أين يوجد الكالسيوم في الطعام – كتابة: غدير شمس الدين – ٤ يونيو ٢٠٢٠م
الكالسيوم يُعدُّ الكالسيوم من المعادن الرئيسية المُكونة للجزء الصلب من العظام الذي يُخزَّن فيه الكالسيوم، ويُمكن للجسم الحصول على الكالسيوم إمّا من خلال تناول الأطعمة الغنية به، أو استهلاك مُكملاته الغذائية، أو سحبه من مخازنه، إذ يتم إزالة الكالسيوم من العظام عن طريق خلايا تسمى بالخلايا الهادمة للعظم (بالإنجليزية: Osteoclast)، أمّا إضافته لها فتكون عن طريق خلايا تسمى بالخلايا البانية للعظم (بالإنجليزية: Osteoblast).Volume 0% مصادر الكالسيوم المصادر الحيوانية الحليب والألبان: يُعدُّ الحليب ومشتاقته من المصادر الغذائية التي باتت تُستهلك منذ آلاف السنين في جميع أنحاء العالم، وخاصةً تلك التي تأتي من الأبقار، والأغنام، والماعز، وهي من المصادر الغذائية الغَنيّة بالعديد من الفيتامينات والمعادن، فهي تحتوي على الكالسيوم، والبوتاسيوم، وفيتامين ب 12، وفيتامين د،
ونظراً إلى أنَّ اللبن يُصنَّع من الحليب، فهو أيضاً يحتوي على الكالسيوم، وعلى ما يُقارب 9 غرامات من البروتين الحيواني لكلِّ 170 غراماً منه،
وفيما يأتي توضيح لكمية الكالسيوم الموجودة في كلٍّ من الحليب وبدائله، واللبن:
الحليب البقري، إذ يحتوي الكوب الواحد منه على ما يقارب 250 مليغراماً من الكالسيوم. بدائل الحليب المُدعّمة بالكالسيوم، فيحتوي الكوب الواحد منها على ما يُقارب 200 إلى 250 مليغراماً من الكالسيوم. اللبن، إذ يحتوي ثلاثة أرباع الكوب منه على 250 مليغراماً من الكالسيوم. الأجبان: تُعدُّ الأجبان من المصادر الجيدة لعنصر الكالسيوم الذي يساهم في المحافظة على قوّة العظام، وصحة الأسنان، وضغط الدم الطبيعيّ، بالإضافة إلى دوره في التئام الجروح،
وفيما يأتي توضيحٌ لبعض أنواع الأجبان المختلفة، ومحتواها من الكالسيوم:
جبن الموتزاريلا قليل الدسم (بالإنجليزية: Mozzarella cheese)، إذ يحتوي ما يُقارب 42.5 غراماً منه على 333 مليغراماً من الكالسيوم. جبن التشيدر (بالإنجليزية: Cheddar cheese)، إذ يحتوي 42.5 غراماً منه على 307 مليغرامات من الكالسيوم. جبن القريش قليل الدسم (بالإنجليزية: Cottage cheese)، إذ يوفّر 226 غراماً منه ما يُقارب 138 مليغراماً من الكالسيوم. الجبن الكريمي (بالإنجليزية: Cream cheese)، إذ تحتوي ملعقة طعامٍ منها على 14 مليغراماً من الكالسيوم. الأسماك: تُعدُّ الأسماك من المصادر الغنيّة بالعناصر الغذائية، مثل: البروتين، والفيتامينات، والمعادن،
إذ يحتوي 85 غراماً من سمك السردين المُعلّب بالزيت على 324 مليغراماً من الكالسيوم، أي ما يُغطي 32% من الكمية اليومية المُوصى بها من الكالسيوم، في حين يحتوي 85 غراماً من سمك السالمون المُعلّب على 181 مليغراماً من الكالسيوم، أيّ ما يُغطي 18% من الكمية اليومية المُوصى بها من هذا المعدن.
المصادر النباتية البطاطا الحلوة: تحتوي الحبة الواحدة من البطاطا الحلوة على ما يُقارب 55 مليغراماً من الكاليسوم، ويزوّد الكوب الواحد من البطاطا الحلوة المطبوخة ما يُقارب 76 مليغراماً من الكالسيوم، ومن الجدير بالذكر أنَّه من الممكن تعزيز محتواها من الكالسيوم من خلال إضافة اللبن أو الجُبن لها.
المكسرات والبذور: تحتوي المكسرات كافّة على الكالسيوم بكمياتٍ قليلة، إذ يوفّر ربع الكوب أو ما يُعادل 35 غراماً من المكسرات ما يُقارب 2% إلى 10% من الكمية اليومية المُوصى بها من الكالسيوم، كما تُعدٌّ البذور وزبدتها من المصادر الجيدة للكالسيوم، بالإضافة إلى الدُهون الصحية، والبروتين، والألياف، وفيما يأتي ذكر لبعض أنواع المكسرات والبذور، ومحتواها من الكالسيوم:
اللوز، وهو يُعدُّ من أغنى أنواع المكسرات احتواءً على الكالسيوم، إذ يحتوي 35 غراماً منه على 97 مليغراماً من الكالسيوم، أي ما يُغطي 10% من الكمية اليومية المُوصى بها من الكالسيوم. الجوز البرازيلي، إذ يُغطي 35 غراماً منه ما نسبته 6% من الكمية اليومية المُوصى بها من الكالسيوم. الطحينية المُحضّرة من بذور السمسم، إذ تحتوي ملعقتان كبيرتان منها على 130 مليغراماً من الكالسيوم، أي ما يُغطي 13% من الكمية اليومية المُوصى بها من الكالسيوم. بذور الشيا وبذور الكتان، فيُغطي ما يُقارب 20 إلى 25 غراماً منهما ما نسبته 5% إلى 6% من الكمية اليومية المُوصى بها من الكالسيوم. المكسرات الأخرى، مثل: جوز عين الجمل، والفستق الحلبي، والبندق، والمكداميا، فيُغطي 35 غراماً منها ما يُقارب 2% إلى 3% من الكمية اليومية المُوصى بها من الكالسيوم. البقوليات: تُعدُّ البقوليات من المصادر الجيّدة بالكالسيوم، وفيما يأتي أبرز أنواع البقوليات التي تحتوي على الكالسيوم:
الفاصولياء البيضاء المجففة والمسلوقة، إذ يحتوي الكوب الواحد منها على ما يُقارب 130 مليغراماً من الكالسيوم، أي ما يعادل الكمية الموجودة في نصف كوبٍ من الحليب، أمّا الفاصولياء البيضاء المعلّبة فتوفّر ما يُقارب 190 مليغراماً من الكالسيوم. الحُمص المُعلّب، إذ يوفّر الكوب الواحد منه ما يُقارب 80 مليغراماً من الكالسيوم. الخضروات: تُعدُّ الخضروات الورقية الداكنة والخضروات الصليبية من المصادر الغنيّة بالكالسيوم، الذي يمتصّه الجسم بسهولة، ولكن تجدر الإشارة إلى أنَّ هذه المصادر أيضاً تحتوي على الأكسالات (بالإنجليزية: Oxalate) التي ترتبط بالكالسيوم في القناة الهضمية، ممّا يجعل امتصاصه أصعب، لذا فإنَّ غلي هذه الخضروات قد يُقلل مستوى الأكسالات الموجود فيها، وبالتالي يُعزز من امتصاص الكالسيوم، وتبيّن النقاط الآتية بعضاً من هذه الخضروات:
السبانخ، والملفوف الصيني (بالإنجليزية: Bok choy)، والخردل، واللفت، إذ يحتوي نصف الكوب المطبوخ منها على ما يتراوح بين 84 إلى 142 مليغراماً من الكالسيوم، أي ما يُغطي 8% إلى 14% من الكمية اليومية المُوصى بها من الكالسيوم، وذلك اعتماداً على النوع. البامية، والكرنب المُجعد، والبروكلي، والملفوف، وبراعم بروكسل، إذ يحتوي نصف الكوب المطبوخ منها على ما نسبته 3% إلى 6% من الكمية اليومية المُوصى بها من الكالسيوم. الأغذية المدعمة بالكالسيوم: يُمكن إضافة الكالسيوم لبعض أنواع الأغذية والمشروبات أثناء عمليات التصنيع، وذلك لتعزيز محتواها من هذا المعدن،
وتوضّح النقاط الآتية بعض الأمثلة على الأغذية المُدعمة بالكاسيوم:
الحليب المُدعم، مثل: حليب اللوز وحليب الأرز، فتوفّر ما يُقارب 226.7 مليلتراً منها ما يُقارب 300 مليغرامٍ من الكالسيوم.
عصير الفواكه المُدعّم كعصير البرتقال، إذ يحتوي ما يُقارب 226.7 مليلتراً منه على 300 مليغرامٍ من الكالسيوم. التوفو المُحضر مع الكالسيوم، إذ يحتوي 113 غراماً منه على 205 مليغراماً من الكالسيوم. الشوفان المُدعم، تحتوي العلبة الواحدة منه على 140 مليغراماً من الكالسيوم. حبوب الفطور المُدعمة، تحتوي 226.7 غراماً منها على كمية تتراوح بين 100 إلى 1000 مليغرامٍ من الكالسيوم. كميات الكالسيوم في المصادر الغذائية يوضّح الجدول الآتي كمية الكالسيوم الموجودة في بعض المصادر الغذائية الأخرى:
المصدر الغذائي كمية الكالسيوم (مليغرام) النسبة التي يُغطيها من الكمية اليومية المُوصى بها كوب حليب كامل الدسم 276 21% كوب حليب قليل الدسم (2%) 293 23% كوب حليب خالي الدسم 299 23% كوب حليب الصويا المُدعم بالكالسيوم 299 23% ملعقتان كبيرتان من الكريمة الحامضة قليلة الدسم 31 2% 177 مليلتراً من اللبن قليل الدسم المُضاف له الفواكه 258 20% نصف كوب من اللبن المُجمد 103 8% نصف كوب من المُثلجات 84 6% شريحة من الخبز كامل القمح 30 2% شريحة من الخبز الأبيض 73 6% شريحة من خبز التورتيلا المصنوع من الذرة 46 4% مكملات الكالسيوم الغذائية يجب استشارة الطبيب قبل استهلاك مُكمّلات الكالسيوم، إذ إنَّه يُحدد مدى حاجة الجسم للمُكمّلات بناءً على موازنة فوائدها والمخاطر المحتملة لها، ولمُكمّلات الكالسيوم أشكالٌ عدّة، ومنها ما يأتي:
كربونات الكالسيوم: (بالإنجليزية: Calcium carbonate)، تحتوي مضادات الحموضة المتوفّرة دون وصفة طبية على مركّبات كربونات الكالسيوم، والتي تُعدُّ غير مُكلفة مادياً، وتحتوي الحبة الواحدة منها على 200 مليغرامٍ أو ما يزيد عن ذلك من الكالسيوم.
سترات الكالسيوم: (بالإنجليزية: Calcium citrate)، تُعدُّ هذه المُكمّلات مُكلفة مادياً، وهي من الأنواع التي تُمتَص جيداً سواء أُخِذت على مَعِدةٍ فارغةٍ، أو ممتلئة، ومن الجدير بالذكر أنَّ الأشخاص الذين يعانون من انخفاضٍ في مستويات أحماض المَعدة مثل كبار السن، يكون امتصاصهم لسترات الكالسيوم أفضل من امتصاصهم لكربونات الكالسيوم. مُركبات أخرى:
توجد أنواع أخرى تحتوي على الكالسيوم بكمياتٍ أقل من المركبات التي ذُكرت سابقاً، مثل:
غلوكونات الكالسيوم (بالإنجليزية: Calcium gluconate)، ولاكتات الكالسيوم (بالإنجليزية: Calcium lactate)، وفوسفات الكالسيوم (بالإنجليزية: Calcium phosphate). أهمية الكالسيوم للجسم يُعدُّ معدن الكالسيوم من المعادن الضروريّة والمهمّة لصحة الجسم، إذ إنّه يُعدّ مُهماً للمحافظة على صحّة العظام، وانقباض العضلات، وعمل القلب، وتخثُّر الدم. لقراءة المزيد حول فوائد الكالسيوم وأهميته لصحة الجسم يمكنك الرجوع لمقال فوائد حبوب الكالسيوم. أسئلة شائعة حول مصادر الكالسيوم ما هي الفواكه التي تحتوي على الكالسيوم يُعدُّ الحصول على الكالسيوم من الفواكه مصدر قلقٍ لدى بعض الأشخاص النباتين، ولكن هناك بعض أنواع الفواكه التي تحتوي على الكالسيوم،
ويُذكر منها ما يأتي:
عصير البرتقال المُدعم: يحتوي الكوب الواحد منه على 349 مليغراماً من الكالسيوم، أي ما يُغطي 27% من الكمية اليومية المُوصى بها من الكالسيوم. التين الشوكي: يحتوي الكوب الواحد من التين الشوكي أو الصبّير على 83 مليغراماً من الكالسيوم، أي ما يعادل 6% من الكمية اليومية المُوصى بها.
اليوسفي: يحتوي الكوب الواحد منه على 72 مليغراماً من الكالسيوم؛ أي ما يُعادل 6% من الكمية اليومية المُوصى بها.
الكيوي: يوثّر كوب من فاكهة الكيوي ما يُقارب 61 مليغراماً من الكالسيوم، أي ما يُغطي 5% من الكمية اليومية المُوصى بها. التوت: يحتوي كوب من التوت على 55 مليغراماً من الكالسيوم، والتي تُعادل 4% من الكمية اليومية المُوصى بها.
توت العلّيق الأسود: يوفّر كوب من التوت الأسود ما يُقارب 42 مليغراماً من الكالسيوم، والتي تُعادل 3% من الكمية اليومية المُوصى بها. الجوافة: يحتوي الكوب الواحد منها على 30 مليغراماً من الكالسيوم، أي ما يُغطي 2% من الكمية اليومية المُوصى بها. البابايا: يحتوي الكوب الواحد منها على 29 مليغراماً من الكالسيوم، أي ما يُغطي 2% من الكمية اليومية المُوصى بها.
الباشن فروت: أو البسفلورا، أو فاكهة العاطفة، إذ يحتوي الكوب الواحد من هذه الفاكهة على 28 مليغراماً من الكالسيوم؛ أي ما يُغطي 2% من الكمية اليومية المُوصى بها.
التفاح: يحتوي 120 غراماً من هذه الفاكهة على 6 مليغرامات من الكالسيوم.
الموز: يحتوي 150 غراماً من هذه الفاكهة على 12 مليغراماً من الكالسيوم.
المشمش: يحتوي 120 غراماً من هذه الفاكهة على 19 مليغراماً من الكالسيوم.
الفواكه المجففة: مثل الزبيب الذي يوفّر 40 غراماً منه ما يُقارب 31 مليغراماً من الكالسيوم،
والكشمش الذي يحتوي 120 غراماً منه على 72 مليغراماً من الكالسيوم.
التين المُجفف: يُعدُّ التين المُجفف من من الوجبات الخفيفة المفيدة والغنيّة بالألياف ومضادات الأكسدة، ويحتوي كوب منه على 241 مليغراماً من الكالسيوم.
ما هي الأعشاب الغنية بالكالسيوم
لا تتوفر معلومات كافية حول وجود أعشاب غَنيّة بالكالسيوم، ولكن هناك بعض الأنواع التي تُعزز من امتصاص الكالسيوم في الجسم، ومنها ما يُعرف بعشبة الكُنباث أو ذَنَب الخيل (بالإنجليزية: Horsetail)، وهي عشبة غنيّة بمادة السيلكون ومضادات الأكسدة، إذ يُعدُّ السيلكون ضرورياً لتكوين عظام صحية والمحافظة عليها، كما أنّه يُساعد على امتصاص الكالسيوم، وتحسين هيكل العظام وتمعدنها، ومن الجدير بالذكر أنَّها استُخدِمت على مدى التاريخ لالتئام العظام،كما تُعدُّ عُشبة القراص الكبير (بالإنجليزية: Nettle) من المصادر الجيدة للكالسيوم،بالإضافة إلى نبتة الهِنْدَبَاءُ البَرِّيَّةُ (بالإنجليزية: Dandelion) التي تُعدُّ أيضاً من المصادر الجيدة للكالسيوم، وفيتامين ك المرتبطان بتقليل خطر فقدان العظام. فيديو أهم مصادر الكالسيوم الغذائية يُعدُّ الكالسيوم عنصراً مُهماً جداً لبناء العظام والأسنان، وللتعرّف على مصادره الغذائية شاهد الفيديو:
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
كالسيوم
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
المظهر | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
رمادي باهت، فضي الخطوط الطيفية للكالسيوم |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الخواص العامة | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الاسم، العدد، الرمز | كالسيوم، 20، Ca | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
تصنيف العنصر | فلز قلوي ترابي | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
المجموعة، الدورة، المستوى الفرعي | 2، 4، s | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الكتلة الذرية | 40.078 غ·مول−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
توزيع إلكتروني | Ar]; 4s2] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
توزيع الإلكترونات لكل غلاف تكافؤ | 2, 8, 8, 2 (صورة) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الخواص الفيزيائية | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الطور | صلب | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الكثافة (عند درجة حرارة الغرفة) | 1.55 غ·سم−3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
كثافة السائل عند نقطة الانصهار | 1.378 غ·سم−3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
نقطة الانصهار | 1115 ك، 842 °س، 1548 °ف | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
نقطة الغليان | 1757 ك، 1484 °س، 2703 °ف | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
حرارة الانصهار | 8.54 كيلوجول·مول−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
حرارة التبخر | 154.7 كيلوجول·مول−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
السعة الحرارية (عند 25 °س) | 25.929 جول·مول−1·كلفن−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ضغط البخار | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الخواص الذرية | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
أرقام الأكسدة | +2, +1[1] (أكاسيده قاعدية قوية) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الكهرسلبية | 1.00 (مقياس باولنغ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
طاقات التأين | الأول: 589.8 كيلوجول·مول−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الثاني: 1145.4 كيلوجول·مول−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الثالث: 4912.4 كيلوجول·مول−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
نصف قطر ذري | 197 بيكومتر | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
نصف قطر تساهمي | 10±176 بيكومتر | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
نصف قطر فان دير فالس | 231 بيكومتر | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
خواص أخرى | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
البنية البلورية | مكعب مركزي الوجه | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
المغناطيسية | مغناطيسية معاكسة | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
مقاومة كهربائية | 33.6 نانوأوم·متر (20 °س) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الناقلية الحرارية | 201 واط·متر−1·كلفن−1 (300 كلفن) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
التمدد الحراري | 22.3 ميكرومتر·متر−1·كلفن−1 (25 °س) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
سرعة الصوت (سلك رفيع) | 3810 متر/ثانية (20 °س) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
معامل يونغ | 20 غيغاباسكال | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
معامل القص | 7.4 غيغاباسكال | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
معامل الحجم | 17 غيغاباسكال | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
نسبة بواسون | 0.31 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
صلادة موس | 1.75 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
صلادة برينل | 167 ميغاباسكال | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
رقم CAS | 7440-70-2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
النظائر الأكثر ثباتاً | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
المقالة الرئيسية: نظائر الكالسيوم | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
الكالسيوم هو عنصر كيميائي رمزه Ca وعدده الذرّي 20 (ملاحظة 1) وهو ينتمي إلى الفلزّات القلوية الترابية، التي تقع في المجموعة الثانية للجدول الدوري للعناصر. يتميّز هذا الفلزّ بنشاطه الكيميائي، لذلك لا يوجد بشكله الحرّ في الطبيعة، إذ تتشكلّ طبقةٌ من الأكسيد والنتريد على سطحه عند تعرّضه للهواء. يشابه هذا العنصر في خواصه الكيميائية والفيزيائية خواصَ أقرانه الأثقل في مجموعة الفلزّات القلوية: السترونشيوم والباريوم. يعدّ الكالسيوم خامسَ العناصر الكيميائية من حيث الوفرة الطبيعية في القشرة الأرضية، وثالث الفلزّات من حيث ذلك الترتيب بعد الألومنيوم والحديد؛ وهو يوجد فيها غالباً على شكل مركّب كربونات الكالسيوم، الذي يدخل في تركيب الحجر الجيري؛ كما يوجد أيضاً على شكل مركّبات أخرى في معادن الجصّ (الجبس) والأنهيدريت والفلوريت والأباتيت، والتي تعدّ من الخامات الطبيعية للكالسيوم أيضاً.
عُرفت كيمياء الكالسيوم بشكلٍ معمَّق منذ القرن التاسع عشر الميلادي، وذلك عندما تمكّن همفري ديفي سنة 1808 من عزل العنصر لأوّل مرّة بواسطة التحليل الكهربائي لأكسيده، وهو من أطلق عليه هذا الاسم، والذي اشتقّه من الكلمة اللاتينية «calx»، والتي تعني جير. ينتشر استخدام مركّبات الكالسيوم في العديد من التطبيقات الصناعية على نطاقٍ واسع تشمل الصناعات الغذائية والدوائية وصناعة الورق وغيرها من الصناعات الأخرى.
للكالسيوم أهمّية حيوية كبيرة، فهو أكثر الفلزّات وخامس العناصر الكيميائية من حيث الوفرة في جسم الإنسان. عندما يكون الكالسيوم على هيئة كهرل (إلكتروليت)، فهو يلعب دوراً حيوياً مهمّاً في العمليات والوظائف الفيزيولوجية والكيميائية الحيوية في الخلايا؛ وخاصّةً في مسارات توصيل الإشارة وفي إفراز النواقل العصبية من العصبونات وفي الجهد الغشائي وفي تقلّص العضلات؛ كما يدخل الكالسيوم أيضاً في تركيب العظام.
التاريخ
على الرغم من أنّ الكالسيوم لم يُعرَف على شكله العنصري إلّا في عصورٍ متأخّرة، إلّا أنّ مركّبات الكالسيوم عرفت قديماً منذ آلاف السنين؛[2] ولفترةٍ تصل قبل حوالي 7000 سنة.[3] فقد استخدم الجير منذ القدم في البناء؛[4] وكذلك في الزخرفة وصناعة التماثيل. يعود أقدم قمين استُخدِمَ في حرق الجير إلى حوالي 2500 سنة قبل الميلاد، والذي عُثرَ عليه في محلّة خفاجة في بلاد الرافدين (العراق حالياً)؛[5][6] وفي الفترة التاريخية ذاتها تقريباً استُخدمَ الجصّ في عمارة الهرم الأكبر ولاحقاً في بناء قبر توت عنخ آمون.
استَخدم سكّانُ روما القديمة مونة الجير المُستَحصلَة من تسخين الحجر الجيري في البناء،[2] وقد عزا فيتروفيو خفّة وزن الجير المستحصل بالمقارنة مع الحجر الجيري الأصلي إلى فقدان الماء بالتسخين؛ إلّا أنَ جوزيف بلاك بَيّن لاحقاً أنّ ذلك يعود إلى فقدان غاز ثنائي أكسيد الكربون، والذي لم يكن معروفاً للرومان آنذاك.[7] في سنة 1787 وأثناء دراسته وتصنيفه للعناصر، اعتقد أنطوان لافوازييه أنّه من المحتمل أن يكون الجير أكسيداً لأحد العناصر الكيميائية الأساسية.[8]
كان همفري ديفي أوّل من تمكّن من عزل عنصر الكالسيوم وذلك بالإضافة إلى مجانساته من العناصر الأخرى القريبة مثل المغنسيوم والسترونشيوم والباريوم وذلك سنة 1808 عن طريق التحليل الكهربائي للأكاسيد الموافقة. قام ديفي في تلك التجرية بوضع مزيجٍ من أكسيد الكالسيوم وثنائي أكسيد الزئبق على صفيحة من البلاتين، حيث أدّت دور المصعد في الخلية الكهركيميائية، في حين أنّ المهبط كان سلكاً مصنوعاً من البلاتين ومغموساً بشكل جزئي في الزئبق. أعطت التجربة ناتجاً من ملغمة الكالسيوم مع الزئبق، والتي أدّى تسخينها إلى تفكّكها والحصول على فلز الكالسيوم بشكله العنصري الحرّ لأوّل مرّة.[2][9] كانت هذه التجربة كافيةً للحصول على الكالسيوم على صعيد مخبري، إلّا أنّ طُرقَ الحصول عليه على صعيدٍ صناعي طُوّرت بعد ذلك بأكثر من قرنٍ من الزمان.[7]
الوفرة والإنتاج
يحتلّ الكالسيوم المرتبة الخامسة من حيث الوفرة الطبيعية للعناصر الكيميائية في القشرة الأرضية، وباعتبار ترتيب الفلزّات فهو يأتي في المرتبة الثالثة بعد الألومنيوم والحديد؛[2] كما أنّه يدخل أيضاً في تركيب بنية القمر.[10] يعدّ كربونات الكالسيوم أكثر خامات الكالسيوم انتشاراً، وهو يدخل في تركيب عددٍ من الكائنات البحرية مثل المرجان واللؤلؤ والأصداف. ربّما يعود انتشار توضّعات الحجر الجيري الرسوبية في القشرة الأرضية إلى كونها بقايا مستحاثات وأحافير الحياة البحرية في العصور الجيولوجية السحيقة. توجد تلك الرسوبيات على شكلين، وهما الكالسيت سداسي التبلور (الأكثر شيوعاً) والأراغونيت ذي النظام البلّوري المعيني القائم (أكثر انتشاراً في البحار المعتدلة). ينتمي إلى الصنف الأول كلٌّ من الخامات التالية: الحجر الجيري (الكلسي) والدولوميت والرخام والطبشور. من جهةٍ أخرى، توجد توضّعات الأراغونيت في الباهاماس وفي الجزر المرجانية المقابلة لولاية فلوريدا الأمريكية، وكذلك في حوض البحر الأحمر.
من خامات الكالسيوم الهامّة أيضاً معدن الجصّ، وهو مكوّن من كبريتات الكالسيوم (CaSO4·2H2O)، بالإضافة إلى الأنهيدريت (CaSO4) وكذلك معدن الفلوريت (CaF2) والأباتيت (Ca5(PO4)3F).[2]
تعدّ الصين من أكبر منتجي الكالسيوم في العالم (حوالي 10-12 ألف طنّ سنوياً)، بالإضافة إلى روسيا (6-8 آلاف طنّ سنوياً) والولايات المتحدة (2-4 آلاف طنّ سنوياً). أُنتِجَ سنة 2005 حوالي 24 ألف طنّ من الكالسيوم، واستُخدِم أكثرُ من نصفها في الولايات المتحدة؛[11] ولا تزال طريقةٌ محوّرةٌ من طريقة ديفي مستخدمةً في الصين وروسيا للحصول على فلزّ الكالسيوم، وذلك اعتماداً على مصهور كلوريد الكالسيوم.[11] وما يسهّل من العملية أنّ الكالسيوم أقلّ نشاطاً كيميائياً من السترونشيوم والباريوم على سبيل المثال، إذ تعمل طبقة الأكسيد والنتريد المتشكلّة على سطح فلزّ الكالسيوم على حمايته وجعله مستقرّاً في الهواء، كما تفي المعدّات والآليات القياسية بغرض المعالجة التقنية أثناء تعدين هذا الفلزّ.[12] أمّا في كندا والولايات المتحدة فيُستَحصل الكالسيوم من اختزال الجير بالألومنيوم عند درجات حرارةٍ مرتفعة.[11]
- {\displaystyle \mathrm {4\ CaO+2\ Al\ {\xrightarrow {1200^{\circ }C}}\ CaAl_{2}O_{4}+3\ Ca\uparrow } }
الدورة الجيوكيميائية
يدخل الكالسيوم في دورة حيوية جيولوجية كيميائية تعرف باسم دورة كربونات-سيليكات الجيوكيميائية، وهي صلة الوصل بين التغيّرات في بنية القشرة الأرضية والمناخ ودورة الكربون. في هذه الدورة تتعرّض الصخور الحاوية على الكالسيوم مثل الولاستونيت (CaSiO3، شكلٌ من سيليكات الكالسيوم) إلى عمليات تجوية من حمض الكربونيك (المتشكّل من غاز ثنائي أكسيد الكربون CO2 والماء H2O):
{\displaystyle 2CO_{2}+H_{2}O+CaSiO_{3}\rightarrow Ca^{+2}+2HCO_{3}^{-}+SiO_{2}}
بذلك تتحرّر أيونات الكالسيوم Ca+2 إلى المسطّحات المائية؛ إلى أن تنتقل إلى المحيطات، حيث تتفاعل هناك مع أيونات البيكربونات، وهي إحدى مكوّنات الكربون اللاعضوية المنحلّة،[13] ليتشكّل الحجر الجيري (كربونات الكالسيوم CaCO3)، والذي يترسّب بدوره في القيعان لتتشكّل طبقة رسوبية جديدة:
{\displaystyle Ca^{+2}+2HCO_{3}^{-}\rightarrow CaCO_{3}+CO_{2}+H_{2}O}
عند الوسط القلوي الضعيف لـpH مياه البحر يتحوّل غاز CO2 عائداً إلى البيكربونات.
بالتالي فإنّ المحصّلة الإجمالية للتفاعلات هي انتقال جزيء واحد من CO2 من المحيطات/الغلاف الجوّي إلى غلاف الأرض الصخري؛[14] بعبارةٍ أخرى؛ فإنّ كلّ تحرّرٍ لأيون كالسيوم Ca+2 من عملية تجوية يوافق بالنهاية إزالة جزيءٍ واحدٍ من CO2 من الأنظمة والأغلفة السطحية (الغلاف الجوي والمائي) وتخزينه على شكل صخور كربونات رسوبية، الأمر الذي له كبيرُ الأثر على المناخ في المدى الطويل.[13][15]
تُغلَق الدورة عندما تحدث عملية حركة للصفيحات التكتونية في قيعان المحيطات، حيث تندفن ترسّبات الكربونات إلى طبقات أعمق وتحدث تحوّلات جيولوجية بطيئة تتضمّن إحداها تفاعل تغيّر الشكل مع ثنائي أكسيد السيليكون SiO2 ليعود تشكّل صخور السيليكات مجدّداً.
{\displaystyle CaCO_{3}+SiO_{2}\rightarrow CaSiO_{3}+CO_{2}}
النظائر
- مقالة مفصلة: نظائر الكالسيوم
الكالسيوم الطبيعي هو مزيجٌ من خمسة نظائر مستقرّة وهي 40Ca و 42Ca و 43Ca و 44Ca و 46Ca؛ بالإضافة إلى وجود نظيرٍ شبه مستقرّ، وهو 48Ca، إذ أنهّ نظير يضمحل، ولكن نصف العمر له يبلغ 4.3 × 1019 سنة؛ وبذلك يكون الكالسيوم أوّل عنصر خفيف بستّةِ نظائر طبيعية متوفّرة.[16]
أكثر هذه النظائر وفرةً هو كالسيوم-40 40Ca بنسبةٍ تصل إلى 96.9%؛ وهو ينتج من عملية احتراق السيليكون من اندماج جسيمات ألفا، كما ينتج هذا النظير أيضاً من الاضمحلال البطيء للنويدة الابتدائية للنظير بوتاسيوم-40. يعدّ النظير الكالسيوم-40 أثقل نويدة مستقرة ذات عددٍ متساوٍ من البروتونات والنيوترونات. أمّا النظير الثاني للكالسيوم من حيث الوفرة فهو كالسيوم-44 44Ca، والذي تصل نسبة وفرته إلى 2.80%؛ في حين أنّ باقي النظائر نادرةٌ نسبياً، وتشكّل نسبة وفرة طبيعية أقلّ من 1%، وهي تنتج من عملية احتراق الأكسجين بالإضافة إلى احتراق السيليكون. ينتج النظير كالسيوم-40 غالباً من عملية التقاط النيوترون البطيئة الساخنة، لأنّ تشكّله يتطلّب دفقاً مرتفعاً من النيوترونات ليتمكّن النظير كالسيوم-45 قصير العمر من التقاط نيوترون. أمّا النظير كالسيوم-48 فيتشكّل من عملية التقاط إلكترون أثناء عملية التقاط النيوترون السريعة داخل المستعر الأعظم من النوع Ia، حيث يؤمّن وجودُ عددٍ كبيرٍ من النيوترونات مرتفعةِ الطاقة بقاءَه.[17][18]
يعدّ استقرار النظيرين كالسيوم-46 46Ca وكالسيوم-48 48Ca ملفتاً للانتباه نظراً للعدد الفائض من النيوترونات بالنسبة لعدد البروتونات (6 و 8 على الترتيب) وذلك مع اعتبار خفّة الوزن الذري للكالسيوم نسبياً. يعود سبب ذلك الاستقرار لأنّ أنوية تلك النظائر ذات عدد سحري مضاعف، ممّا يَحُولُ دونَ الاضمحلال؛ وبالتالي يكون الكالسيوم العنصر الوحيد الذي يمتلك نويدَتين ابتدائيّتَين ذواتي عددٍ سحريِ مضاعف، الأمر الذي يؤمّن الاستقرار. فالكالسيوم-48 على سبيل المثال يمتلك 20 بروتون و28 نيوترون، والتي تكون مرتّبة على شكل أغلفة مغلقة؛ بالتالي فإنّ حدوث اضمحلال بيتا إلى نظير السكانديوم-48 محظور، لذلك فإنّ الاضمحلال يكون وفق اضمحلال بيتا المضاعف إلى تظير التيتانيوم-48، وبذلك يكون أوّل نظيرٍ خفيفٍ يقوم بهذه العملية.[19]
كما هو الحال مع العناصر الأخرى، فإنّ عدداً من العمليات تغيّرُ من الوفرة الطبيعية لنظائر الكالسيوم؛[20] ومنها عملية التجزئة النظيرية لتلك النظائر وفق الكتلة أثناء ترسيب معادن الكالسيوم مثل الكالسيت والأراغونيت والأباتيت من المحاليل، إذ أن النظائر الأخفّ تكون مفضّلةً أثناء التشكّل، ممّا يترك المحاليل غنيةً بالنظائر الأثقل، ويُقدَّر ذلك التفاوت بتتبُّع نسبة النظيرين 44Ca/40Ca في العيّنات، وتقدّر نسبة التفاوت بحوالي 1%.[21]
الخواص الفيزيائية
الكالسيوم فلزٌّ فضّي اللون ينصهر عند 842 °س ويغلي عند 1494 °س، وهي قيم أعلى من نظيراتها من المغنسيوم والسترونشيوم، وهما العنصران المجاوران للكالسيوم في مجموعة الفلزّات القلوية الترابية. يتبلور الكالسيوم وفق نظام بلوري مكعب مركزي الوجه مثل السترونشيوم؛ فوق الدرجة 450 °س تتغيّر البنية البلّورية إلى نظامٍ سداسيٍّ متراصّ مثل المغنسيوم. تبلغ كثافة الكالسيوم 1.55 غ/سم3، وهي القيمة الأقلّ في مجموعته.
للكالسيوم صلادة أكبر من الرصاص، لكن يمكن قطعه بسكّين عند تطبيق جهد موافق؛ من جهةٍ أخرى فإنّ لهذا الفلزّ موصلية كهربائية أقلّ من نظيراتها في عنصري النحاس والألومنيوم؛[22] ولكنها نسبياً جيّدة بالشكل الكافي في وسط معزول عن الهواء، ممّا دفع البعض في التفكير باستخدامه في الفضاء الخارجي.[11]
الخواص الكيميائية
لذرّة الكالسيوم التوزيع الإلكتروني Ar]4s2]؛ وبما أنّ للكالسيوم اثنين من إلكترونات التكافؤ في الغلاف الإلكتروني الخارجي (غلاف التكافؤ)، فهو بالتالي ثنائي التكافؤ. يميل الكالسيوم بسهولة إلى التخلّي عن هذَين الإلكترونَين وتشكيل أيون الكالسيوم 2+Ca المستقرّ، الذي له بنية شبيهة ببنية أقرب عنصر نبيل في دورة الجدول الدوري، وهو عنصر الآرغون. لذلك فإنّ أغلب مركّبات الكالسيوم هي مركّبات أيونية والتي يكون فيها العنصر الفلزّي ثنائي التكافؤ.
نظرياً، فإنّه من الممكن الحصول على أيون كالسيوم أحادي التكافؤ، لكنّه حسابياً سرعانَ ما سيحصل عليه تفاعل عدم تناسب (تفاعل أكسدة-اختزال ذاتي)، الأمر الذي سيحوّله إلى أيون الكالسيوم ثنائي التكافؤ والكالسيوم الفلزي في شكله الحرّ. يعود عدم استقرار أيون الكالسيوم أحادي التكافؤ عملياً إلى أنّ الحرارة القياسية لتكوين المركّبات من النمط MX2 أعلى من المركّبات النظرية من النمط MX؛ إذ أنّ طاقة الشبكة البلورية المتوفّرة من وجود أيونات 2+Ca أعلى منها بالنسبة للأيون النظري +Ca.[23]
يشبه الكالسيوم في خواصه الكيميائية العناصر الأثقل في مجموعة الفلزّات القلوية الترابية: السترونشيوم والباريوم والراديوم. بالمقابل، فإنّ عنصري البيريليوم والمغنسيوم يختلفان عن بقيّة عناصر المجموعة، وهما في صفاتهما أقرب لفلزّي الألومنيوم والزنك على الترتيب، واللذان ينتميان إلى الفلزّات بعد الانتقالية، ولذلك السبب فإنّ البعض يجعل من التصنيف العملي للفلزات القلوية الترابية يبدأ من عنصر الكالسيوم؛[24][25] ولهذا فإنّ المقارَنات بين الكالسيوم وعناصر مجموعة الفلزات القلوية الترابية تكون عادةً مع السترونشيوم والباريوم أكثر منها مع المغنسيوم والبيريليوم.[23]
يتفاعل الكالسيوم مع الماء بشدّة وبشكلٍ أسرع من المغنسيوم، لكنّه أبطأ من السترونشيوم، وينتج عن التفاعل هيدروكسيد الكالسيوم وغاز الهيدروجين. كما يتفاعل هذا الفلزّ بحالته العنصرية أيضاً مع الأكسجين والنتروجين في الهواء لتتشكّل عليه طبقةً من أكسيد الكالسيوم CaO ونتريد الكالسيوم Ca3N2.[16] لكن عندما يكون الكالسيوم بشكل مسحوقٍ ناعمٍ فإنّه يحترق بالهواء، في حين أنّ الكمّيات الأكبر تكون ذات نشاط كيميائي أقلّ نسبياً، ولكن الأمر يعتمد على الرطوبة النسبية، فعندما تكون أقل من 30% يكون النشاط الكيميائي ضعيفاً.[10] من جهةٍ أخرى، ينحلّ فلز الكالسيوم في الأمونيا السائلة ليعطي محلولاً ذا لون أزرق غامق.[23]
بالإضافة إلى أكسيد الكالسيوم CaO، يشكّل الكالسيوم أيضاً مع الأكسجين مركّب بيروكسيد الكالسيوم CaO2، لكنّ الدلائل على وجود أكسيد فائق Ca(O2)2 ليست بكبيرة.[26] يعدّ هيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)2 قاعدةً قويّة، لكنّها أضعف من هيدروكسيدات السترونشيوم والباريوم، وكذلك أضعف من هيدروكسيدات الفلزّات القلوية.[27] إنّ جميع الهاليدات الثنائية للكالسيوم معروفة (الفلوريد CaF2 والكلوريد CaCl2 والبروميد CaBr2 واليوديد CaI2)؛[28] بالإضافة إلى ذلك فإنّ كربونات الكالسيوم (CaCO3) وكبريتات الكالسيوم (CaSO4 ) هي مركّبات متوفّرة على شكل معادن منتشرة في الطبيعة.[29]
بسبب الحجم الكبير لأيون الكالسيوم 2+Ca فإنّ امتلاك الكالسيوم لعددٍ تناسقيٍّ كبير أمرٌ شائع، وهو يصل إلى 24 في بعض المركّبات بين الفلزّية مثل CaZn13.[30] يمكن أن يتعقّد الكالسيوم بسهولة من المُتَمَخلِبات الأكسجينية مثل EDTA ومركّبات متعدّدة الفوسفات (بولي فوسفات)، وهذا الأمر له أهمّية كبيرة في الكيمياء التحليلية ولإزالة أيونات الكالسيوم من المياه العَسِرَة. بغياب إعاقة فراغية فإنّ الكالسيوم يستطيع أن يشكّل معقّدات قوية، ولكن عند وجود حلقات ضخمة متعدّدة السنّ فإنّ المعقّدات تصبح أضعف وأقلّ ثباتية.[29]
على الرغم من وجود الكالسيوم في نفس مجموعة المغنسيوم، إلّا أنّ المقدرة على تشكيل مركّبات عضوية فلزّية متباينة بينهما، فالأخير قادر على تشكيل مركّبات غرينيار، في حين أنّ الكالسيوم من النادر أن يشكّل مركبات عضوية فلزية، إذ أن مركّبات الكالسيوم العضوية أصعب تحضيراً وأقلّ استقراراً؛ رغم ذلك، فإنّها لا تزال محطّ أبحاث لاحتمال استخدامها في عمليات التحفيز.[31][32][33][34][35] من الأمثلة على مركّبات الكالسيوم العضوية معقّد ثنائي حلقي بنتاديينيد الكالسيوم Ca(C5H5)2، رغم أن إضافة مستبدل ميثيلي على حلقة البنتاديين يزيد من انحلالية وتطايرية والاستقرار الحركي للمعقّد.[36]
الدور الحيوي
- مقالات مفصلة: الكالسيوم في علم الأحياء
- استقلاب الكالسيوم
العمر | مقدار الكالسيوم (ملغ/يوم) |
---|---|
1–3 سنوات | 700 |
4–8 سنوات | 1000 |
9–18 سنة | 1300 |
19–50 سنة | 1000 |
>51 سنة | 1000 |
الحمل | 1000 |
الإرضاع | 1000 |
الوظيفة
الكالسيوم عنصرٌ أساسي يحتاج إليه الجسد بكمّيات كبيرة. يعمل الأيون Ca2+ ككهرل وهو أساسي لصحّة الأنظمة العضلية والدورانية والهضمية، ولا غنى عنه في تكوين العظام ويدعم تخليق ووظيفة الخلايا الدموية. على سبيل المثال، ينظّم الكالسيوم انقباض العضلات والنقل العصبي وتجلّط الدم. ونتيجةً لذلك تُنظَّم مستويات الكالسيوم داخل وخارج الخلية بإحكام بواسطة الجسد. يمكن للكالسيوم لعب هذه الأدوار لأنّ أيونات Ca2+ تشكّل معقّدات تناسقية مستقرّة مع العديد من المركّبات العضوية وبشكل خاص البروتينات، كما تشكّل مركّبات مع مجموعة متنوّعة من المركّبات القابلة للذوبان، وهذا يسمح بتكوين الهيكل العظمي.[38]
الكالسيوم فلز أساسي في تركيب العظام في جسد الإنسان والحيوان، وكذلك عنصر أساسي في تركيب الأسنان وسلامتها . بالنسبة للأم الحامل ينصح خبراء التغذية بأن تتعاطى مع الغذاء مالا يقل عن 1000 مليجرام (أي 1 جرام) من الكالسيوم أثناء الحمل وخلال السنة الأولى للرضاعة، حتى يتمتع الجنين وبعد ذلك الرضيع ببنية عظمية وأسنان سليمة . مراعاة هذا الشرط يمنع أن تفقد الأم أثناء الحمل من محتويات الكالسيوم التي في عظامها، فإن هذا يؤثر سلبا على صحتها وسلامتها في بقية حياتها . ذلك الحد لغذاء المرأة الحامل حددته هيئة طبية متخصصة DGE ، مكونة من أطباء وخبراء تغذية من البلاد المتحدثة باللغة الألمانية وهي ألمانيا و النمسا و سويسرا . تلك الهيئة تتقابل عدة مرات خلال السنة وتراجع ما جرى من أبحاث طبية في شأن ما، وتعدل على أساس المستجدات مستوى تواجد عنصر ما في غذاء الإنسان .
كذلك تهتم الهيئة DGE باحتياج الأطفال المتزايد للكالسيوم قبل وخلال فترة البلوغ، حيث ينمو جسم الطفل بطريقة سريعة . ولكن الكثير من المواد الغذائية غنية بالكالسيوم، مثل: الحليب ومنتجات الحليب كالجبن والزبادي، وفي الخبز المصنوع من الدقيق الكامل (يحتوي على النخالة) ، و في الخضروات والفاكهة وفي الأسماك والبيض، ومهم هنا تنويع الغذاء بحيث تضمن الأم حصول الطفل على ما يحتاجه من الكالسيوم عن طريق تنويع الغذاء.
توجد في تلك المواد الغذائية المذكورة أعلاه عناصر أخري مهمه لتركيب جسم الإنسان وتحافظ على سلامته، ونذكر هنا على سبيل المثال : عناصر الحديد واليود، والماغنسيوم، وحمض الفوليك، والفيتامينات .
نلاحظ في الجدول المأخوذ عن معهد الولايات المتحدة للطب أن احتياج الأطفال بين سن 9 – 18 إلى الكالسيوم بنسبة أكبر من الصغار والكبار، فاحتياجهم اليومي يصل إلى 1300 مليجرام من الكالسيوم . هذا يتوافق مع بيانات هيئة الأوربية . كما نلاحظ أن احتياج كبار السن لا يقل عن 1000 مليجرام من الكالسيوم في اليوم، هذا حتى لا يحدث لهم تلين العظام في الكبر.
الارتباط
يمكن أن تشكّل أيونات الكالسيوم معقّدات مع البروتين عبر الارتباط بمجموعات الكربوكسيل الخاصّة بوحدات حمض الجلوتاميك وحمض الأسبارتيك، أو عبر التآثر مع وحدات السيرين، التيروسين أو الثريونين المفسفرة، أو عبر التمخلب بواسطة وحدات الأحماض الأمينية المكرسلة-γ. يستخدم التريبسين -وهوإنزيم هضمي- الطريقة الأولى، في حين يستخدم الأوستيوكالسين – وهو بروتين في مطرس العظام- الطريقة الثالثة. أمّا بعض بروتينات مطرس العظام الأخرى مثل أوستيوبونتين وسيالوبروتين العظم تستخدم كلا الطريقتين الأولى والثانية. إن التنشيط المباشر للإنزيمات عبر الارتباط بالكالسيوم أمرٌ شائع، وبعض الإنزيمات الأخرى تُنشَّط بواسطة ترابط غير تساهمي مع إنزيمات مرتبطة مباشرة بالكالسيوم. يرتبط الكالسيوم كذلك بغشاء الخلية الفوسفولبيدي، مثبّتاً البروتينات المرتبطة بسطح الخلية.[38]
الذوبانية
يعتبر مركّب فوسفات أحادي الكالسيوم مرتفع الذوبانية في الماء أحد الأمثلة على المجال الواسع لذوبانية مركّبات الكالسيوم، ويكون حوالي 85% من الكالسيوم خارج الخلوي على شكل فوسفات ثنائي الكالسيوم مع ذوبانية تقدّر بـ 2.0 ميلي مول؛ بالمقابل فإنّ هيدروكسيل أباتيت العظام في المطرس العضوي هو فوسفات ثلاثي الكالسيوم وتقدّر ذوبانيته بـ 100 ميكرو مول.[38]
التنظيم الهرموني لتكوين العظام
يعزّز الهرمون الدرقي وفيتامين دي تكوين العظام عبر السماح بتحسين ترسيب أيونات الكالسيوم فيها، ما يسمح بتخليقٍ سريعٍ للعظام من دون التأثير على كتلة العظم ومحتوى الملح. حين تنخفض مستويات الكالسيوم في البلازما، تُنشَّط مستقبلات سطح الخلية ويحدث إفراز الهرمون الدرقي الذي يعمل على تحفيز دخول الكالسيوم إلى بلازما الدم عبر أخذها من خلايا الكلية والأمعاء والعظام المستهدفة. إن عمل الهرمون الدرقي في تحفيز تكوين العظام يعاكسه عمل الكالسيتونين الذي يزيد إفرازه عند تزايد مستويات الكالسيوم في البلازما.[38]
مستويات غير طبيعية بالبلازما
قد يسبب التناول الفائض للكالسيوم حدوث فرط كالسيوم الدم. وبما أنّ امتصاص الأمعاء له غير فعال، فعلى الأرجح يمكن أن يحدث ارتفاع الكالسيوم في البلازما بسبب الإفراز المفرط للهرمون الدرقي، أو ربما بالتناول المفرط لفيتامين دي، وكلاهما يُسهِّل عملية امتصاص الكالسيوم. يمكن أن يحدث كذلك بسبب تخرّب العظام الذي يحدث عند انبثاث الأورام داخل العظام. جميع هذه الظروف ينتج عنها ترسيب أملاح الكالسيوم الفائضة في القلب أو الأوعية الدموية أو الكلى. تشمل أعراض فرط كالسيوم الدم فقدان الشهية وغثيان وتقيؤ وفقدان الذاكرة والارتباك وضعف العضلات وزيادة التبوّل وتجفاف وأمراض العظام الأيضية. يقود فرط كالسيوم الدم المزمن عادةً إلى تكلّس النسيج اللين وهو مرض خطير: على سبيل المثال، يمكن أن يسبّب التكلّس فقدان مرونة الجدران الوعائية واضطراباً في تدفّق الدمّ الصفيحي، ومنه إلى تمزّق الصفائح الدموية وحدوث الخثار. من جهةٍ أخرى، فإنّ تناول الكالسيوم أو فيتامين دي غير الكافي قد ينتج عنه نقص كالسيوم الدم الذي يسبّبه عادةَ الإفراز غير الكافي للهرمون الدرقي أو المستقبلات الخلوية الخاصّة به. تشمل الأعراض استثارة الأعصاب العضلية، والتي يُحتمل أن تسبّب التكزز واضطراباً في الموصلية داخل النسيج القلبي.[38]
مرض العظام
للكالسيوم دور كبير في تخليق العظام، والعديد من أمراض العظام يمكن أن ترجع إلى مشاكل في مطرسها العضوي أو هيدروكسيل أباتيت في البنية أو التنظيم الجزيئي للمطرس. على سبيل المثال: هشاشة العظام هي انخفاض في محتوى ملح الكالسيوم في العظم لكل وحدة حجم، ويمكن أن تُعالج بواسطة مكمّلات الكالسيوم وفيتامين دي وبيسفوسفونات. مكمّلات الكالسيوم يمكن أن ترفع لبيدات البلازما لدى النساء اللاتي تجاوزن سن اليأس وكذلك الرجال كبار السن، بعد سن اليأس يظهر أن تناول النساء لمكمّلات الكالسيوم له علاقة مترابطة بالأمراض الوعائية القلبية. كما أنّ تناول كمّيات غير كافية من الكالسيوم والفيتامين دي وربما الفوسفات يمكن أن تقود إلى تلين العظام.[38]
المصادر الغذائية
جدول بمحتوى الكالسيوم (بالميليغرام) في الأطعمة لكل 100 غ.[40]
طعام، كالسيوم لكل 100غ |
---|
بارميجيانو (جبن) = 1140 ملغ |
حليب مجفف = 909 ملغ |
جبن الماعز الصلب = 895 ملغ |
جبنة تشيدر = 720 ملغ |
عجينة الطحينة = 427 ملغ |
دبس السكر = 273 ملغ |
لوز = 234 ملغ |
كرنب أخضر = 232 ملغ |
كرنب أجعد = 150 ملغ |
طعام، كالسيوم لكل 100غ |
---|
حليب الماعز = 134 ملغ |
بذور السمسم (غير مقشرة) = 125 ملغ |
حليب البقر خالي من الدهون = 122 ملغ |
زبادي الحليب كامل الدسم = 121 ملغ |
بندق = 114 ملغ |
توفو طري = 114 ملغ |
شمندر أحمر = 114 ملغ |
سبانخ = 99 ملغ |
ريكوتا (جبن حليب منزوع الدسم) = 90 ملغ |
طعام، كالسيوم لكل 100غ |
---|
عدس = 79 ملغ |
حمص شائع = 53 ملغ |
بيض مغلى = 50 ملغ |
برتقال = 40 ملغ |
حليب بشري = 33 ملغ |
أرز أبيض طويل البذرة = 19 ملغ |
لحم بقر = 12 ملغ |
سمك القد = 11 ملغ |
الاستخدامات
- مقالة مفصلة: مكملات الكالسيوم
كالسيوم | |
---|---|
المخاطر | |
رمز الخطر وفق GHS | |
وصف الخطر وفق GHS | خطر |
بيانات الخطر وفق GHS | H261 |
بيانات وقائية وفق GHS | P231+232, P422[41] |
NFPA 704 | |
في حال عدم ورود غير ذلك فإن البيانات الواردة أعلاه معطاة بالحالة القياسية (عند 25 °س و 100 كيلوباسكال) | |
الاستخدام الأكبر للكالسيوم المعدني هو في إنتاج الصلب بسبب ألفته الكيميائية القوية للأكسجين والكبريت. حين يتشكّل أكسيده وكبريتيده، واللذان يخرجان مع الخبث أثناء صناعة الفولاذ، ولكن قد تتبقى نسبة قليلة من هذه الشوائب والتي تتشتّت عبر الصلب وتصبح صغيرة وكروية، وهذا يحسّن قابلية الصب والنقاء وخصائصًا ميكانيكيةً عامة.
يُستخدَم الكالسيوم كذلك في بطاريات السيارات التي لا تحتاج صيانة، والتي يُؤدي فيها استخدام 0.1% من سبيكة الكالسيوم-رصاص بدلاً من سبائك إثمد-رصاص المعتادة إلى فقدانٍ أقلٍّ للماء وتفريغ شحنة ذاتي أقل. بسبب خطر التمدد والتشقق، عادةً ما يضاف الألومنيوم إلى هذه السبائك. تُستخدم سبائك الرصاص-كالسيوم هذه في صبّ واستبدال سبائك الرصاص-إثمد.[42] يُستخدم الكالسيوم أيضا في تقوية سبائك الألومنيوم المستخدمة في الدعامات، وفي التحكّم بالكربون الغرافيتي في حديد الزهر، ولنزع شوائب البزموت من الرصاص.[12] يتواجد معدن الكالسيوم في منظّفات المصارف، حيث يعمل على توليد الحرارة وهيدروكسيد الكالسيوم اللذين يصبِّنان الدهون ويُسيِّلان البروتينات (كتلك الموجودة في الشعر) التي تسدّ المصارف.[43] فضلاً عن علم الفلزات، تُستغلّ تفاعلية الكالسيوم لإزالة النتروجين من غاز الآرغون عالي النقاء وكمستأصل لغازي الأكسجين والنتروجين. ويُستخدم كذلك كمختزل في إنتاج الكروم، الزركونيوم، الثوريوم واليورانيوم. يمكن أن يُستخدم أيضاً لتخزين غاز الهيدروجين، لأنه يتفاعل مع الهيدروجين لتشكيل هيدريد الكالسيوم الصلب، الذي يمكن استخراج الهيدروجين منه بسهولة.[12]
قادت التجزئة النظائرية للكالسيوم أثناء تكوّن المعدن إلى العديد من التطبيقات لنظائر الكالسيوم، وبشكل خاص ملاحظة سكولان وديباولو سنة 1997[44]: معادن الكالسيوم أخفّ نظائرياً من المحاليل التي تترشّح منها هذه المعادن، وهي أساس تطبيقات تماثلية في الطب وفي علم المحيطات القديمة. لدى الحيوانات ذات الهياكل العظمية المتمعدنة بالكالسيوم، يعكس تركيب الكالسيوم النظائري للنسيج الليّن المعدّل النسبي لتكوين وانحلال معدن الهيكل العظمي. لدى البشر، أظهرت التغيُّرات في تركيب الكالسيوم النظائري للبول أنّ لها علاقة بتغيّرات توازن معدن العظام. حين يتجاوز معدّل تكوّن العظام معدّل إعادة امتصاص الكالسيوم من العظام، تزداد نسبة 44Ca/40Ca في النسيج اللين والعكس بالعكس. بسبب هذه العلاقة، قياسات نظائر الكالسيوم في البول أو الدم مفيدة للتحديد المبكّر لأمراض أيض العظام مثل هشاشة العظام.[45] يوجد نظام مماثل في ماء البحر، حيث تميل نسبة 44Ca/40Ca إلى الارتفاع حين تتجاوز إزالة Ca2+ عبر ترسّب المعادن معدّل إضافة كالسيوم جديد في المحيط. في سنة 1997، قدّم سكولان وديباولو أوّل دليل على تغيّر نسبة 44Ca/40Ca الخاصّة بماء البحر عبر الزمن الجيولوجي، جنباً إلى جنب مع تفسير نظري لهذه التغيّرات. أكّدت أوراق بحثية حديثة لاحقة هذه الملاحظة، مبرهنةً أنّ تركيز ماء البحر من Ca2+ ليس ثابتاً، وأنّ المحيط لا يكون أبدا في حالة ثابتة اتجاه مدخلات ومخرجات الكالسيوم. ولهذا مقتضيات مناخية مهمة، لكون دورة الكالسيوم البحرية ذات صلة وثيقة بدورة الكربون.[46][47]
تُستخدم العديد من مركّبات الكالسيوم في الطعام، كمستحضرات صيدلانية، وفي الطب ومجالات أخرى. على سبيل المثال يضاف الكالسيوم والفسفور إلى الطعام عبر إضافة لاكتات الكالسيوم، بيروفوسفات الكالسيوم وفوسفات ثلاثي الكالسيوم. يُستخدَم الأخير كذلك كعامل تلميع في معجون الأسنان ومضادات الحموضة. لاكتوبيونيك الكالسيوم مسحوق أبيض يُستخدم كعامل تعليق في المستحضرات الصيدلانية. في الخَبز يُستخدم فوسفات أحادي الكالسيوم كعامل تخمير. يُستخدم كبريتيت الكالسيوم كمبيِّضٍ في إنتاج الأوراق وكمطهر، تُستخدم سيليكات الكالسيوم كعامل تقوية في المطاط، وأسيتات الكالسيوم هو مكون في تركيب القلفونية ويُستخدم لإنتاج الصابون المعدني وفي صناعة الصمغ.[42]
احتياطات الأمان
فلز الكالسيوم
يتفاعل الكالسيوم بشكل طارد للحرارة مع الماء، حتى أنه يتآثر مع الرطوبة الجسمية ممّا ينتج عنه تهييجات وأكّالة وحادّة.[48] يحدث نفس التأثير عند ابتلاع الكالسيوم على الفم والمريء والمعدة، ويمكن أن يكون قاتلاً.[43] لكن، لا يُعرف إن كان للتعرّض طويل المدى لفلزّ الكالسيوم تأثيرات ضارّة محدّدة.[48]
الكالسيوم في الطعام
بسبب دواعي قلق من التأثيرات الجانبية الضارّة طويلة المدى للكالسيوم بما في ذلك تكلس الشرايين، حدّد كلّ من معهد الولايات المتحدة للطبّ والهيئة الأوروبية لسلامة الأغذية معدّلات التناول الأقصى المحتملة (ULs) للكالسيوم المتحصّل عليها من الحمية الغذائية والمكمّلات. حدّد المعهد الطبي الأمريكي، للأشخاص بين 9-18 سنة معدّلاً أقصى لا يتجاوز 3 غ/يوم، وللأشخاص بين 19-50 سنة 2.5 غ/يوم، أمّا فوق 50 سنة فلا يجب تتجاوز 2 غ/يوم.[49] أمّا الهيئة الأوروبية فحدّدت المعدّل الأقصى للبالغين بـ 2.5 غ/يوم، وقرّرت أنّ المعلومات لم تكن كافية لتحديده بالنسبة للأطفال والمراهقين.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
Calcium
Jump to navigationJump to search
Calcium is a chemical element with the symbol Ca and atomic number 20. As an alkaline earth metal, calcium is a reactive metal that forms a dark oxide-nitride layer when exposed to air. Its physical and chemical properties are most similar to its heavier homologues strontium and barium. It is the fifth most abundant element in Earth’s crust and the third most abundant metal, after iron and aluminium. The most common calcium compound on Earth is calcium carbonate, found in limestone and the fossilised remnants of early sea life; gypsum, anhydrite, fluorite, and apatite are also sources of calcium. The name derives from Latin calx “lime“, which was obtained from heating limestone.
Some calcium compounds were known to the ancients, though their chemistry was unknown until the seventeenth century. Pure calcium was isolated in 1808 via electrolysis of its oxide by Humphry Davy, who named the element. Calcium compounds are widely used in many industries: in foods and pharmaceuticals for calcium supplementation, in the paper industry as bleaches, as components in cement and electrical insulators, and in the manufacture of soaps. On the other hand, the metal in pure form has few applications due to its high reactivity; still, in small quantities it is often used as an alloying component in steelmaking, and sometimes, as a calcium–lead alloy, in making automotive batteries.
Calcium is the most abundant metal and the fifth-most abundant element in the human body.[5] As electrolytes, calcium ions play a vital role in the physiological and biochemical processes of organisms and cells: in signal transduction pathways where they act as a second messenger; in neurotransmitter release from neurons; in contraction of all muscle cell types; as cofactors in many enzymes; and in fertilization.[5] Calcium ions outside cells are important for maintaining the potential difference across excitable cell membranes, protein synthesis, and bone formation.[5][6]
Characteristics
Classification
Calcium is a very ductile silvery metal (sometimes described as pale yellow) whose properties are very similar to the heavier elements in its group, strontium, barium, and radium. A calcium atom has twenty electrons, arranged in the electron configuration [Ar]4s2. Like the other elements placed in group 2 of the periodic table, calcium has two valence electrons in the outermost s-orbital, which are very easily lost in chemical reactions to form a dipositive ion with the stable electron configuration of a noble gas, in this case argon. Hence, calcium is almost always divalent in its compounds, which are usually ionic. Hypothetical univalent salts of calcium would be stable with respect to their elements, but not to disproportionation to the divalent salts and calcium metal, because the enthalpy of formation of MX2 is much higher than those of the hypothetical MX. This occurs because of the much greater lattice energy afforded by the more highly charged Ca2+ cation compared to the hypothetical Ca+ cation.[7]
Calcium, strontium, barium, and radium are always considered to be alkaline earth metals; the lighter beryllium and magnesium, also in group 2 of the periodic table, are often included as well. Nevertheless, beryllium and magnesium differ significantly from the other members of the group in their physical and chemical behaviour: they behave more like aluminium and zinc respectively and have some of the weaker metallic character of the post-transition metals, which is why the traditional definition of the term “alkaline earth metal” excludes them.[8] This classification is mostly obsolete in English-language sources, but is still used in other countries such as Japan.[9] As a result, comparisons with strontium and barium are more germane to calcium chemistry than comparisons with magnesium.[7]
Physical
Calcium metal melts at 842 °C and boils at 1494 °C; these values are higher than those for magnesium and strontium, the neighbouring group 2 metals. It crystallises in the face-centered cubic arrangement like strontium; above 450 °C, it changes to an anisotropic hexagonal close-packed arrangement like magnesium. Its density of 1.55 g/cm3 is the lowest in its group.[7] Calcium is harder than lead but can be cut with a knife with effort. While calcium is a poorer conductor of electricity than copper or aluminium by volume, it is a better conductor by mass than both due to its very low density.[10] While calcium is infeasible as a conductor for most terrestrial applications as it reacts quickly with atmospheric oxygen, its use as such in space has been considered.[11]
Chemical
The chemistry of calcium is that of a typical heavy alkaline earth metal. For example, calcium spontaneously reacts with water more quickly than magnesium and less quickly than strontium to produce calcium hydroxide and hydrogen gas. It also reacts with the oxygen and nitrogen in the air to form a mixture of calcium oxide and calcium nitride.[12] When finely divided, it spontaneously burns in air to produce the nitride. In bulk, calcium is less reactive: it quickly forms a hydration coating in moist air, but below 30% relative humidity it may be stored indefinitely at room temperature.[13]
Besides the simple oxide CaO, the peroxide CaO2 can be made by direct oxidation of calcium metal under a high pressure of oxygen, and there is some evidence for a yellow superoxide Ca(O2)2.[14] Calcium hydroxide, Ca(OH)2, is a strong base, though it is not as strong as the hydroxides of strontium, barium or the alkali metals.[15] All four dihalides of calcium are known.[16] Calcium carbonate (CaCO3) and calcium sulfate (CaSO4) are particularly abundant minerals.[17] Like strontium and barium, as well as the alkali metals and the divalent lanthanides europium and ytterbium, calcium metal dissolves directly in liquid ammonia to give a dark blue solution.[7]
Due to the large size of the Ca2+ ion, high coordination numbers are common, up to 24 in some intermetallic compounds such as CaZn13.[18] Calcium is readily complexed by oxygen chelates such as EDTA and polyphosphates, which are useful in analytic chemistry and removing calcium ions from hard water. In the absence of steric hindrance, smaller group 2 cations tend to form stronger complexes, but when large polydentate macrocycles are involved the trend is reversed.[17]
Although calcium is in the same group as magnesium and organomagnesium compounds are very commonly used throughout chemistry, organocalcium compounds are not similarly widespread because they are more difficult to make and more reactive, although they have recently been investigated as possible catalysts.[19][20][21][22][23] Organocalcium compounds tend to be more similar to organoytterbium compounds due to the similar ionic radii of Yb2+ (102 pm) and Ca2+ (100 pm). Most of these compounds can only be prepared at low temperatures; bulky ligands tend to favor stability. For example, calcium dicyclopentadienyl, Ca(C5H5)2, must be made by directly reacting calcium metal with mercurocene or cyclopentadiene itself; replacing the C5H5 ligand with the bulkier C5(CH3)5 ligand on the other hand increases the compound’s solubility, volatility, and kinetic stability.[24]
Isotopes
Natural calcium is a mixture of five stable isotopes (40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, and 46Ca) and one isotope with a half-life so long that it can be considered stable for all practical purposes (48Ca, with a half-life of about 4.3 × 1019 years). Calcium is the first (lightest) element to have six naturally occurring isotopes.[12]
By far the most common isotope of calcium in nature is 40Ca, which makes up 96.941% of all natural calcium. It is produced in the silicon-burning process from fusion of alpha particles and is the heaviest stable nuclide with equal proton and neutron numbers; its occurrence is also supplemented slowly by the decay of primordial 40K. Adding another alpha particle would lead to unstable 44Ti, which quickly decays via two successive electron captures to stable 44Ca; this makes up 2.806% of all natural calcium and is the second-most common isotope. The other four natural isotopes, 42Ca, 43Ca, 46Ca, and 48Ca, are significantly rarer, each comprising less than 1% of all natural calcium. The four lighter isotopes are mainly products of the oxygen-burning and silicon-burning processes, leaving the two heavier ones to be produced via neutron capture processes. 46Ca is mostly produced in a “hot” s-process, as its formation requires a rather high neutron flux to allow short-lived 45Ca to capture a neutron. 48Ca is produced by electron capture in the r-process in type Ia supernovae, where high neutron excess and low enough entropy ensures its survival.[25][26]
46Ca and 48Ca are the first “classically stable” nuclides with a six-neutron or eight-neutron excess respectively. Although extremely neutron-rich for such a light element, 48Ca is very stable because it is a doubly magic nucleus, having 20 protons and 28 neutrons arranged in closed shells. Its beta decay to 48Sc is very hindered because of the gross mismatch of nuclear spin: 48Ca has zero nuclear spin, being even–even, while 48Sc has spin 6+, so the decay is forbidden by the conservation of angular momentum. While two excited states of 48Sc are available for decay as well, they are also forbidden due to their high spins. As a result, when 48Ca does decay, it does so by double beta decay to 48Ti instead, being the lightest nuclide known to undergo double beta decay.[27][28] The heavy isotope 46Ca can also theoretically undergo double beta decay to 46Ti as well, but this has never been observed; the lightest and most common isotope 40Ca is also doubly magic and could undergo double electron capture to 40Ar, but this has likewise never been observed. Calcium is the only element to have two primordial doubly magic isotopes. The experimental lower limits for the half-lives of 40Ca and 46Ca are 5.9 × 1021 years and 2.8 × 1015 years respectively.[27]
Apart from the practically stable 48Ca, the longest lived radioisotope of calcium is 41Ca. It decays by electron capture to stable 41K with a half-life of about a hundred thousand years. Its existence in the early Solar System as an extinct radionuclide has been inferred from excesses of 41K: traces of 41Ca also still exist today, as it is a cosmogenic nuclide, continuously reformed through neutron activation of natural 40Ca.[26] Many other calcium radioisotopes are known, ranging from 35Ca to 60Ca. They are all much shorter-lived than 41Ca, the most stable among them being 45Ca (half-life 163 days) and 47Ca (half-life 4.54 days). The isotopes lighter than 42Ca usually undergo beta plus decay to isotopes of potassium, and those heavier than 44Ca usually undergo beta minus decay to isotopes of scandium, although near the nuclear drip lines, proton emission and neutron emission begin to be significant decay modes as well.[27]
Like other elements, a variety of processes alter the relative abundance of calcium isotopes.[29] The best studied of these processes is the mass-dependent fractionation of calcium isotopes that accompanies the precipitation of calcium minerals such as calcite, aragonite and apatite from solution. Lighter isotopes are preferentially incorporated into these minerals, leaving the surrounding solution enriched in heavier isotopes at a magnitude of roughly 0.025% per atomic mass unit (amu) at room temperature. Mass-dependent differences in calcium isotope composition are conventionally expressed by the ratio of two isotopes (usually 44Ca/40Ca) in a sample compared to the same ratio in a standard reference material. 44Ca/40Ca varies by about 1% among common earth materials.[30]
History
Calcium compounds were known for millennia, although their chemical makeup was not understood until the 17th century.[31] Lime as a building material[32] and as plaster for statues was used as far back as around 7000 BC.[33] The first dated lime kiln dates back to 2500 BC and was found in Khafajah, Mesopotamia.[34][35] At about the same time, dehydrated gypsum (CaSO4·2H2O) was being used in the Great Pyramid of Giza; this material would later be used for the plaster in the tomb of Tutankhamun. The ancient Romans instead used lime mortars made by heating limestone (CaCO3); the name “calcium” itself derives from the Latin word calx “lime”.[31] Vitruvius noted that the lime that resulted was lighter than the original limestone, attributing this to the boiling of the water; in 1755, Joseph Black proved that this was due to the loss of carbon dioxide, which as a gas had not been recognised by the ancient Romans.[36]
In 1787, Antoine Lavoisier suspected that lime might be an oxide of a fundamental chemical element. In his table of the elements, Lavoisier listed five “salifiable earths” (i.e., ores that could be made to react with acids to produce salts (salis = salt, in Latin): chaux (calcium oxide), magnésie (magnesia, magnesium oxide), baryte (barium sulfate), alumine (alumina, aluminium oxide), and silice (silica, silicon dioxide)). About these “elements”, Lavoisier speculated:
We are probably only acquainted as yet with a part of the metallic substances existing in nature, as all those which have a stronger affinity to oxygen than carbon possesses, are incapable, hitherto, of being reduced to a metallic state, and consequently, being only presented to our observation under the form of oxyds, are confounded with earths. It is extremely probable that barytes, which we have just now arranged with earths, is in this situation; for in many experiments it exhibits properties nearly approaching to those of metallic bodies. It is even possible that all the substances we call earths may be only metallic oxyds, irreducible by any hitherto known process.[37]
Calcium, along with its congeners magnesium, strontium, and barium, was first isolated by Humphry Davy in 1808. Following the work of Jöns Jakob Berzelius and Magnus Martin af Pontin on electrolysis, Davy isolated calcium and magnesium by putting a mixture of the respective metal oxides with mercury(II) oxide on a platinum plate which was used as the anode, the cathode being a platinum wire partially submerged into mercury. Electrolysis then gave calcium–mercury and magnesium–mercury amalgams, and distilling off the mercury gave the metal.[31][38] However, pure calcium cannot be prepared in bulk by this method and a workable commercial process for its production was not found until over a century later.[36]
Occurrence and production
At 3%, calcium is the fifth most abundant element in the Earth’s crust, and the third most abundant metal behind aluminium and iron.[31] It is also the fourth most abundant element in the lunar highlands.[13] Sedimentary calcium carbonate deposits pervade the Earth’s surface as fossilized remains of past marine life; they occur in two forms, the rhombohedral calcite (more common) and the orthorhombic aragonite (forming in more temperate seas). Minerals of the first type include limestone, dolomite, marble, chalk, and iceland spar; aragonite beds make up the Bahamas, the Florida Keys, and the Red Sea basins. Corals, sea shells, and pearls are mostly made up of calcium carbonate. Among the other important minerals of calcium are gypsum (CaSO4·2H2O), anhydrite (CaSO4), fluorite (CaF2), and apatite ([Ca5(PO4)3F]).[31]
The major producers of calcium are China (about 10000 to 12000 tonnes per year), Russia (about 6000 to 8000 tonnes per year), and the United States (about 2000 to 4000 tonnes per year). Canada and France are also among the minor producers. In 2005, about 24000 tonnes of calcium were produced; about half of the world’s extracted calcium is used by the United States, with about 80% of the output used each year.[11] In Russia and China, Davy’s method of electrolysis is still used, but is instead applied to molten calcium chloride.[11] Since calcium is less reactive than strontium or barium, the oxide–nitride coating that results in air is stable and lathe machining and other standard metallurgical techniques are suitable for calcium.[39] In the United States and Canada, calcium is instead produced by reducing lime with aluminium at high temperatures.[11]
Geochemical cycling
Calcium cycling provides a link between tectonics, climate, and the carbon cycle. In the simplest terms, uplift of mountains exposes calcium-bearing rocks to chemical weathering and releases Ca2+ into surface water. These ions are transported to the ocean where they react with dissolved CO2 to form limestone (CaCO
3), which in turn settles to the sea floor where it is incorporated into new rocks. Dissolved CO2, along with carbonate and bicarbonate ions, are termed “dissolved inorganic carbon” (DIC).[40]
The actual reaction is more complicated and involves the bicarbonate ion (HCO−
3) that forms when CO2 reacts with water at seawater pH:
At seawater pH, most of the CO2 is immediately converted back into HCO−
3. The reaction results in a net transport of one molecule of CO2 from the ocean/atmosphere into the lithosphere.[41] The result is that each Ca2+ ion released by chemical weathering ultimately removes one CO2 molecule from the surficial system (atmosphere, ocean, soils and living organisms), storing it in carbonate rocks where it is likely to stay for hundreds of millions of years. The weathering of calcium from rocks thus scrubs CO2 from the ocean and atmosphere, exerting a strong long-term effect on climate.[40][42]
Uses
The largest use of metallic calcium is in steelmaking, due to its strong chemical affinity for oxygen and sulfur. Its oxides and sulfides, once formed, give liquid lime aluminate and sulfide inclusions in steel which float out; on treatment, these inclusions disperse throughout the steel and became small and spherical, improving castability, cleanliness and general mechanical properties. Calcium is also used in maintenance-free automotive batteries, in which the use of 0.1% calcium–lead alloys instead of the usual antimony–lead alloys leads to lower water loss and lower self-discharging. Due to the risk of expansion and cracking, aluminium is sometimes also incorporated into these alloys. These lead–calcium alloys are also used in casting, replacing lead–antimony alloys.[43] Calcium is also used to strengthen aluminium alloys used for bearings, for the control of graphitic carbon in cast iron, and to remove bismuth impurities from lead.[39] Calcium metal is found in some drain cleaners, where it functions to generate heat and calcium hydroxide that saponifies the fats and liquefies the proteins (for example, those in hair) that block drains.[44] Besides metallurgy, the reactivity of calcium is exploited to remove nitrogen from high-purity argon gas and as a getter for oxygen and nitrogen. It is also used as a reducing agent in the production of chromium, zirconium, thorium, and uranium. It can also be used to store hydrogen gas, as it reacts with hydrogen to form solid calcium hydride, from which the hydrogen can easily be re-extracted.[39]
Calcium isotope fractionation during mineral formation has led to several applications of calcium isotopes. In particular, the 1997 observation by Skulan and DePaolo[45] that calcium minerals are isotopically lighter than the solutions from which the minerals precipitate is the basis of analogous applications in medicine and in paleooceanography. In animals with skeletons mineralized with calcium, the calcium isotopic composition of soft tissues reflects the relative rate of formation and dissolution of skeletal mineral. In humans, changes in the calcium isotopic composition of urine have been shown to be related to changes in bone mineral balance. When the rate of bone formation exceeds the rate of bone resorption, the 44Ca/40Ca ratio in soft tissue rises and vice versa. Because of this relationship, calcium isotopic measurements of urine or blood may be useful in the early detection of metabolic bone diseases like osteoporosis.[46] A similar system exists in seawater, where 44Ca/40Ca tends to rise when the rate of removal of Ca2+ by mineral precipitation exceeds the input of new calcium into the ocean. In 1997, Skulan and DePaolo presented the first evidence of change in seawater 44Ca/40Ca over geologic time, along with a theoretical explanation of these changes. More recent papers have confirmed this observation, demonstrating that seawater Ca2+ concentration is not constant, and that the ocean is never in a “steady state” with respect to calcium input and output. This has important climatological implications, as the marine calcium cycle is closely tied to the carbon cycle.[47][48]
Many calcium compounds are used in food, as pharmaceuticals, and in medicine, among others. For example, calcium and phosphorus are supplemented in foods through the addition of calcium lactate, calcium diphosphate, and tricalcium phosphate. The last is also used as a polishing agent in toothpaste and in antacids. Calcium lactobionate is a white powder that is used as a suspending agent for pharmaceuticals. In baking, calcium monophosphate is used as a leavening agent. Calcium sulfite is used as a bleach in papermaking and as a disinfectant, calcium silicate is used as a reinforcing agent in rubber, and calcium acetate is a component of liming rosin and is used to make metallic soaps and synthetic resins.[43]
Food sources
Foods rich in calcium include dairy products, such as yogurt and cheese, sardines, salmon, soy products, kale, and fortified breakfast cereals.[6]
Because of concerns for long-term adverse side effects, including calcification of arteries and kidney stones, both the U.S. Institute of Medicine (IOM) and the European Food Safety Authority (EFSA) set Tolerable Upper Intake Levels (ULs) for combined dietary and supplemental calcium. From the IOM, people of ages 9–18 years are not to exceed 3 g/day combined intake; for ages 19–50, not to exceed 2.5 g/day; for ages 51 and older, not to exceed 2 g/day.[49] EFSA set the UL for all adults at 2.5 g/day, but decided the information for children and adolescents was not sufficient to determine ULs.[50]
Biological and pathological role
Age | Calcium (mg/day) |
---|---|
1–3 years | 700 |
4–8 years | 1000 |
9–18 years | 1300 |
19–50 years | 1000 |
>51 years | 1000 |
Pregnancy | 1000 |
Lactation | 1000 |
Function
Calcium is an essential element needed in large quantities.[5][6] The Ca2+ ion acts as an electrolyte and is vital to the health of the muscular, circulatory, and digestive systems; is indispensable to the building of bone; and supports synthesis and function of blood cells. For example, it regulates the contraction of muscles, nerve conduction, and the clotting of blood. As a result, intra- and extracellular calcium levels are tightly regulated by the body. Calcium can play this role because the Ca2+ ion forms stable coordination complexes with many organic compounds, especially proteins; it also forms compounds with a wide range of solubilities, enabling the formation of the skeleton.[5][53]
Binding
Calcium ions may be complexed by proteins through binding the carboxyl groups of glutamic acid or aspartic acid residues; through interacting with phosphorylated serine, tyrosine, or threonine residues; or by being chelated by γ-carboxylated amino acid residues. Trypsin, a digestive enzyme, uses the first method; osteocalcin, a bone matrix protein, uses the third. Some other bone matrix proteins such as osteopontin and bone sialoprotein use both the first and the second. Direct activation of enzymes by binding calcium is common; some other enzymes are activated by noncovalent association with direct calcium-binding enzymes. Calcium also binds to the phospholipid layer of the cell membrane, anchoring proteins associated with the cell surface.[53]
Solubility
As an example of the wide range of solubility of calcium compounds, monocalcium phosphate is very soluble in water, 85% of extracellular calcium is as dicalcium phosphate with a solubility of 2.0 mM and the hydroxyapatite of bones in an organic matrix is tricalcium phosphate at 100 μM.[53]
Nutrition
Calcium is a common constituent of multivitamin dietary supplements,[5] but the composition of calcium complexes in supplements may affect its bioavailability which varies by solubility of the salt involved: calcium citrate, malate, and lactate are highly bioavailable, while the oxalate is less. Other calcium preparations include calcium carbonate, calcium citrate malate, and calcium gluconate.[5] The intestine absorbs about one-third of calcium eaten as the free ion, and plasma calcium level is then regulated by the kidneys.[5]
Hormonal regulation of bone formation and serum levels
Parathyroid hormone and vitamin D promote the formation of bone by allowing and enhancing the deposition of calcium ions there, allowing rapid bone turnover without affecting bone mass or mineral content.[5] When plasma calcium levels fall, cell surface receptors are activated and the secretion of parathyroid hormone occurs; it then proceeds to stimulate the entry of calcium into the plasma pool by taking it from targeted kidney, gut, and bone cells, with the bone-forming action of parathyroid hormone being antagonised by calcitonin, whose secretion increases with increasing plasma calcium levels.[53]
Abnormal serum levels
Excess intake of calcium may cause hypercalcemia. However, because calcium is absorbed rather inefficiently by the intestines, high serum calcium is more likely caused by excessive secretion of parathyroid hormone (PTH) or possibly by excessive intake of vitamin D, both which facilitate calcium absorption. All these conditions result in excess calcium salts being deposited in the heart, blood vessels, or kidneys. Symptoms include anorexia, nausea, vomiting, memory loss, confusion, muscle weakness, increased urination, dehydration, and metabolic bone disease. Chronic hypercalcaemia typically leads to calcification of soft tissue and its serious consequences: for example, calcification can cause loss of elasticity of vascular walls and disruption of laminar blood flow—and thence to plaque rupture and thrombosis. Conversely, inadequate calcium or vitamin D intakes may result in hypocalcemia, often caused also by inadequate secretion of parathyroid hormone or defective PTH receptors in cells. Symptoms include neuromuscular excitability, which potentially causes tetany and disruption of conductivity in cardiac tissue.[53]
Kidney stones
Excessive dietary calcium intake increases the risk of kidney stones, a painful condition resulting from formation of calcium oxalate crystals lodging in the urinary tract.[5][6]
Bone disease
As calcium is required for bone development, many bone diseases can be traced to the organic matrix or the hydroxyapatite in molecular structure or organization of bone. Osteoporosis is a reduction in mineral content of bone per unit volume, and can be treated by supplementation of calcium, vitamin D, and bisphosphonates.[5][6] Inadequate amounts of calcium, vitamin D, or phosphates can lead to softening of bones, called osteomalacia.[53]
Safety
Metallic calcium
Hazards | |
---|---|
GHS pictograms | |
GHS Signal word | Danger |
H261 | |
P231+232, P422[54] | |
NFPA 704 (fire diamond) |
Because calcium reacts exothermically with water and acids, calcium metal coming into contact with bodily moisture results in severe corrosive irritation.[55] When swallowed, calcium metal has the same effect on the mouth, oesophagus, and stomach, and can be fatal.[44] However, long-term exposure is not known to have distinct adverse effects.[55]
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
أيض الكالسيوم
أيض الكالسيوم Calcium metabolism أو استتباب الكالسيوم calcium homeostasis هو الآلية التي يحافظ بها الجسم على مستويات مناسبة من الكالسيوم. الشذود عن تلك المستويات المناسبة يؤدي إلى فرط الكالسيوم hypercalcemia أو نقص الكالسيوم hypocalcemia، وكلاهما له عواقب ضارة بالصحة.
الكالسيوم هو المعدن الأكثر وجوداً في الجسم البشري. رقمه الذري 20 وكتلته الذرية 40.08. وهو من المعادن الضرورية للحفاظ على صحة البدن. يشكل 1.5 ـ 2٪ من وزن الجسم، ويوجد 98٪ منه في العظام و1٪ في الأسنان، وتتوزع الكمية الباقية في الأنسجة والدوران.
تقوم شوارد الكلسيوم بدور حيوي مهم في العديد من العمليات الفيزيولوجية في الدم والعضلات والأعصاب والأنسجة، ولاسيما في تنظيم تقلص عضلة القلب، والناقلية العصبية، وتخثر الدم. يحتاج امتصاص الكلسيوم في الأمعاء إلى وجود الفيتامين D، وهرمون الدريقات (PTH) parathyroid hormone، وذلك للمحافظة على قيمه بشكل سوي ثابت.
المستوى المصلي للكالسيوم يتم تنظيمه عن كثب بحيث أن الكالسيوم الإجمالي العادي يكون 2.2-2.6 mmol/L (9-10.5 mg/dL) ويكون الكالسيوم المؤين العادي 1.1-1.4 mmol/L (4.5-5.6 mg/dL). وتتغير كمية إجمالي الكالسيوم مع مستوى الألبومين المصلي، وهو بروتين يرتبط به الكالسيوم. التأثير الحيوي للكالسيوم تحدده كمية الكالسيوم المؤين، وليس إجمالي الكالسيوم. والكالسيوم المؤين لا يتغير مع مستوى الألبومين، ولذلك فمن المفيد قياس مستوى الكالسيوم المؤين عندما يشذ الألبومين المصلي عن النطاقات الطبيعية، أو عندما يكون هناك شك في اضطراب بالكالسيوم بالرغم من سلامة مستوى الكالسيوم الشامل.
يبلغ متوسط تركيز الكلسيوم في البلازما 9.5 مغ /دل (8.5 ـ 10.5 مغ/دل). يكون 50٪ منه بشكل شاردي حر وهو الشكل الفعال حيوياً، و40٪ مرتبط ببروتينات البلازما، إضافة إلى 10٪ تكون على شكل معقدات مع ترسبات صغيرة.
عند تناقص كمية الكلسيوم في الدم تعمد الدريقات إلى إنتاج هرمون PTH الذي يحرر الكلسيوم من العظام، كما يزيد من امتصاصه في الأمعاء.
الأعضاء المنظـِمة
الفوسفات ثلاثية الكلسيوم
يأتي الفسفور كمعدن في الدرجة الثانية من الأهمية في البدن. ويوجد نحو 80٪ من فسفور الجسم بشكل أملاح فسفات الكلسيوم التي تؤلف المكون اللاعضوي للعظم. وتمنح أملاح فسفات الكلسيوم العظم قساوته، ولكنها تحفظ الفسفور أيضاً. يحتوي الهيكل العظمي على 98٪ من كلسيوم البدن بشكل بلورات خارج الخلايا عديمة الشكل ذات تركيب قريب من الهدروكسي أباتيت [Ca10 (PO4)6 (OH)2]. وعلى الرغم من أن 1٪ فقط من كلسيوم الهيكل العظمي يكون قابلاً للتبادل السريع مع الأساس المشترك للكلسيوم (جَميعة الكلسيوم) في البلازما، فإنه يؤلف المدّخر الرئيسي للكلسيوم الذي يحافظ على تركيزه الثابت في البلازما. تكون حركية الكلسيوم في الهيكل العظمي بالتبادل مع البلازما محكمة التنظيم على نحو يدخل ويخرج يومياً من الهيكل العظمي قرابة 500 مغ كلسيوم.
وجود الكلسيوم في الدم والبول
يصنف الكلسيوم فيزيولوجياً إلى كلسيوم داخل خلوي intracellular، وخارج خلوي extracellular، ويكون تركيز الكلسيوم داخل الخلوي أقل بنحو 1000 مرة من تركيزه خارج الخلية، مما يحدث مدروجاً كيميائياً لتبادل الكلسيوم عبر قنوات الكلسيوم المعتمدة على الأتباز ATPase وعلى التبادل بين شوارد الصوديوم والبوتاسيوم. ويتوضع في الخلية ضمن المتقدرات mitochondria والشبكة البلازمية. تؤثر عدة عوامل في تحريك الكلسيوم من الخلية وإليها، مثل زيادة النفوذية الغشائية والهرمونات ومضخة الكلسيوم المعتمدة على الأتباز ATPase.
أما الكلسيوم خارج الخلوي فله دور كبير في تمعدن العظام، شأنه في ذلك شأن تميم العامل cofactor للعديد من الأنزيمات كأنزيمات شلال التخثر. ويحرض عمليات التهيج العصبي، وتقلص عضلات القلب، وإطلاق الهرمونات، والنواقل العصبية.
تتم المحافظة على تركيز ثابت من الكلسيوم خارج الخلوي عبر الامتصاص المعوي، وارتشاف الشوارد من الطور المعدني للعظام. يتزايد امتصاص الكلسيوم خلال فترات النمو في الأطفال، وفي الحوامل والمرضعات، في حين يتناقص مع تقدم العمر. يمتد الوارد المثالي اليومي من الكلسيوم بين 400مغ في الأطفال و1500مغ لكبار السن (فوق 65 عاماً). وتشمل طرق سحبه من الدم: الإفراز عبر السبيل المعوي، والإفراغ البولي، والتوضع في الطور المعدني للعظام، والضياع في العرق.
لا يؤثر الوارد الغذائي بشكل مهم في كلسيوم البول في الأسوياء، ويعاد امتصاص معظمه في الأنابيب الكلوية. ويتأثر الإفراغ البولي للكلسيوم بإفراغ الشوارد الأخرى كالصوديوم والكبريت. ويراوح مقدار الكلسيوم في بول 24 ساعة بين 60 – 400 مغ/24 ساعة.
الكلسيتونين calcitonin وتأثيره في استقلاب الكلسيوم
هو ببتيد peptid يفرز بشكل رئيسي من الخلايا C في الغدة الدرقية، وينظم إفرازه بوساطة مستوى الكلسيوم الشاردي في الدم. تعاكس تأثيرات الكالسيتونين تأثيرات هرمون الدريقات PTH، ووظيفته الرئيسة تثبيط ارتشاف العظام بناقضات العظم osteoclast. كما يثبط الكالسيتونين عود الامتصاص الكلوي للكلسيوم والفسفات والصوديوم والبوتاسيوم والمغنسيوم، وعلى الرغم من ضبط الكلسيوم لإفراز الكالسيتونين إلا أنه ليس للكالسيتونين شأن فيزيولوجي أساسي في البشر، إذ لا تلاحظ تغيرات واضحة في الاستقلاب المعدني أو العظمي حين استئصال الغدة الدرقية استئصالاً تاماً. وقد يكون له أهميته في أثناء مراحل الحاجة المتزايدة للكلسيوم في الأجنة والأطفال والحوامل والمرضعات.
الكلمودولين calmodulin
هو المستقبل الداخل الخلوي للكلسيوم، وهو ينظم الفعاليات الفيزيولوجية لمجموعة كبيرة من البروتينات كالبروتين كيناز والفسفاتاز ونواقل الشوارد، فهو يؤثر في الاستقلاب الخلوي، والتقلص العضلي، والانتساخ، واستقلاب النوكليوتيدات الحلقية، وإنتاج حمض النتريك. يرتبط معقد (كلمودولين – Ca +2) المفعّل إلى البروتينات، والتي غالباً ما تكون أنزيمات بتفعيلها أو تثبيطها. كما يعمل هذا المعقد على تنظيم نشاط عناصر بنيوية عديدة في الخلية مثل معقد الآكتين – ميوزين في العضلات الملس.
الأمراض الناجمة عن نقص الكلسيوم
يتظاهر نقص كلسيوم الدم بحدوث اضطرابات عصبية عضلية مثل التكزز tetany والحساسية العصبية nerve sensitivity، والهيوجية irritability، والنفضان العضلي muscle twitching واضطرابات قلبية مثل الخفقان palpitation، وجلدية مثل الأظافر القصيمة brittle nails، ونفسية كالتخليط confusion، والأرق insomnia، والشعور بالاكتئاب المزمن feeling of chronic depression. ويترافق أحياناً مع الساد cataract، كما قد يؤدي نقص الكلسيوم إلى تسمم الدم الحملي pregnancy toxemia. ينجم نقص الكلسيوم عن قصور هرموني دريقي، أو عن عوز الفيتامين D، كما ينقص في حالات القصور الكلوي المزمن وفي التهاب المعثكلة الحاد وفي حالات فرط الفوسفات الحاد في الدم، ويترافق نقصه أيضاً مع نقص بروتين الدم، ولاسيما الألبومين وكذلك في حالات نقص المغنسيوم.
عندما ينخفض كلسيوم الدم إلى ما دون الحد الأدنى يتحرر الكلسيوم من العظام، وقد يؤدي نقصه المزمن إلى الرخد rickets في الأطفال، وإلى تخلخل العظام osteoporosis في البالغين، ولاسيما النساء بعد سن الإياس postmenopausal.