Kalsium (Ca): ominaisuudet, isotoopit ja terveysvaikutukset
Kalsium (Ca): ominaisuudet, yleisimmät isotoopit (Ca‑40, Ca‑44) ja terveysvaikutukset — luuston vahvistus, aineenvaihdunta, annostus ja ravintosuositukset.
Kalsium on kemiallinen alkuaine. Sen symboli jaksollisessa järjestelmässä (luettelo kaikista alkuaineista) on Ca ja sen järjestysluku on 20. Atomilla on 20 protonia ja yleensä 20 elektronia (varauksellinen muoto on katso ioni), ja sen massaluku on noin 40,08. Yleisimmät luonnossa esiintyvät isotoopit ovat Ca‑40 ja Ca‑44, mutta kalsiumilla on useita muitakin stabiileja ja radioaktiivisia isotooppeja.
Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet
Kalsium on pehmeä, hopeanhohtoinen alkalimetalli kuuluvista alkalismaisiin maametalleihin (maametallit/alkalimaametallit, ryhmä 2). Tärkeimpiä ominaisuuksia:
- Tiheys noin 1,55 g/cm³ (20 °C)
- Sulamispiste noin 842 °C ja kiehumispiste noin 1484 °C
- Elektronikonfiguraatio: [Ar] 4s²
- Yleisin oksidaatiotila on +2, ja kalsium muodostaa helposti ionisia yhdisteitä (esim. CaO, Ca(OH)2, CaCO3).
- Reagoi veden kanssa muodostaen kalsiumhydroksidia ja vetykaasua; palaa tai hapettuu ilman läsnä ollessa muodostamaan kalsiumoksidia.
Isotoopit
Kalsiumilla on useita isotooppeja. Luonnossa yleisin on Ca‑40, joka muodostaa suurimman osan kalsiumista. Muita luonnollisia isotooppeja ovat mm. Ca‑42, Ca‑43, Ca‑44, Ca‑46 ja Ca‑48, joista osa on hyvin harvinaisia. Lisäksi tunnetaan useita radioaktiivisia isotooppeja, joita käytetään tutkimuksessa ja teollisuudessa. Kalsiumisotooppeja hyödynnetään geokemiallisissa ja paleoklimatologisissa tutkimuksissa (esim. kalsiumin isotooppisuhteet voivat kertoa meriveden ja elinympäristöjen muutoksista).
Luonnossa ja yhdisteet
Kalsium on maankuoren viidenneksi yleisin alkuaine ja esiintyy pääosin yhdistelminä. Tavallisimpia kalsiumyhdisteitä ovat:
- kalsiumkarbonaatti (CaCO3) — kalkkikivi, marmori, simpukan kuoret;
- kipsi (CaSO4·2H2O) — rakennusmateriaalina;
- kalsiumoksidi (CaO) eli kuumakalkki — tärkeä sidosaine sementissä ja teollisuudessa;
- kalsiumhydroksidi (Ca(OH)2) — ns. sammutettu kalkki.
Metallinen kalsium valmistetaan teollisesti yleensä elektrolyyttisesti sulatetusta kalsiumkloridista tai muilla pelkistysmenetelmillä.
Biologinen merkitys ja terveysvaikutukset
Kalsium on ihmiselle välttämätön mineraali. Se on pääasiallinen mineraali luustossa ja hampaissa, missä se muodostaa hydroksiapatiittikiteet (Ca10(PO4)6(OH)2) ja antaa luustolle lujuuden. Lisäksi kalsiumilla on useita elintärkeitä tehtäviä:
- lihasten supistuminen (sis. sydänlihaksen toiminta),
- hermoston ärsykkeen siirto ja synaptinen toiminta,
- veren hyytyminen,
- solunsisäinen signaalinsiirto (kalsium-ioni toimii sekundaarisena välittäjäaineena).
Suositeltu päivittäinen kalsiumin saanti vaihtelee iän ja tilanteen mukaan. Aikuisille yleinen suositus on noin 1000 mg/vrk, nuorille ja iäkkäille sekä raskaana oleville tai imettäville voi suositukset olla suurempia. Kalsiumin puute pitkällä aikavälillä voi johtaa luuston heikkenemiseen ja lisätä osteoporoosin riskiä; lapsilla ja nuorilla vakava puute voi häiritä luuston kehitystä.
Lisäravinteet, imeytyminen ja liitännäisvaikutukset
Kalsiumia saa luonnollisesti maito- ja maitotuotteista, tummista lehtivihanneksista (esim. lehtikaali, pinaatti sisältää kuitenkin oksalaatteja, jotka heikentävät imeytymistä), pähkinöistä, siemenistä sekä kaloista, joiden syödään syötäviä kaloja luineen (esim. sardinit). Monet elintarvikkeet on myös rikastettu kalsiumilla (esim. kasvimaitotuotteet).
Yleisimmät lisäravinteet ovat kalsiumkarbonaatti ja kalsiumsittraatti. Kalsiumkarbonaatti sisältää runsaasti kalsiumia painoonsa nähden, mutta imeytyy parhaiten tyhjentymättömässä mahassa (vaatii happamuutta). Kalsiumsittraatti imeytyy paremmin vatsan tyhjässä tilassa ja voi sopia ihmisille, joilla on vähentynyt mahahappo.
Liiallinen kalsiumin saanti voi aiheuttaa hyperkalsemiaa — oireita ovat pahoinvointi, ummetus, lisääntynyt virtsaaminen, munuaisten kivien muodostuminen ja mahdollisesti sydämen rytmihäiriöt. Pitkäkestoinen ylimääräinen saanti voi edistää verisuonten ja pehmytkudosten kalkkeutumista. Lisäksi kalsium voi häiritä joidenkin lääkkeiden (esim. tiettyjen antibioottien, kilpirauhaslääkkeiden ja raudan) imeytymistä tai vaikutusta, joten lisäravinteiden käytöstä kannattaa keskustella terveydenhuollon ammattilaisen kanssa.
Käyttö teollisuudessa ja turvallisuus
- Rakennusteollisuus: kalkki, sementti ja betoni perustuvat kalsiumyhdisteisiin.
- Maatalous: kalkin käyttö maan pH:n säätelyssä ja ravinteiden saatavuuden parantamisessa.
- Teollisuus: metallurgiassa, keraameissa, lasissa ja kemianteollisuudessa.
- Ruoan lisäaineena ja lääkkeenä: kalsiumsuolat antavat ravintoaineita ja toimivat antaseina (mahahappoutta neutraloivat valmisteet).
Metallista kalsiumia ja voimakkaita kalsiumyhdisteitä (esim. CaO) tulee käsitellä varoen: ne reagoivat voimakkaasti veden kanssa ja voivat olla syövyttäviä. Metallinen kalsium säilytetään usein öljyssä tai inertissä ympäristössä hapettumisen estämiseksi.
Yhteenveto
Kalsium (Ca) on biologisesti ja teollisesti keskeinen alkuaine: se antaa luustolle ja hampaille rakenteen, osallistuu moniin fysiologisiin prosesseihin ja on laajasti käytetty teollisuuden raaka‑aine. Oikeanlainen saanti ruokavaliosta tai tarvittaessa lisäravinteista on tärkeää terveyden ylläpidossa, mutta liiallista käyttöä on syytä välttää. Jos epäilet kalsiumin puutetta tai harkitset lisäravinteiden käyttöä, keskustele asiasta terveydenhuollon ammattilaisen kanssa.
Kalsiummetalli ilmassa, syöpynyt
Erittäin puhdas kalsiummetalli, ei syöpynyt.
Ominaisuudet
Fysikaaliset ominaisuudet
Kalsium on pehmeä valkeanharmaa metalli. Se on kiinteä ja läpinäkymätön. Se on emäksinen maametalli. Sen sulamispiste on kuumempi kuin useimpien muiden reaktiivisten metallien. Se on hieman kovempaa kuin lyijy. Sillä on kaksi allotrooppia. Se ei johda sähköä yhtä hyvin kuin kupari, mutta on painoltaan paljon kevyempi.
Kemialliset ominaisuudet
Se reagoi veden kanssa tuottaen vetyä ja kalsiumhydroksidia. Se reagoi veden kanssa hyvin nopeasti, kun se on jauhettu. Kun se on kappaleena, se alkaa reagoida hitaasti, koska kalsiumhydroksidi muodostaa päällysteen, joka ei liukene kalsiumiin. Jos kalsiumhydroksidiin lisätään hieman happoa, se liuottaa sitä, jolloin kalsium reagoi hyvin nopeasti. Se palaa jauheena punertavaksi liekiksi. Näin syntyy kalsiumoksidia. Kuumennettaessa siitä muodostuu myös kalsiumnitridiä. Se voi reagoida halogeenien kanssa muodostaen kalsiumhalideja, kuten kalsiumkloridi kloorin kanssa.
Kalsiumyhdisteet
Kalsium muodostaa kemiallisia yhdisteitä hapetusasteessa +2. Kalsiumyhdisteet ovat värittömiä. Useimmat kalsiumyhdisteet eivät ole myrkyllisiä. Ihmiskeho tarvitsee niitä itse asiassa. Ne eivät reagoi kalsiumionien osalta. Kalsiumoksidia käytettiin valonheittimien valmistukseen, joissa liekki kuumentaa kalsiumoksidia ja saa sen hehkumaan hyvin kirkkaana.
- Kalsiumbromaatti
- Kalsiumkarbonaatti
- Kalsiumkloridi
- Kalsiumhydroksidi
- Kalsiumnitraatti
- Kalsiumnitridi
- Kalsiumoksidi
- Kalsiumpermanganaatti
- Kalsiumfosfaatti
- Dikalsiumfosfaatti
- Monokalsiumfosfaatti
· 
Kalsiumhydroksidi
· 
Kalsiumkloridi
· 
Kalsiumsulfaatti hydratoituna (vedellä)
· 
Kalsiumnitraatti
Isotoopit
Kalsiumilla on kuusi luonnossa esiintyvää isotooppia (40 Ca,42 Ca,43 Ca,44 Ca,46 Ca ja48 Ca), joista48 Ca on hyvin lievästi radioaktiivinen, ja sen puoliintumisaika on noin 6,4 × 1019 vuotta. Jälkiä41 Ca:sta,45 Ca:sta ja47 Ca:sta syntyy, kun kosminen säteily osuu atomeihin, ja niitä kutsutaan kosmogeenisiksi nuklideiksi. 41Ca syntyy maankuoren ylemmissä kerroksissa olevan40 Ca:n aktivoituessa neutronien avulla, ja sen puoliintumisaika on 102 000 vuotta. Koska se hajoaa kalium-41:ksi, se on kriittinen indikaattori aurinkokunnan poikkeavuuksista.
Kalsium-40 on runsain isotooppi (96 % kaikesta luonnollisesta kalsiumista), sillä se on peräisin radiogeenisesta40 K:sta, jonka puoliintumisaika on 1,25 miljardia vuotta. Kalsium-46:n ohella se on kuitenkin teoreettisesti epävakaa, mutta sen puoliintumisaika on niin pitkä, ettei sen ole koskaan havaittu hajoavan.
Esiintyminen
Maassa
Kalsiumia ei löydy metallina maaperästä, sillä se on liian reaktiivinen. Kalsiumkarbonaatti, joka tunnetaan myös nimellä kalsiitti, on yleisin kalsiummineraali.
Kalsium soluissa
On tärkeää tietää, miten solut toimivat. Monien solujen pinnalla on kalsiumkanavia. Ne ovat aukkoja, joista kalsiumionit voivat päästä soluun. Solua käsketään toimimaan, ja se avaa kanavat. Kun kalsiumionit ovat solussa, ne aktivoivat monia proteiineja tekemään tiettyjä asioita. Esimerkiksi kun kalsium menee lihassoluihin, se saa ne supistumaan (lyhenemään, jolloin lihas vetää). Kun kalsium menee hermosoluihin, se laukaisee sähköimpulsseja, jotka lähettävät viestejä. Kun se menee valkosoluihin, se saa ne taistelemaan bakteereja vastaan.
Kalsiumionit ovat tärkeitä soluille, mutta liikaa kalsiumioneja voi olla haitaksi. Jos solu saa enemmän kalsiumioneja kuin se tarvitsee, se voi kuolla. Siksi kalsiumionien määrää soluissa säädellään tarkasti. Sitä vastoin liian vähäinen kalsiumionimäärä on huono asia. Soluilla on oltava oikea määrä, jotta ne voivat toimia kunnolla.
Joskus solut ovat epäterveellisiä ja niiden on kuoltava, jotta elimistö voi korvata ne uusilla, terveillä soluilla. Näin koko elimistö pysyy terveenä. Solut tietävät, milloin niiden pitäisi kuolla, ja ne voivat käynnistää reaktioita elinkaarensa lopettamiseksi monin tavoin. Kun näin tapahtuu, sitä kutsutaan apoptoosiksi, jota kutsutaan myös "ohjelmoiduksi solukuolemaksi" (suunnitelluksi solukuolemaksi). Yksi tapa, jolla solut saavat aikaan apoptoosin, on myrkyllisten kalsiumionien ottaminen.
Kalsium on erittäin tärkeää ihmiskeholle.
Kalsiumin varastointi
Luut sisältävät suurimman osan ihmiskehon kalsiumionista. Jos tarvitsemme lisää kalsiumia vereen, lihaksiin tai muihin kudoksiin, se tulee luista. Jos meillä on ylimääräistä kalsiumia, se menee luihin.
Kalsiumia ei elementtinä esiinny ihmiskehossa, vaan ainoastaan kalsiumioneina kemiallisten yhdisteiden muodossa.
Kalsiumin säätely
Eliöiden on pidettävä kalsiumionitasot hyvin hallinnassa. Korkea kalsiumpitoisuus on huono asia, ja matala kalsiumpitoisuus on huono asia.
Keho hallitsee tätä muuttamalla
- kuinka paljon kalsiumia saamme syömästämme ruoasta.
- kuinka paljon kalsiumia menetämme virtsassa
- kuinka paljon kalsiumia laitetaan luihin
Kalsiumin hallintaa elimistössä kutsutaan kalsiumaineenvaihdunnaksi. Liian vähän kalsiumia voi aiheuttaa osteoporoosia.
Keho säätelee kalsiumtasoja monien hormonien avulla. Kalsitoniini, lisäkilpirauhashormoni (lyhenne PTH) ja D-vitamiini ovat tärkeimmät hormonit kalsiumaineenvaihdunnassa. (D-vitamiini toimii hormonina, mutta sitä kutsutaan vitamiiniksi).
Kalsiitti
Valmistelu
Kalsiummetallia valmistetaan sulatetun kalsiumkloridin elektrolyysillä. Sen sulattaminen edellyttää erittäin kuumaa lämpötilaa. Kalsiummetalli on nestemäistä.
Käyttää
Elementtinä
Kalsiumia käytetään muiden metallien pelkistämiseen. Sitä voidaan käyttää myös seosten valmistamiseen muiden metallien kanssa.
Kemiallisina yhdisteinä
Kalsiumyhdisteet ovat tärkeitä myös kemiassa. Se on tärkeää asioiden valmistuksessa. Se on osa sementtiä, jota tarvitaan betonin valmistukseen (kova aine, josta monet rakennukset on tehty).
Kalsium on osa kalsiumoksidia. Kalsiumoksidia käytetään paperin, keramiikan ja elintarvikkeiden valmistukseen sekä veden puhdistamiseen (jotta se olisi juomakelpoista). Kalsiumkarbonaattia käytetään kalsiumlisänä. Kalsiumpermanganaattia voidaan käyttää rakettien polttoaineena.
Rakennuksen rakentamiseen käytetty betoni
Turvallisuus
Kalsium on myrkyllinen alkuaine. Se reagoi veden kanssa ja muodostaa vahvan emäksen, kalsiumhydroksidin. Kalsiumyhdisteet eivät ole myrkyllisiä, ellei anioni ole myrkyllinen. Kalsiumpermanganaatti on myrkyllistä vain permanganaatin, ei kalsiumin vuoksi. Muiden emäksisten maametallien tavoin kalsium palaa helposti ja kirkkaasti.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Kalsiumyhdisteet
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on kalsiumin symboli jaksollisessa järjestelmässä?
V: Kalsiumin symboli jaksollisessa järjestelmässä on Ca.
K: Mikä on kalsiumin järjestysluku?
A: Kalsiumin järjestysluku on 20.
K: Mitkä ovat kalsiumin yleisiä isotooppeja?
V: Kalsiumin yleisiä isotooppeja ovat Ca-40 ja Ca-44.
K: Mikä on kalsiumin massaluku?
V: Kalsiumin massaluku on noin 40,08.
K: Miten kalsium auttaa ihmiskehossa?
V: Kalsium auttaa ihmiskehossa luiden muodostamisessa ja palvelee myös muita tarkoituksia.
K: Onko kalsium atomi vai ioni?
V: Jos se on atomi, kalsiumilla on 20 protonia ja 20 elektronia.
Etsiä