カルシウム

カルシウム、  ₂₀ Ca

カルシウム
外観	鈍い灰色、銀色、淡い黄色がかった色[ 1 ]
標準原子量A r °(Ca)
	40.078 ± 0.004 [ 2 ] 40.078 ± 0.004  （要約）[ 3 ]
周期表におけるカルシウム
水素 ヘリウム リチウム ベリリウム ボロン 炭素 窒素 酸素 フッ素 ネオン ナトリウム マグネシウム アルミニウム シリコン リン 硫黄 塩素 アルゴン カリウム カルシウム スカンジウム チタン バナジウム クロム マンガン 鉄 コバルト ニッケル 銅 亜鉛 ガリウム ゲルマニウム 砒素 セレン 臭素 クリプトン ルビジウム ストロンチウム イットリウム ジルコニウム ニオブ モリブデン テクネチウム ルテニウム ロジウム パラジウム 銀 カドミウム インジウム 錫 アンチモン テルル ヨウ素 キセノン セシウム バリウム ランタン セリウム プラセオジム ネオジム プロメチウム サマリウム ユーロピウム ガドリニウム テルビウム ジスプロシウム ホルミウム エルビウム ツリウム イッテルビウム ルテチウム ハフニウム タンタル タングステン レニウム オスミウム イリジウム 白金 金 水銀（元素） タリウム 鉛 ビスマス ポロニウム アスタチン ラドン フランシウム ラジウム アクチニウム トリウム プロトアクチニウム ウラン ネプツニウム プルトニウム アメリシウム キュリウム バークリウム カリホルニウム アインシュタイニウム フェルミウム メンデレビウム ノーベリウム ローレンシウム ラザホージウム ドブニウム シーボーギウム ボーリウム ハッシウム マイトネリウム ダルムシュタット レントゲン コペルニシウム ニホニウム フレロビウム モスコビウム リバモリウム テネシン オガネソン Mg ↑ Ca ↓ Sr カリウム←カルシウム→スカンジウム
原子番号（Z）	20
グループ	第2族（アルカリ土類金属）
期間	第4期
ブロック	Sブロック
電子配置	[ Ar ] 4秒^2
殻あたりの電子数	2、8、8、2
物理的特性
STPでの 位相	固体
融点	1115  K (842 °C、1548 °F)
沸点	1757 K (1484 °C、2703 °F)
密度（20℃）	1.526 g/cm ^3[ 4 ]
液体の場合（  mp）	1.378 g/cm ^3
融解熱	8.54  kJ/モル
蒸発熱	154.7 kJ/モル
モル熱容量	25.929 J/(モル·K)
比熱容量	646.963 J/(kg·K)
蒸気圧 P （パ） 1 10 100 1キロ 1万 10万 T （K）で  864 956 1071 1227 1443 1755
原子の性質
酸化状態	コモン: +2 +1 [ 5 ]
電気陰性度	ポーリングスケール：1.00
イオン化エネルギー	1位: 589.8 kJ/モル 2位: 1145.4 kJ/モル 3位: 4912.4 kJ/mol （もっと）
原子半径	経験的: 午後197時
共有結合半径	176±10午後
ファンデルワールス半径	午後2時31分
カルシウムのスペクトル線
その他の特性
自然発生	原始的な
結晶構造	面心立方格子（fcc）（cF4）
格子定数	a  = 558.8 pm （20℃）[ 4 ]
熱膨張	22.27 × 10 ^−6 /K（20℃）[ 4 ]
熱伝導率	201 W/(m⋅K)
電気抵抗率	33.6 nΩ⋅m（20℃）
磁気秩序	反磁性
モル磁化率	+40.0 × 10 ^−6  cm ^3 /モル[ 7 ]
ヤング率	20GPa
せん断弾性率	7.4 GPa
体積弾性率	17GPa
音速の細い棒	3810 m/s（20℃）
ポアソン比	0.31
モース硬度	1.75
ブリネル硬度	170～416MPa
CAS番号	7440-70-2
歴史
ネーミング	石灰を意味するラテン語calxから
発見と最初の分離	ハンフリー・デイビー（1808）
カルシウムの同位体 v e
主な同位体[ 8 ] 減衰 アイソトープ 豊富 半減期（t 1/2） モード 製品 ^40カルシウム 96.9% 安定した ^41カルシウム トレース 9.94 × 10 ^4 年 ε ^41K​ ^42カルシウム 0.647% 安定した ^43カルシウム 0.135% 安定した ^44カルシウム 2.09% 安定した ^45カルシウム シンセ 162.61日 β ^− ^45 Sc ^46カルシウム 0.004% 安定した ^47 Ca シンセ 4.536日 β ^− ^47 Sc ^48カルシウム 0.187% 5.6 × 10 ^19 年 β ^− β ^− ^48ティ

カルシウムは化学元素であり、記号Ca、原子番号20で表されます。アルカリ土類金属であるカルシウムは、空気に触れると暗い酸化物と窒化物の層を形成する反応性の高い金属です。その物理的・化学的性質は、より重い同族元素であるストロンチウムやバリウムに最も似ています。カルシウムは地殻中で5番目に豊富な元素であり、鉄とアルミニウムに次いで3番目に豊富な金属です。地球上で最も一般的なカルシウム化合物は炭酸カルシウムで、石灰岩や初期の海洋生物の化石に含まれています。石膏、無水石膏、蛍石、アパタイトもカルシウムの供給源です。カルシウムという名前は、石灰岩を加熱して得られる ラテン語のcalx「石灰」に由来しています。

カルシウム化合物の中には古代にも知られていたものがいくつかあったが、その化学的性質は17世紀まで知られていなかった。純粋なカルシウムは1808年にハンフリー・デービーがその酸化物の電気分解によって単離し、元素名をつけた。カルシウム化合物は多くの産業で広く利用されている。例えば、食品や医薬品ではカルシウム補給に、製紙業界では漂白剤として、セメントや電気絶縁体の成分として、また石鹸の製造に使われている。一方、純粋な金属は反応性が高いため用途が限られているが、それでも少量であれば製鋼業の合金成分として、また時にはカルシウム鉛合金として自動車用バッテリーの製造に使われる。

カルシウムは人体で最も豊富な金属であり、5番目に多い元素です。^{[ 9 ]}電解質として、カルシウムイオン（Ca ²⁺ ）は生物と細胞の生理学的および生化学的プロセスで重要な役割を果たしています。シグナル伝達経路ではセカンドメッセンジャーとして、ニューロンからの神経伝達物質の放出では、すべての種類の筋細胞の収縮では、多くの酵素の補因子として、そして受精では重要な役割を果たしています。^{[ 9 ]}細胞外のカルシウムイオンは興奮性細胞膜の電位差の維持、タンパク質合成、骨形成に重要です。 ^{[ 9 ] [ 10 ]}

特徴

分類

鉱油に保存されたカルシウム結晶

カルシウムは非常に延性の高い銀色の金属（淡黄色と表現されることもある）で、その性質は同族のより重い元素であるストロンチウム、バリウム、ラジウムと非常によく似ている。カルシウム原子は20個の電子を持ち、電子配置は[Ar]4s2^である。周期表第2族の他の元素と同様に、カルシウムは最外殻s軌道に2つの価電子を持つが、化学反応によってこれらの電子は容易に失われ、希ガス（この場合はアルゴン）の安定した電子配置を持つ陽イオンとなる。^{[ 11 ]}

したがって、カルシウムは、その化合物においてほぼ常に二価であり、通常はイオン性である。カルシウムの仮想的な一価塩は、その元素に対しては安定であるが、二価塩およびカルシウム金属との不均化に対しては安定ではない。これは、MX _2の生成エンタルピーが仮想的なMXよりもはるかに高いためである。これは、より高電荷のCa ^{2+カチオンが、仮想的なCa +}カチオンよりもはるかに大きな格子エネルギーを与えるためである。^{[ 11 ]}

カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウムは常にアルカリ土類金属とみなされます。周期表の第2族に属するより軽いベリリウムとマグネシウムも、しばしばアルカリ土類金属に含まれます。しかしながら、ベリリウムとマグネシウムは、物理的および化学的挙動において、この族の他の元素とは大きく異なります。それぞれアルミニウムと亜鉛に似た挙動を示し、遷移後金属のより弱い金属特性の一部を有しています。そのため、「アルカリ土類金属」という用語の従来の定義では、これらが除外されています。^{[ 12 ]}

物理的特性

カルシウム金属の融点は842℃、沸点は1494℃です。これらの値は、隣接する第2族金属であるマグネシウムやストロンチウムよりも高いです。カルシウムはストロンチウムやバリウムと同様に面心立方晶系で結晶化し、443℃（716 K）を超えると体心立方晶系に変化します。^{[ 4 ] [ 13 ]}密度は1.526 g/cm ³（20℃）^{[ 4 ]}で、同族の中で最も低い値です。^{[ 11 ]}

カルシウムは鉛よりも硬いですが、ナイフで力を入れて切ることもできます。体積比で見るとカルシウムは銅やアルミニウムよりも電気伝導性が低いですが、密度が非常に低いため、質量比で見ると銅やアルミニウムよりも優れた伝導性を示します。^{[ 14 ]}カルシウムは大気中の酸素と急速に反応するため、地上でのほとんどの用途では導体としては実現不可能ですが、宇宙空間での導体としての利用が検討されています。^{[ 14 ]}

化学的性質

水和塩化カルシウム中のポリマー[Ca(H ₂ O) ₆ ] ^{2+中心の構造。カルシウム錯体に典型的な高い配位数を示しています。}

カルシウムの化学的性質は、典型的な重アルカリ土類金属のそれと似ています。例えば、カルシウムはマグネシウムよりも速く水と反応しますが、ストロンチウムよりも遅く、水酸化カルシウムと水素ガスを生成します。また、空気中の酸素や窒素とも反応し、酸化カルシウムと窒化カルシウムの混合物を生成します。^{[ 15 ]}細かく砕くと、空気中で自然発火して窒化物を生成します。塊状のカルシウムは反応性が低く、湿った空気中ではすぐに水和被膜を形成しますが、相対湿度が30%以下であれば室温で無期限に保存できます。^{[ 16 ]}

単純な酸化物 CaO の他に、高圧酸素下で金属カルシウムを直接酸化すると過酸化カルシウムCaO _{2が生成します。また、黄色の}超酸化物Ca(O ₂ ) ₂の存在も確認されています。^{[ 17 ]}水酸化カルシウム Ca(OH) ₂は強塩基ですが、ストロンチウム、バリウム、アルカリ金属の水酸化物ほど強力ではありません。^{[ 18 ]}カルシウムの二ハロゲン化物は 4 種類すべてが知られています。^{[ 19 ]}炭酸カルシウム(CaCO ₃ ) と硫酸カルシウム(CaSO ₄ ) は特に豊富な鉱物です。^{[ 20 ]}ストロンチウムやバリウム、アルカリ金属、二価ランタノイドのユーロピウムやイッテルビウムと同様に、金属カルシウムは液体アンモニアに直接溶解して濃い青色の溶液になります。^{[ 21 ]}

^{カルシウムイオン（Ca 2+} ）はサイズが大きいため、配位数が多く、 CaZn ₁₃などの金属間化合物では最大24となることもあります。^{[ 22 ]}カルシウムはEDTAやポリリン酸塩などの酸素キレートと容易に錯体を形成し、分析化学や硬水からのカルシウムイオンの除去に有用です。立体障害がない場合、第2族のより小さな陽イオンはより強い錯体を形成する傾向がありますが、大きな多座配位大環状分子が関与する場合は、この傾向が逆転します。^{[ 20 ]}

有機カルシウム化合物

有機マグネシウム化合物とは対照的に、有機カルシウム化合物は、一つの大きな例外である炭化カルシウム（CaC ₂）を除いて、同様の有用性はありません。歴史的に重要なこの物質は、酸化カルシウムを炭素と加熱することによって作られます。X線結晶構造解析によると、炭化カルシウムはアセチリド（C ₂ ^2- ）のCa ²⁺誘導体として記述できますが、塩ではありません。年間数百万トンの炭化カルシウムが生産されています。加水分解によりアセチレンが得られ、これは溶接や化学前駆体として使用されます。窒素ガスとの反応により、炭化カルシウムはカルシウムシアナミドに変換されます。^{[ 23 ]}

分子有機カルシウム化学における主要なテーマはカルシウムの大きな半径であり、これはしばしば高い配位数につながる。例えば、ジメチルカルシウムは3次元ポリマーのように見えるが[24]、ジメチル^{マグネシウムは四}面体Mg中心を持つ線状ポリマーである。 ポリマー種を不利にするには、かさ高い配位子が必要になることが多い。例えば、カルシウムジシクロペンタジエニル、Ca(C ₅ H ₅ ) _2はポリマー構造をとるため、揮発性がなく溶媒に不溶性である。C ₅ H ₅配位子をよりかさ高いC ₅ (CH ₃ ) ₅ (ペンタメチルシクロペンタジエニル)に置き換えると、昇華してエーテルと明確な付加物を形成する可溶性錯体が得られる。^{[ 20 ]有機カルシウム化合物は、Yb2 +}（102 pm）とCa2 ⁺ （100 pm）のイオン半径が似ているため、有機イッテルビウム化合物と類似する傾向があります。^{[ 25 ]}

有機カルシウム化合物は十分に研究されており、そのような錯体の中には触媒特性を示すものもあるが^{[ 26 ]} 、 商業化されているものはない。

同位体

天然のカルシウムは、5つの安定同位体（⁴⁰ Ca、⁴² Ca、⁴³ Ca、⁴⁴ Ca、⁴⁶ Ca ）と⁴⁸ Caの混合物です。48 Caの半減期は4.3 × 10 ¹⁹ 年と非常に長いため、実用上は安定しているとみなすことができます。カルシウムは、天然に6つの同位体を持つ最初の（最も軽い）元素です。^{[ 15 ]}

圧倒的に最も一般的な同位体は⁴⁰ Caで、天然カルシウムの96.941%を占めています。これはシリコン燃焼過程におけるアルファ粒子の核融合反応で生成され、陽子数と中性子数が等しい最も重い安定核種です。また、原始的な⁴⁰ Kの崩壊によってもゆっくりと生成が補われています。さらにアルファ粒子が加わると不安定な⁴⁴ Tiが生成され、これは2回の電子捕獲を経て安定な⁴⁴ Caに崩壊します。これは天然カルシウムの2.806%を占め、2番目に多い同位体です。^{[ 27 ] [ 28 ]}

他の4つの天然同位体、^{42、43、46、48} Caは、それぞれ天然カルシウムの1%未満しか占めず、非常に希少です。4つの軽い同位体は主に酸素燃焼とシリコン燃焼によって生成され、残りの2つの重い同位体は中性子捕獲によって生成されます。46 Caは主に「ホット」なs過程によって生成されます。これは、その生成には短寿命の^{45 Caが}中性子を捕獲するためにかなり高い中性子束が必要となるためです。48 Ca^は、 Ia型超新星におけるr過程における電子捕獲によって生成されます。r過程においては、高い中性子過剰と十分に低いエントロピーによって生存が保証されます。^{[ 27 ] [ 28 ]}

⁴⁶ Caと⁴⁸ Caは、それぞれ6個または8個の中性子過剰を持つ最初の「古典的に安定な」核種です。48 Caは、このような軽い元素としては極めて中性子過剰ですが、20個の陽子と28個の中性子が閉殻に配列された二重魔法核であるため、非常に安定して^います。48 Sc^へのベータ崩壊は、核スピンの大きな不一致によって非常に阻害されます。48 Caは核スピンがゼロで偶数であるのに対し、^{48 Scは}スピンが6+であるため、角運動量保存則によって崩壊は禁制されています。48 ^Scには2つの励起状態も崩壊可能ですが、それらもスピンが大きいため禁制です。その結果、⁴⁸ Caが崩壊する場合、代わりに二重ベータ崩壊を起こして⁴⁸ Tiとなり、二重ベータ崩壊を起こすことが知られている最も軽い核種となります。^{[ 29 ] [ 30 ]}

^{46 Caは理論的には46} Tiへの二重ベータ崩壊も可能であるが、これは観測された例がない。最も一般的な同位体である⁴⁰ Caも二重魔法同位体であり、 ⁴⁰ Arへの二重電子捕獲を起こす可能性があるが、これも同様に観測された例がない。カルシウムは、2つの原始二重魔法同位体を持つ唯一の元素である。40 Caと^{46 Caの}半減期の実験的下限は、それぞれ5.9 × 10 ²¹年と2.8 × 10 ¹⁵年である。^{[ 29 ]}

⁴⁸ Caを除けば、カルシウムの最も長寿命な放射性同位体は^{41 Caです。41 Caは電子捕獲崩壊により安定な41} Kに崩壊し、半減期は約10 ⁵年です。41 Kの過剰量から、初期太陽系において絶滅放射性核種として存在していたことが推測されています。41 ^Caは宇宙線起源核種であり、天然の⁴⁰ Caの中性子放射化によって継続的に生成されるため、現在でも^{痕跡量として存在しています。 [ 28 ]}

^{カルシウムの放射性同位体は、 Ca35からCa60}まで、他にも数多く知られています。それらはすべてCa41よりもはるかに短寿命で^、最も安定しているのはCa45（半減期163日）とCa47（半減期4.54日）です^。Ca42より^軽い同位体は^通常、ベータプラス崩壊を起こしてカリウム同位体になり、Ca44より重い同位体は^通常、ベータマイナス崩壊を起こしてスカンジウムになります。ただし、原子核ドリップライン付近では、陽子放出と中性子放出も重要な崩壊モードとなり始めます。^{[ 29 ]}

他の元素と同様に、カルシウム同位体の相対的な存在量は様々なプロセスによって変化します。^{[ 31 ]}これらのプロセスの中で最もよく研​​究されているのは、方解石、アラゴナイト、アパタイトなどのカルシウム鉱物が溶液から沈殿する際に起こる、カルシウム同位体の質量依存的な分別です。軽い同位体はこれらの鉱物に優先的に取り込まれ、周囲の溶液は室温で原子質量単位（amu）あたり約0.025%の重い同位体に富んだ状態になります。カルシウム同位体組成の質量依存的な違いは、通常、サンプル中の2つの同位体（通常は⁴⁴ Ca/ ⁴⁰ Ca）の比率を標準参照物質中の同じ比率と比較することによって表されます。44 Ca/ ^{40 Caは、}地球上の生物間で約1～2‰変動します。^{[ 32 ]}

歴史

石灰漆喰で作られたアイン・ガザル像の一つ

カルシウム化合物は数千年前から知られていましたが、その化学組成は17世紀まで解明されていませんでした。^{[ 33 ]}石灰は建築材料として^{[ 34 ]}、また彫像用の石膏として紀元前7000年頃にはすでに使用されていました。^{[ 35 ]}年代が特定されている最初の石灰窯は紀元前2500年に遡り、メソポタミアのカファジャで発見されました。^{[ 36 ] [ 37 ]}

ほぼ同時期に、ギザの大ピラミッドには脱水石膏（CaSO ₄ ·2H ₂ O）が使用されていました。この材料は後にツタンカーメンの墓の漆喰に使用されました。古代ローマ人は、石灰岩（CaCO ₃ ）を加熱して作られた石灰モルタルを使用していました。「カルシウム」という名称自体は、ラテン語のcalx「石灰」に由来しています。^{[ 33 ]}

ウィトルウィウスは、結果として生じた石灰が元の石灰岩よりも軽いことに気づき、これを水の沸騰によるものとした。1755年、ジョセフ・ブラックは、これは二酸化炭素の損失によるものであることを証明した。二酸化炭素は、古代ローマ人が気体として認識していなかった。^{[ 38 ]}

1789年、アントワーヌ・ラボアジエは、石灰が元素の酸化物である可能性を示唆しました。ラボアジエは自身の元素表の中で、5つの「塩化可能な土」（酸と反応して塩（ラテン語でsalis = 塩）を生成する鉱石）を挙げています。具体的には、 chaux（酸化カルシウム）、magnesie（マグネシア、酸化マグネシウム）、baryte（硫酸バリウム）、alumine（アルミナ、酸化アルミニウム）、silice（シリカ、二酸化ケイ素）です。これらの「元素」について、ラボアジエは次のように推論しました。

自然界に存在する金属物質のうち、私たちがまだ知っているのはほんの一部に過ぎないと言えるでしょう。なぜなら、炭素よりも酸素との親和性が強い金属物質は、これまで金属状態に還元することができず、その結果、酸化物としてのみ私たちの目にとまるため、土類元素と混同されてきたからです。今土類元素と並べてみた重晶石も、まさにこの状態にある可能性が非常に高いです。多くの実験において、重晶石は金属物質に極めて近い性質を示すからです。私たちが土類元素と呼んでいる物質はすべて、これまで知られているいかなる方法でも還元できない、金属酸化物に過ぎない可能性さえあります。^{[ 39 ]}

カルシウムは、同族元素のマグネシウム、ストロンチウム、バリウムとともに、 1808年にハンフリー・デービーによって初めて単離された。イェンス・ヤコブ・ベルセリウスとマグヌス・マーティン・オブ・ポンティンの電気分解に関する研究に続き、デービーは、それぞれの金属酸化物と酸化水銀(II)の混合物を白金板（陽極、陰極は白金線を部分的に水銀に浸したもの）の上に置くことで、カルシウムとマグネシウムを単離した。電気分解によりカルシウム-水銀アマルガムとマグネシウム-水銀アマルガムが得られ、水銀を蒸留して金属を得た。^{[ 33 ] [ 40 ]}しかし、この方法では純粋なカルシウムを大量に製造することはできず、実用的な商業的製造方法が見出されたのは1世紀以上も後のことであった。^{[ 38 ]}

発生と生成

トルコ、パムッカレのトラバーチンテラス

カルシウムは 3% で、地殻で 5 番目に豊富な元素であり、アルミニウムと鉄に次いで 3 番目に豊富な金属です。^{[ 41 ]}また、月の高地では 4 番目に豊富な元素です。^{[ 16 ]}堆積性の炭酸カルシウムの鉱床は、過去の海洋生物の化石化した残骸として地球の表面に広がっています。それらは、菱面体晶系方解石(より一般的) と斜方晶系アラゴナイト(より温暖な海で生成) の 2 つの形式で存在します。前者のタイプの鉱物には、石灰岩、ドロマイト、大理石、チョーク、アイスランドスパーなどがあり、アラゴナイト層は、バハマ、フロリダキーズ、紅海の盆地を構成しています。サンゴ、貝殻、真珠は、主に炭酸カルシウムでできています。その他の重要なカルシウム鉱物としては、石膏（CaSO ₄ · 2H ₂ O）、無水石膏（CaSO ₄）、蛍石（CaF ₂）、アパタイト（[Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ X]、X = OH、Cl、またはF）^{[ 33 ]がある。}

カルシウムの主要生産国は、中国（年間約10,000～12,000トン）、ロシア（年間約6,000～8,000トン）、米国（年間約2,000～4,000トン）です。カナダとフランスも小規模生産国です。2005年には約24,000トンのカルシウムが生産されました。世界で採掘されるカルシウムの約半分は米国で消費されており、年間生産量の約80%が使用されています。^{[ 14 ]}

ロシアと中国では、デイビーの電気分解法が今でも使用されていますが、溶融塩化カルシウムに適用されています。^{[ 14 ]}カルシウムはストロンチウムやバリウムよりも反応性が低いため、空気中に生成される酸化物-窒化物コーティングは安定しており、旋盤加工やその他の標準的な冶金技術はカルシウムに適しています。^{[ 42 ]}

米国とカナダでは、代わりに高温でアルミニウムで石灰を還元することによってカルシウムが生産されています。 ^{[ 14 ]}このプロセスでは、粉末状の高カルシウム石灰と粉末状のアルミニウムを混合し、高い接触率でブリケットに圧縮し、次に真空にされて約1200°Cに加熱された密閉レトルトに入れます。[ 14 ^{]ブリケットは}約8時間かけて真空中にカルシウム蒸気を放出し、その後、レトルトの冷却された端で凝縮して、24〜34 kgのカルシウム金属片とカルシウムアルミネートの残留物を形成します。^{[ 14 ]}高純度のカルシウムは、低純度のカルシウムを高温で蒸留することによって得られます。 ^{[ 14 ]}

地球化学循環

カルシウム循環は、テクトニクス、気候、そして炭素循環を結びつける役割を果たします。簡単に言えば、造山運動によって玄武岩や花崗閃緑岩などのカルシウム含有岩石が化学的風化にさらされ、Ca ^{2+ が}表層水に放出されます。これらのイオンは海に運ばれ、溶存CO _{2と反応して}石灰岩（CaCO ₃ ）を形成します。石灰岩は海底に沈降し、そこで新たな岩石に取り込まれます。溶存CO _{2 は、}炭酸イオンや重炭酸イオンとともに「溶存無機炭素」（DIC）と呼ばれます。^{[ 43 ]}

実際の反応はより複雑で、重炭酸イオン（HCO⁻ ₃）は、海水のpHで_CO2が水と反応して生成します。

Ca ²⁺ + 2 HCO−3 → CaCO ₃ ↓ + CO ₂ + H ₂ O

海水のpHでは、溶解したCO _{2のほとんどはすぐに}HCOに変換されます。⁻ ₃この反応により、海洋／大気圏からリソスフェアへCO2分子1個が正味輸送される_。 [ ^{44 ]結果}として、化学的風化によって放出されたCa2 ^{+イオン1個は、最終的に表層系（大気、海洋、土壌、生物）から}_CO2分子1個を除去し、炭酸塩岩に貯蔵する。そして、それはおそらく数億年の間そこに留まることになる。このように、岩石からのカルシウムの風化は、海洋と大気からCO2を洗い流し、気候に長期的な強い影響を及ぼす。^{[ 43 ] [ 45 ]}

アプリケーション

金属カルシウムの最大の用途は製鋼業であり、これはカルコゲン、酸素、硫黄との強い化学的親和性によるものです。酸化物と硫化物が形成されると、鋼中に液体のアルミン酸石灰と硫化物介在物を形成し、これらは浮上します。処理を施すと、これらの介在物は鋼全体に分散し、小さく球状になるため、鋳造性、清浄性、および一般的な機械的特性が向上します。カルシウムはメンテナンスフリーの自動車用バッテリーにも使用されており、通常のアンチモン鉛合金の代わりに0.1%のカルシウム鉛合金を使用することで、水分の損失と自己放電が少なくなります。^{[ 46 ]}

膨張や割れの危険性があるため、これらの合金にはアルミニウムが組み込まれることもあります。これらの鉛-カルシウム合金は、鉛-アンチモン合金の代替として鋳造にも使用されています。^{[ 46 ]}カルシウムは、ベアリングに使用されるアルミニウム合金の強化、鋳鉄中の黒鉛状炭素の制御、鉛からビスマス不純物を除去するためにも使用されます。 ^{[ 42 ]}カルシウム金属は一部の排水管洗浄剤に含まれており、熱と水酸化カルシウムを発生させ、排水管を詰まらせる脂肪を鹸化し、タンパク質（例えば髪の毛に含まれるタンパク質）を液化させる働きがあります。^{[ 47 ]}

冶金学の分野以外にも、カルシウムの反応性は高純度アルゴンガスから窒素を除去する際に利用され、酸素と窒素のゲッターとしても利用されています。また、クロム、ジルコニウム、トリウム、バナジウム、ウランの製造における還元剤としても使用されています。さらに、カルシウムは水素と反応して固体の水素化カルシウムを形成し、そこから水素を容易に再抽出できるため、水素ガスの貯蔵にも使用できます。 ^{[ 42 ]}

鉱物形成過程におけるカルシウム同位体分別は、カルシウム同位体の様々な応用につながっています。特に、1997年にSkulanとDePaoloが行った、カルシウム鉱物は、鉱物が沈殿する溶液よりも同位体的に軽いという観察^{[ 48 ]}は、医学および古海洋学における類似の応用の基礎となっています。カルシウムで鉱化された骨格を持つ動物では、軟組織のカルシウム同位体組成は、骨格鉱物の形成と溶解の相対的な速度を反映しています^{[ 49 ] 。}

ヒトにおいて、尿中のカルシウム同位体組成の変化は骨ミネラルバランスの変化と関連していることが示されています。骨形成速度が骨吸収速度を上回ると、軟部組織中の^44Ca / ^{40Ca比は上昇し、逆もまた同様です。この関係性から、尿または血液中のカルシウム同位体測定は、}骨粗鬆症などの代謝性骨疾患の早期発見に役立つ可能性があります。^{[ 49 ]}

海水にも同様のシステムが存在し、鉱物沈殿によるCa ²⁺除去速度が海への新たなカルシウム流入量を上回ると、 ⁴⁴ Ca/ ^{40 Ca が上昇する傾向があります。1997年、SkulanとDePaoloは、地質学的時間経過に伴う海水中の44} Ca/ ⁴⁰ Ca の変化に関する最初の証拠と、その変化の理論的説明を発表しました。最近の論文はこの観察結果を裏付け、海水中のCa ²⁺濃度は一定ではなく、海はカルシウムの流入と流出に関して「定常状態」には決してならないことを示しています。これは、海洋カルシウム循環が炭素循環と密接に結びついているため、気候学的に重要な意味を持ちます。^{[ 50 ] [ 51 ]}

多くのカルシウム化合物は、食品、医薬品、医療などに使用されています。例えば、カルシウムとリンは、乳酸カルシウム、二リン酸カルシウム、リン酸三カルシウムの添加によって食品に補給されています。リン酸三カルシウムは、歯磨き粉の研磨剤や制酸剤としても使用されています。乳酸ビオン酸カルシウムは、医薬品の懸濁剤として使用される白い粉末です。製パンにおいて、リン酸カルシウムは膨張剤として使用されます。亜硫酸カルシウムは製紙における漂白剤や消毒剤として使用され、ケイ酸カルシウムはゴムの強化剤として使用され、酢酸カルシウムは石灰ロジン成分であり、金属石鹸や合成樹脂の製造に使用されます。^{[ 46 ]}

カルシウムサプリメントは世界保健機関の必須医薬品リストに掲載されています。^{[ 52 ]}

食料源

カルシウムが豊富な食品には、牛乳、ヨーグルト、チーズなどの乳製品のほか、イワシ、鮭、大豆製品、ケール、強化朝食用シリアルなどがあります。^{[ 10 ]}

動脈石灰化や腎臓結石など長期的な副作用への懸念から、米国医学研究所（IOM）と欧州食品安全機関（EFSA）はともに、食事とサプリメントを合わせたカルシウムの許容上限摂取量（UL）を設定した。IOMによれば、9～18歳は1日3gを超えてはならない。19～50歳は1日2.5gを超えてはならない。51歳以上は1日2gを超えてはならない。^{[ 53 ]} EFSAは成人全員のULを1日2.5gとしたが、小児および青年に関する情報はULを決定するには不十分であると判断した。^{[ 54 ]}

生物学的および病理学的役割

年齢調整カルシウム1日摂取推奨量（米国医学研究所のRDAより）^{[ 55 ]}

年	カルシウム（mg/日）
1～3年	700
4～8歳	1000
9～18歳	1300
19～50歳	1000
51歳以上	1000
妊娠	1000
授乳	1000

成人の世界の食事性カルシウム摂取量（mg/日）^{[ 56 ]}

  400未満

  400～500

  500～600

  600～700

  700～800

  800～900

  900～1000

  >1000

関数

カルシウムは大量に必要とされる必須元素である。 ^{[ 9 ] [ 10 ]} Ca2 ^{+イオンは}電解質として働き、筋肉、循環器系、消化器系の健康に不可欠である。また、ハイドロキシアパタイトの形で骨の形成に不可欠であり、血液細胞の合成と機能をサポートする。例えば、筋肉の収縮、神経伝導、血液凝固を調節する。その結果、細胞内外のカルシウム濃度は体内で厳密に調節されている。カルシウムがこの役割を果たすことができるのは、Ca2 ⁺イオンが多くの有機化合物、特にタンパク質と安定な配位錯体を形成するためである。また、Ca2+は幅広い溶解度を持つ化合物を形成し、骨格の形成を可能にする。^{[ 9 ] [ 57 ]}

バインディング

カルシウムイオンは、グルタミン酸またはアスパラギン酸残基のカルボキシル基への結合、リン酸化セリン、チロシン、またはスレオニン残基との相互作用、あるいはγ-カルボキシル化アミノ酸残基によるキレート化によってタンパク質と複合体を形成する。消化酵素であるトリプシンは前者の方法を用い、骨マトリックスタンパク質であるオステオカルシンは後者の方法を用いる。^{[ 58 ]}

オステオポンチンや骨シアロプロテインなどの他の骨マトリックスタンパク質は、前者と後者の両方の経路を利用します。カルシウムとの結合による酵素の直接活性化は一般的ですが、他の酵素は、カルシウムと直接結合する酵素との非共有結合によって活性化されます。カルシウムは細胞膜​​のリン脂質層にも結合し、細胞表面に結合したタンパク質をアンカーします。^{[ 58 ]}

溶解度

カルシウム化合物の溶解度の範囲が広い例として、リン酸一カルシウムは水に非常に溶けやすく、細胞外カルシウムの85％は溶解度が2.00  mMのリン酸二カルシウムであり、有機マトリックス中の骨のハイドロキシアパタイトは溶解度が1000 μMのリン酸三カルシウムである。 ^{[ 58 ]}

栄養

カルシウムはマルチビタミンサプリメントの一般的な成分である^{[ 9 ]}が、サプリメント中のカルシウム複合体の組成は、含まれる塩の溶解度によって変化するため、その生物学的利用能に影響を与える可能性がある。クエン酸カルシウム、リンゴ酸カルシウム、乳酸カルシウムは生物学的利用能が高いのに対し、シュウ酸カルシウムは低い。その他のカルシウム製剤には、炭酸カルシウム、クエン酸リンゴ酸カルシウム、グルコン酸カルシウムなどがある^{[ 9 ]}。摂取したカルシウムの約3分の1は腸で遊離イオンとして吸収され、血漿中のカルシウム濃度は腎臓によって調節される^{[ 9 ]}。

骨形成と血清レベルのホルモン調節

副甲状腺ホルモンとビタミンDは、骨へのカルシウムイオンの沈着を可能にし、促進することで骨の形成を促進し、骨量やミネラル含有量に影響を与えることなく、迅速な骨代謝を可能にします。^{[ 9 ]}血漿カルシウム濃度が低下すると、細胞表面受容体が活性化され、副甲状腺ホルモンの分泌が起こります。次に、標的の腎臓、腸、骨細胞からカルシウムを奪い、血漿プールへのカルシウムの流入を刺激します。副甲状腺ホルモンの骨形成作用は、血漿カルシウム濃度の上昇とともに分泌が増加するカルシトニンによって拮抗されます。^{[ 58 ]}

血清レベル異常

カルシウムの過剰摂取は高カルシウム血症を引き起こす可能性があります。しかし、カルシウムは腸管で吸収されにくいため、血清カルシウム値の上昇は、カルシウムの吸収を促進する副甲状腺ホルモン（PTH）の過剰分泌、あるいはビタミンDの過剰摂取によって引き起こされる可能性が高くなります。これらの状態はいずれも、過剰なカルシウム塩が心臓、血管、または腎臓に沈着する原因となります。症状には、食欲不振、吐き気、嘔吐、記憶喪失、錯乱、筋力低下、排尿増加、脱水症状、代謝性骨疾患などがあります。^{[ 58 ]}

慢性高カルシウム血症は、典型的には軟部組織の石灰化と深刻な結果をもたらします。例えば、石灰化は血管壁の弾力性を失わせ、層流を阻害し、プラーク破裂や血栓症を引き起こします。逆に、カルシウムやビタミンDの摂取不足は低カルシウム血症を引き起こす可能性があり、これはしばしば副甲状腺ホルモンの分泌不足や細胞内の副甲状腺ホルモン受容体の欠陥によっても引き起こされます。症状には神経筋の興奮性があり、テタニーや心臓組織の伝導障害を引き起こす可能性があります。^{[ 58 ]}

骨疾患

カルシウムは骨の発達に必要であるため、多くの骨疾患は骨の分子構造や組織における有機マトリックスまたはハイドロキシアパタイトに起因しています。骨粗鬆症は骨の単位体積あたりのミネラル含有量の減少であり、カルシウム、ビタミンD、ビスフォスフォネートの補給によって治療できます。^{[ 9 ] [ 10 ]}カルシウム、ビタミンD、またはリン酸塩の量が不足すると、骨軟化症と呼ばれる骨軟化症を引き起こす可能性があります。^{[ 58 ]}

安全性

金属カルシウム

カルシウム

危険
GHSラベル： [ 59 ]
ピクトグラム
シグナルワード	危険
危険有害性情報	H261
注意事項	P231+P232
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）	0 3 1 W

カルシウムは水や酸と発熱反応を起こすため、カルシウム金属が体液と接触すると、激しい腐食性刺激を引き起こします。^{[ 60 ]}カルシウム金属を飲み込んだ場合、口、食道、胃に同様の影響を与え、致命的となる可能性があります。^{[ 47 ]}しかし、長期暴露による明確な悪影響は知られていません。^{[ 60 ]}

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