钙

钙（），是一種化學元素，化學符號为**'，原子序數为20，原子量為。鈣是一種銀白色碱土金属，化學活性頗高，暴露于空气下就会形成深色的氧化物和氮化物。它的物理和化學性質與其較重的同族元素鍶（）和鋇（）相似。它是地殼中第五豐富的元素，占地殼總質量3%，也是地殼中第三豐富的金屬，僅次於鐵和鋁。地球上最常見的鈣化合物是存在于石灰岩和早期海洋生物的化石殘骸的碳酸鈣。石膏、硬石膏，螢石和磷灰石也是鈣的來源。钙的名稱源自拉丁語 calx，意为石灰。

雖然在很久以前就已經發現許多鈣的化合物，但是在十七世紀後才開始對這些化合物的性質有更深一層的了解。单质鈣直到1808年才由命名這個元素的漢弗里·戴維藉由電解其氧化物分離出來。鈣化合物有廣泛的工業應用：钙补充剂、在造紙工業中作為漂白劑的使用、水泥和絕緣體的原料以及用于製作肥皂。另一方面，純鈣因為反应性高而用处不多。少量的純鈣用于制造合金，鈣鉛合金也可以做汽車電池。

鈣是人體內第五豐富的元素，也是最豐富的金屬元素。作為電解質，鈣離子在生物體及細胞內的化學反應中扮演重要的角色。鈣離子是第二信使系統的一份子，也是神經元释放的神經遞質之一。它參與肌肉收縮的過程，也是各種酵素的輔因子。

性质
归类
钙是有延展性的银色金属（有时描述为浅黄色），性质和较重的碱土金属镁、锶、钡和镭非常相似。一个钙原子有二十个电子，电子排布为 [Ar]4s2。和其它碱土金属一样，钙在最外层的s轨道里有两个价电子，极易在化学反应中失去它们，产生有稳定的惰性气体电子层结构的二价阳离子。

由于CaX2的标准摩尔生成焓远高于CaX，CaX2的晶格能也远大于CaX，因此钙化合物也多以二价离子化合物存在。

碱土金属中，铍与同族的镁、钙、锶、钡相比差别较大，性质更像铝和锌，且有贫金属的性质，这使得某些地区对“碱土金属”的传统定义会把它排除在外。

物理性质
钙的熔点是842 °C，沸点是1494 °C，这些值比相邻周期的镁和锶都高。它的晶体结构和锶一样是面心立方晶系，超过450 °C时会转变成和镁一样的六方最密堆积结构。钙的密度为1.55 g/cm3，是所有碱土金属中最小的。

钙比铅硬，但仍然可以用刀切割。虽然按体积计算的话，钙的导电性比铜和铝差，但由于其密度非常低，按质量计算的话钙的导电性就会比铜和铝好。尽管钙因为会和空气中的氧气反应，在大多数作为导体的应用中不可用，但有人已考虑将其用于太空。

化学性质
钙的化学性质与碱土金属中的锶、钡相似。举个例子，钙和水反应生成氢氧化钙和氢气的速度比镁快，但比锶慢。它也会和空气中的氧气和氮气反应，形成氧化钙和氮化钙的混合物。细碎的钙会在空气中自发燃烧，形成氮化物。大块的钙的反应性较低，会和空气中的水蒸气反应，但在湿度低于30%下可以无限期保存。
: 2Ca + O2 -> 2CaO 、 3Ca + N2 -> Ca3N2
: 钙在空气中的缓慢氧化

除了简单氧化物CaO以外，钙的过氧化物 CaO2可以由金属钙被高压氧气直接氧化而成，而且有证据表明黄色的超氧化物 Ca(O2)2存在。

钙单质与其氧化物会直接与水发生反应，得到氢氧化钙 Ca(OH)2，其是一种强碱，碱性弱于锶、钡和碱金属的氢氧化物。
: Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2
: 钙、锶、钡单质及其氧化物会与水剧烈反应，而铍和镁与水的反应十分缓慢

钙的四种二卤化物都是已知的，无水氯化钙可用作干燥剂，氟化钙是制取HF和F2的原料。
大多数碱土金属的盐类都难溶于水，碳酸钙（CaCO3）和硫酸钙（CaSO4）都是常见的矿物组成。
: CaCO3 -> CaO + CO2
: 钙的碳酸盐在受热时（1173 K）分解

像锶和钡，以及碱金属和二价的镧系元素铕和镱一样，金属钙可溶于液氨，形成深蓝色溶液。

由于Ca2+离子较大，所以它的配位数也较高，在像是CaZn13的金属间化合物中甚至能达到24。钙会和含氧的螯合剂如EDTA和形成螯合物，这个性质可用于分析化学和在硬水中除去钙离子。在没有空间位阻影响的情况下，越小的碱土金属阳离子形成的配合物越稳定，但当与多齿配体螯合形成大环化合物时，该趋势则相反。

虽然同族的镁可以形成很多常用的有机镁化合物，有机钙化合物却因为更难制造且反应性更强而较少被使用。不过，最近有人已将它们作为可能的催化剂研究。由于Yb2+（102 pm）和Ca2+（100 pm）的离子半径相似，有机钙化合物的性质更像有机镱化合物。

大部分有机钙化合物都只能在低温下合成，而在这些化合物中使用大位阻基团可以增加稳定性。举个例子，二茂钙 Ca(C5H5)2只能由钙和二茂汞或是环戊二烯反应而成，而将C5H5基团替换成更大的C5(CH3)5增加了化合物的溶解度、挥发性和动力学稳定性。
[[File:Ca(aq)6 improved image.tif|thumb|存在于水合氯化钙中的[Ca(H2O)6]2+聚合物的结构，显示钙配合物通常有高配位数]]

同位素
天然钙有五种稳定同位素（40Ca、42Ca、43Ca、44Ca和46Ca）和半衰期长到可以看作稳定的48Ca（半衰期4.3 × 1019年）的混合物。钙是第一种有六个天然同位素的元素。

在分别多出六个和八个中子的核素中，46Ca和48Ca是其中最轻的“稳定”核素。虽然48Ca的中子很多，但它的质子数20和中子数28都是幻数，所以非常稳定。它β衰变成48Sc的过程因为自旋的严重失配而受到很大阻碍：48Ca的自旋为0，而48Sc的自旋为6+，所以衰变被角动量的转化所禁止。因此，48Ca的衰变方式是双β衰变成48Ti，它也是已知会双β衰变的同位素里最轻的。

46Ca理论上也可以双β衰变成46Ti，但这个过程仍未被观察到。最轻也最常见的40Ca的质子数和中子数也都是幻数，理论上可以成40Ar，但这也一样仍未被观察到。40Ca和46Ca的半衰期下限分别为5.9 × 1021年和2.8 × 1015年。

除开几乎稳定的48Ca以外，钙最稳定的放射性同位素是41Ca。它通过电子捕获衰变成41K，半衰期约为十万年。自然界中存在痕量的41Ca，它们是由40Ca中子活化而成的。和。第一个石灰窑可以追溯到公元前2500年，于美索不达米亚的被发现。

石膏（CaSO4·2H2O）是胡夫金字塔的建材，也是图坦卡蒙陵墓中熟石膏的材料。古罗马人则通过使用加热石灰岩（CaCO3）产生的作为建材。钙的名称“calcium”源自拉丁文“calx”，意为石灰。

维特鲁威注意到煅烧石灰岩产生的石灰会比原本的石灰岩轻，并把这个现象归咎于水的沸腾。1755年，约瑟夫·布拉克证明这是因为煅烧过程会释放二氧化碳气体，而它并没有被古罗马人发现到。不过，纯钙不能通过这种方法大量制备，直到一个多世纪后才发现了一种在商业上可行的生产方法。

存在和生产
棉花堡的洞石梯田]]
钙是地球地壳中第五丰富的元素，也是第三丰富的金属，仅次于铝和铁。它也是月陆中第四丰富的元素。碳酸钙沉积岩作为以前的海洋生物的化石残骸，以两种形式遍布地球表面，分别为三方晶系的方解石（更常见）和正交晶系的霞石（在温带海域中形成）。珊瑚、贝壳和珍珠的主要成分都是碳酸钙。除了方解石和霞石，其它重要的钙矿包括石膏（CaSO4·2H2O）、硬石膏（CaSO4）、萤石（CaF2）和磷灰石（[Ca5(PO4)3F]）。

钙的主要生产者是中国（每年约10000至12000吨）、俄罗斯（每年约6000至8000吨）和美国（每年约2000至4000吨），加拿大和法国也是次要生产国。2005年，全球钙产量约为24000吨，其中大约一半被美国使用。

俄罗斯和中国仍然使用戴维的电解方法来生产钙，但用了熔融氯化钙代替氧化钙。因为钙的反应性低于锶或钡，所以和空气反应产生的氧化物-氮化物层是稳定的，可以车床加工。在美国和加拿大，钙则是由铝在高温下还原石灰而成的。

地球化学循环
钙循环提供了、气候和碳循环之间的联系。山脉的隆起会使花岗岩等含钙岩石经受化学风化作用，并将Ca2+离子释放到地表水中。这些离子之后会被运输到海洋，和海水溶解的CO2反应生成石灰石（），沉降到海底并合并到新的岩石中。海水溶解的CO2、碳酸根和碳酸氢根都属于“溶解无机碳”（DIC）。反应的结果是化学风化释放的每个Ca2+离子最终会从地表（大气、海洋、土壤和生物体）中去除一个CO2分子，并将其储存到碳酸盐矿物中停留数亿年。因此，岩石中钙的风化作用会清除海洋和大气中的CO2，对气候产生强烈的长期影响。

用途
由于其对氧和硫的化学亲和性很强，金属钙最大的用处是炼钢。它的氧化物和硫化物一旦形成，就会以夹杂物的形式从钢中浮出，处理后这些夹杂物就会分散在整个钢中并变成小球状，从而提高了可铸性、清洁度和机械性能。钙也可以生产无需维护的汽车蓄电池，在这些蓄电池中使用了0.1 % 钙铅合金来代替常用的锑铅合金，减少了失水量和自放电量。由于存在膨胀和开裂的风险，有时还会将铝加入这些合金中。钙铅合金也用于铸造。钙还用于强化用于轴承的铝合金，控制铸铁中的石墨碳以及去除铅中的铋杂质。金属钙还存在于一些沟渠清洁剂中，它遇水产生的热和氢氧化钙可以皂化脂肪和液化阻塞下水道的蛋白质（例如头发中的角蛋白）。钙矿中的钙同位素略比矿物溶液中的钙同位素轻，这一研究成为了医学和古海洋学中类似应用的基础。因此在骨骼被钙化的动物中，软组织的钙同位素丰度可以反映骨骼矿物质形成和溶解的相对速率。

在人体中，尿液中钙同位素丰度的变化已被证明与骨矿物质平衡的变化有关。当骨头形成的速率比固体被吸收的速率快时，软组织的44Ca/40Ca比例会增加，反之亦然。因为这种关系，测量尿液或血液的钙同位素可能有助于早期检测骨质疏松等代谢性骨病。

很多钙化合物用于食品、药品和医药等用处。人们会通过添加、焦磷酸钙和磷酸钙来补充食物中的钙和磷，而磷酸钙也用作牙膏的抛光剂和抗酸药。乳糖酸钙是用作药物的悬浮剂的白色粉末，磷酸二氢钙在烘培中可用作膨松剂，亚硫酸钙在造纸中用作漂白剂和消毒剂，硅酸钙是橡胶的强化剂，而乙酸钙用于制造肥皂和合成树脂。

钙列于世界卫生组织基本药物标准清单当中。

食物来源
富含钙的食物包括如优格和起司的乳制品、沙丁鱼、三文鱼、大豆制品、羽衣甘蓝和补充了钙的谷物片。欧洲食品安全局定的值对所有成年人都是2.5克/日，但因为儿童和青少年的信息不足而没有确定他们的可耐受最高摄入量。

對人體的影響
功能
钙是人体大量需要的生命元素。

结合
钙离子和蛋白质的结合方式有三种：第一种方式是和谷氨酸或天冬氨酸的羰基结合，第二种方式是和磷酸化的丝氨酸、酪氨酸或苏氨酸结合，第三种方式则是和γ-羧基化的氨基酸螯合。胰蛋白酶是一种消化酶，它使用第一种结合方式；而骨钙蛋白是一种骨基质蛋白，它使用第三种结合方式。

一些像是骨桥蛋白和骨涎蛋白等骨基质蛋白同时使用第一种和第二种结合方式。和钙结合是酶常见的激活方式，其它一些酶的激活方式则是与结合了钙的酶结合。钙还与细胞膜的磷脂层结合，锚定与细胞表面相关的蛋白质。

营养
钙是复合维生素的常见成分，
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金属钙会与水和酸剧烈反应，所以接触人体中的水份后会造成严重的腐蚀。吞下金属钙会严重腐蚀口腔、食道和胃，甚至可能致命。长期接触钙会不会产生明显的不利影响仍不明确。

参考文献
扩展阅读
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外部連結