kalcio lydymosi temperatūra 851 °C, virimo 1482 °C, tankis 1540 kg/m³. Kietumas pagal Brinelį HB 20–30. Grynas kalcis plastiškas, lengvai presuojamas, valcuojamas. Chemiškai labai aktyvus. Oro deguonis kalcį lengvai oksiduoja, susidaro kalcio oksidas, todėl kalcis laikomas hermetiškame inde arba alyvoje. Tirpdamas vandenyje, sudaro kalcio hidroksidą Ca(OH) ₂, reaguodamas su rūgštimis (išskyrus azoto), išskiria vandenilį. Su fluoru jungiasi kambario temperatūroje, su chloru ir bromu – aukštesnėje negu 400 °C temperatūroje, sudarydamas kalcio halogenidus: kalcio fluoridą CaF₂, kalcio chloridą CaCl₂ kalcio bromidą CaBr₂. Kaitinant kalcį su siera, gaunamas sulfidas CaS, su vandeniliu – hidridas CaH₂, su azotu – nitridas Ca₃N₂, su anglimi (be oro) – kalcio karbidas CaC₂. Su daugeliu metalų (aliuminiu, auksu, ličiu, magniu, sidabru, švinu, variu) sudaro metališkuosius junginius. Gaunamas, elektrolizuojant kalcio chlorido lydalą arba kaitinant CaO ir aliuminį vakuume 1200 °C temperatūroje: 6CaO H- 2Al→3CaO · Al₂O₃ + 3Ca.

Panaudojimas

Kalcio chloridas

Kalciu metalotermijoje redukuojami metalai (uranas, toris, chromas, vanadis), iš plieno šalinamas deguonis ir siera, valomi naftos produktai, iš inertinių dujų šalinamos azoto priemaišos. Elektrovakuuminiuose prietaisuose kalcis vartojamas kaip geteris. Kalcio dedama į anti-frikcinius lydinius. Jis vartojamas kalcio hidridui CaH₂ (sunkiai redukuojamų oksidų reduktoriui) gauti. Radioaktyviu kalcio izotopu ⁴⁵Ca tiriama medžiagų apykaita gyvuosiuose organizmuose.

Istorija

Kalcio oksidas (nedegtos kalkės) buvo vartojamas jau senovėje. Pavadinimas kilęs iš lotynų kalbos calx, calcis – kalkės (kalkių sudėtyje yra daug kalcio). Metalinį kalcį 1808 metais elektrolizės būdu gavo H. Deivis.

Biologinė reikšmė

Kriauklės didžiąja dalimi sudarytos iš kalcio

Kalcis yra būtinas organizmų gyvybinėms funkcijoms. Jo yra visuose augalų ir gyvūnų audiniuose ir skysčiuose. Augalai ima kalcį iš dirvožemio, gyvūnai ir žmogus gauna su maistu ir vandeniu. Žmogui yra būtinas kalcis. Rekomenduojama dienos norma priklauso nuo amžiaus.

Amžius	Kalcis (mg/dieną)
nuo 0 iki 6 mėnesių	210
nuo 7 iki 12 mėnesių	270
nuo 1 iki 3 metų	500
nuo 4 iki 8 metų	800
nuo 9 iki 18 metų	1300
nuo 19 iki 50 metų	1000
51+ metų	1200

Ląstelėse beveik visas kalcis yra susijungęs su baltymais, nukleino rūgštimis, fosfolipidais, neorganiniais fosfatais, organinėmis rūgštimis. Kalcis sąlygoja ląstelės membranos laidumą, aktyvina fermentus. Ca²⁺ jonai perduoda jaudinimą raumenims, skatina širdies darbą, leukocitų fagocitinę funkciją, aktyvina kraujo apsauginius baltymus, padeda jam krešėti, kalcis yra svarbiausia gyvūnų skeleto (kaulų, koralų, moliuskų kriauklių) dalis. Žinduoliams daugiau kalcio reikia nėštumo, laktacijos metu. Kalcis įsiurbiamas plonosiose žarnose (įsiurbimą skatina tulžies rūgštys). Jo kiekį stuburinių gyvūnų ir žmogaus kraujyje reguliuoja prieskydinės liaukos ir skydliaukės hormonai, vitaminas D. Iš organizmo kalcis šalinamas per žarnyną. Sutrikus kalcio apykaitai, gyvūnų jaunikliai ir vaikai suserga rachitu, suaugę – osteomaliacija, osteoporoze.

Kalcis sudaro 1,5–2 % žmogaus svorio, 99 % žmogaus kalcio yra jo dantyse ir kauluose.

Kalcio šaltinis – pienas ir jo produktai, mineralinis vanduo, riešutai, saulėgrąžos, brokoliai, grūdai, jautiena, sardinės. Daugiausiai kalcio turi fermentinis sūris.

Laisvo kalcio (Ca²⁺) koncentracija ląstelės citoplazmoje labai maža, daug mažesnė, nei paprastai būna už ląstelės ribų. Įvairūs ląstelės receptoriai gali atverti membranoje esančius Ca²⁺ kanalus ir per trumpą laiką ją gerokai padidinti. Į tai reaguoja ląstelėje esantys Ca²⁺ receptoriai (kalmodulinas ir kiti). Ši sistema yra svarbi ląstelės signalinės sistemos dalis. Žemą Ca²⁺ koncentraciją palaiko Ca²⁺-ATFazė, kurios darbas toks efektyvus, jog paveikus Ca²⁺ kanalus membranoje suformuojančiais junginiais dėl suaktyvėjusios šio fermento veiklos Ca²⁺ koncentracija citoplazmoje sumažėja.

Pasirėmus literatūros duomenimis, numanomas ryšys tarp kalcio ir fitochromo pastarojo virsmų sukeliamose augalų reakcijose (Friedman et al., 1989; Takeno, 1993; Moysset et al., 1994). Tačiau tiesiogiai stebėti raudonos bei ilgabangės raudonos šviesos sukeliamus grįžtamus kalcio koncentracijos pokyčius augalinėse ląstelėse pavyko tik palyginti neseniai (Bowler & Chua, 1994). Šiais darbais parodyta, kad ilgabangės raudonos fitochromo formos susidarymą lydi Ca²⁺ koncentracijos citozolyje padidėjimas. Patikimiausi duomenys gauti dygstančioms Onoclea sensibilis sporoms (Wayne & Helper, 1984) ir Triticum aestivum protoplastams (Schaclack, Read ir Trewavas, 1992).

Wayne ir Helper (1984) tyrė fitochromo kontroliuojamą Onoclea sensibilis L. sporų dygimo indukciją. Šioje sistemoje buvo tiesiogiai stebimas raudonos šviesos (660±10 nm) suke­liamas laisvo kalcio koncentracijos citozolyje padidėjimas nuo 0,1 mM iki 10 mM. Ilgabangė raudona šviesa (720±10 nm) panaikindavo raudonos šviesos poveikį: sporos nebedygdavo, Ca²⁺ koncentracija sumažėdavo iki pradinio lygio. Gauti įrodymai, jog raudonos šviesos poveikyje susidaranti fitochromo forma PIR aktyvuoja plazmalemos kalcio kanalus.

Kalcis organizme

Daugiausiai kalcio yra suaugusio žmogaus kauluose ir kraujo plazmoje. Maisto produktai, kuriuose yra oksalatų (rūgštynės, rabarbarai, špinatai), fosfatų ir fitino (miltai, kruopos), trukdo organizmui pasisavinti kalcį, gali netgi susidaryti inkstų akmenys. Riebiosios rūgštys, esančios žarnyne, su kalciu taip pat sudaro netirpstančius junginius, vadinamus kalcio muilu, ir tai trukdo pasisavinti kalcį.

Kalcio kiekį organizme reguliuoja vitaminas D, prieskydinės ir skydinės liaukų hormonai. Jei yra kalcio trūkumas, suminkštėja kaulai, atsiranda rizika susirgti rachitu.

Kalcis mažina nervų sistemos dirglumą, reguliuoja kapiliarų bei ląstelių membranų laidumą, kraujo krešėjimo procesus. Kalcio yra rupaus malimo miltuose, kopūstuose, žemuogėse, kriaušėse, slyvose, piene bei jo produktuose ir kt.

Vikižodynas

Vikiteka