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 ラザホーディウム 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 ダルムシュタディウム 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	グループ2（アルカリ土類金属）
期間	期間4
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 フェーズ	固体
融点	1115  K (842 °C、1548 °F)
沸点	1757 K (1484 °C、2703 °F)
密度（20℃）	1.526 g/cm3 [  4]
液体の場合（  mp）	1.378グラム/ cm3
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)
蒸気圧 パ （Pa） 1 10 100 1k 10k 10万 T （K）で  864 956 1071 1227 1443 1755
原子特性
酸化状態	+1、[5] +2（強塩基性酸化物）
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/mol 2位: 1145.4 kJ/mol 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
その他のプロパティ
自然発生	原始的な
結晶構造	面心立方(fcc) ( cF4 )
格子定数	a  = 558.8 pm （20℃）[4]
熱膨張	22.27 × 10 -6 /K (20 °C 時) [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[6]
ヤング率	20GPa
せん断弾性係数	7.4GPa
体積弾性率	17GPa
音速の 細い棒	3810 m/s (20 °C時)
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
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 ヴ e
主な同位体[7] 減衰 豊富 半減期 （t 1/2） モード 製品 40カナダ 96.9% 安定した 41カナダ トレース 9.94 × 10 4 年 ε 41K​ 42カナダ 0.647% 安定した 43カナダ 0.135% 安定した 44カナダ 2.09% 安定した 45カナダ シンセ 163日 β − 45スコー 46カナダ 0.004% 安定した 47カリフォルニア シンセ 4.5日 β − 47スコー 48カナダ 0.187% 6.4 × 10 19 年 β − β − 48ティ
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カルシウムは化学元素であり、記号は Ca、原子番号は20です。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。その物理的および化学的性質は、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化した残骸に含まれています。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。カルシウムの名前は、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知られていたものもあったが、その化学的性質は 17 世紀まで知られていなかったものもあった。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、元素名を付けた。カルシウム化合物は多くの産業で広く使用されている。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用されている。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の合金成分としてよく使用され、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用されることもある。

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。^[8]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。^[8]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。 ^{[8] [9]}

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、その特性は同じグループ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。周期表の第2グループに位置する他の元素と同様に、カルシウムは最外殻s軌道に2つの価電子を持ち、化学反応で非常に簡単に失われ、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を形成する。^[10]

したがって、カルシウムは、通常イオン性である化合物ではほぼ常に二価である。カルシウムの仮想的な一価塩は、その元素に関しては安定しているが、二価塩とカルシウム金属との不均化に対しては安定していない。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、仮想的なCa ⁺カチオンと比較して、より高電荷のCa ^{2+カチオンによって提供される}格子エネルギーがはるかに大きいために起こる。^[10]

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る。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、しばしば含まれる。しかし、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同族の他の元素とは大きく異なる。これらはそれぞれアルミニウムと亜鉛に似た挙動を示し、遷移後金属の弱い金属特性の一部を持っているため、「アルカリ土類金属」という用語の従来の定義では除外されている。^[11]

カルシウム金属は842℃で融解し、1494℃で沸騰します。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。ストロンチウムやバリウムのように面心立方構造で結晶化し、443℃（716K）を超えると体心立方構造に変わります。^{[4] [12]}密度は1.526 g/cm ³（20℃）^[4]で、このグループの中で最も低いです。^[10]

カルシウムは鉛よりも硬いが、ナイフで切るのに苦労する。カルシウムは体積で見ると銅やアルミニウムよりも電気伝導性が低いが、密度が非常に低いため、質量で見ると銅やアルミニウムよりも優れた伝導性がある。^[13]カルシウムは大気中の酸素とすぐに反応するため、ほとんどの地上用途では伝導体としては実現不可能だが、宇宙では伝導体としての使用が検討されている。^[13]

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である。例えば、カルシウムはマグネシウムよりも速く、ストロンチウムよりも遅く水と自発的に反応し、水酸化カルシウムと水素ガスを生成する。また、空気中の酸素や窒素と反応して、酸化カルシウムと窒化カルシウムの混合物を形成する。^[14]細かく砕くと、空気中で自発的に燃焼して窒化物を生成する。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コーティングを形成するが、相対湿度が30%以下であれば室温で無期限に保存できる。^[15]

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ことで過酸化カルシウムCaO _{2を作ることができ、黄色の}超酸化物Ca(O ₂ ) ₂の存在も確認されている。^[16]水酸化カルシウム Ca(OH) ₂は強塩基だが、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くはない。^[17]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る。^[18] 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ある。^{[19]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を与える。^[20]

カルシウムイオン（Ca ²⁺）はサイズが大きいため、配位数が多くなるのが一般的で、 CaZn ₁₃などの一部の金属間化合物では配位数が最大24になります。^{[21]カルシウムは、} EDTAやポリリン酸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カルシウムイオンを除去するのに便利です。立体障害がない場合、より小さなグループ2の陽イオンはより強い錯体を形成する傾向がありますが、大きな多座マクロサイクルが関与すると、傾向が逆転します。^[19]

カルシウムはマグネシウムと同じグループに属し、有機マグネシウム化合物は化学のあらゆる分野で非常に広く使用されていますが、有機カルシウム化合物は製造がより難しく、より反応性が高いため、同様に広く普及していません。ただし、最近では触媒としての可能性が研究されています。^{[22] [23] [24] [25] [26]}有機カルシウム化合物は、 Yb ²⁺（102 pm）とCa ^{2+ （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に類似する傾向があります。^[27]

これらの化合物のほとんどは低温でしか合成できず、かさ高い配位子の方が安定性に有利となる傾向がある。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、カルシウム金属とメルクロセンまたはシクロペンタジエン自体を直接反応させて合成する必要がある。一方、C ₅ H ₅配位子をよりかさ高いC ₅ (CH ₃ ) ₅配位子に置き換えると、化合物の溶解度、揮発性、および運動安定性が向上する。^[19]

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、半減期が非常に長いため実質的に安定している1つの同位体（⁴⁸ Ca、半減期は約4.3×10 ¹⁹ 年）の混合物です。カルシウムは、6つの天然同位体を持つ最初の（最も軽い）元素です。^[14]

自然界で最も一般的なカルシウム同位体は⁴⁰ Ca で、天然カルシウム全体の 96.941% を占めています。これはシリコン燃焼プロセスでアルファ粒子の融合によって生成され、陽子と中性子の数が等しい最も重い安定核種です。その発生は、原始 ⁴⁰ Kの崩壊によってもゆっくりと補完されます。もう 1 つのアルファ粒子を追加すると不安定な⁴⁴ Ti になり、2 回の連続した電子捕獲によって安定した⁴⁴ Caに崩壊します。これは天然カルシウム全体の 2.806% を占め、2 番目に多い同位体です。^{[28] [29]}

他の 4 つの天然同位体、⁴² Ca、⁴³ Ca、⁴⁶ Ca、⁴⁸ Ca は、それぞれ天然カルシウム全体の 1% 未満を占める、非常に希少な同位体です。4 つの軽い同位体は主に酸素燃焼およびシリコン燃焼プロセスの生成物であり、残りの 2 つの重い同位体は中性子捕獲プロセスによって生成されます。46 Ca^は主に「ホット」s プロセスで生成されます。これは、その形成に、寿命の短い⁴⁵ Ca が中性子を捕獲できるように、かなり高い中性子束が必要であるためです。48 Ca^は、 Ia 型超新星のr プロセスにおける電子捕獲によって生成され、高い中性子過剰と十分に低いエントロピーによってその存続が保証されます。^{[28] [29]}

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。このような軽い元素にしては中性子が非常に多いですが、^{48 Ca は}二重魔法核であり、閉殻に 20 個の陽子と 28 個の中性子が配置されているため、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のために非常に妨げられます。48 Ca の^{核スピンはゼロ}で偶数ですが、⁴⁸ Sc はスピンが 6+ であるため、崩壊は角運動量保存則によって禁じられています。48 Sc の 2 つの励起状態も崩壊に利用できますが、それらもスピンが大きいため禁じられています。その結果、 ⁴⁸ Ca が崩壊する場合は、代わりに^二重ベータ崩壊して⁴⁸ Tiになり、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。^{[30] [31]}

⁴⁶ Ca も理論的には二重ベータ崩壊を起こして⁴⁶ Ti になる可能性があるが、これは観測されたことがない。最も一般的な同位体である⁴⁰ Ca も二重魔法量であり、二重電子捕獲を起こして⁴⁰ Arになる可能性があるが、これも同様に観測されたことがない。カルシウムは、2つの原始二重魔法量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。^[30]

^{実質的に安定な48Ca}を除けば、カルシウムの最も長寿命の放射性同位体は^41Caである。これは電子捕獲によって崩壊し、半減期が約10 ^{5年である安定した41Kになる}。41Kの過剰から、絶滅した放射性核種として太陽系初期に存在していたことが推測されている。41Caは宇宙線生成核種であり、天然の^40Caの中性子活性化によって継続的に生成されるため、痕跡量の^{41Caが現在も存在している。 [29]}

^{カルシウム放射性同位体は他にも35 Caから60} Caまで数多く知られている。それらはすべて⁴¹ Caよりはるかに短寿命で、最も安定しているのは⁴⁵ Ca（半減期163日）と⁴⁷ Ca（半減期4.54日）である。42 Caより軽い同位体は^通常ベータプラス崩壊してカリウム同位体になり、⁴⁴ Caより重い同位体は通常ベータマイナス崩壊してスカンジウム同位体になるが、原子核ドリップラインの近くでは陽子放出と中性子放出も重要な崩壊モードになり始める。^[30]

他の元素と同様に、カルシウム同位体の相対的存在量はさまざまなプロセスによって変化する。^[32]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分別である。より軽い同位体はこれらの鉱物に優先的に取り込まれ、室温で原子質量単位（amu）あたり約0.025％の重い同位体が周囲の溶液に濃縮される。カルシウム同位体組成の質量依存の違いは、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の同じ比率と比較することによって表される。44 Ca/ ^{40 Caは、}地球上の生物間で約1〜2‰変動する。^[33]

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。^{[34]石灰は}建築材料として^{[35] 、また}彫像用の石膏として紀元前7000年頃に使用されていました。^[36]年代が判明し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。^{[37] [38]}

同じ頃、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。古代ローマ人は代わりに石灰岩（CaCO ₃ ）を加熱して作った石灰モルタルを使用していました。「カルシウム」という名前自体はラテン語のcalx「石灰」に由来しています。^[34]

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、古代ローマ人にはガスとして認識されていなかった。^[39]

1789 年、アントワーヌ・ラボアジエは、石灰が基本的な化学元素の酸化物ではないかと考えました。ラボアジエは元素表で、5 つの「塩化可能な土」（酸と反応して塩（ラテン語でsalis = 塩）を生成できる鉱石）を挙げています。すなわち、 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。

おそらく、私たちがまだ知っているのは、自然界に存在する金属物質の一部にすぎない。なぜなら、酸素に対する親和性が炭素よりも強い物質は、これまで金属状態に還元することができず、その結果、酸化物の形でのみ私たちの観察に提示され、土と混同されてきたからである。私たちが今土と並べた重晶石がこの状況にある可能性は極めて高い。なぜなら、多くの実験で、重晶石は金属体の特性にほぼ近い特性を示しているからである。私たちが土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すぎない可能性さえある。^[40]

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。電気分解に関するイェンス・ヤコブ・ベルセリウスとマグヌス・マルティン・アフ・ポンティンの研究に続いて、デービーは、それぞれの金属酸化物と水銀(II)酸化物の混合物を白金板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。白金板は陽極として使用され、陰極は水銀に部分的に浸された白金線であった。その後、電気分解によりカルシウム-水銀およびマグネシウム-水銀アマルガムが得られ、水銀を蒸留して金属が得られた。^{[34] [41]}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、実用的な商業生産方法が発見されたのは1世紀以上も後のことであった。^[39]

カルシウムは地殻中に3%で5番目に多く含まれる元素であり、アルミニウムと鉄に次いで3番目に多い金属である。^{[42]また、}月の高地では4番目に多い元素でもある。^[15] 堆積性の 炭酸カルシウム鉱床は、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る。それらは、菱面体 方解石（より一般的）と斜方晶系 アラゴナイト（より温暖な海で形成）の2つの形態で存在する。前者のタイプの鉱物には、石灰岩、ドロマイト、大理石、白亜、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諸島、フロリダキーズ、紅海の盆地を構成している。サンゴ、貝殻、真珠は主に炭酸カルシウムでできている。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）などがある。gre ^[34]

カルシウムの主要生産国は中国（年間約10000～12000トン）、ロシア（年間約6000～8000トン）、米国（年間約2000～4000トン）である。カナダとフランスも小規模生産国である。2005年には約24000トンのカルシウムが生産された。世界で抽出されたカルシウムの約半分は米国で使用されており、毎年生産量の約80％が使用されている。^[13]

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。^[13]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がカルシウムに適しています。^[43]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成されます。^[13]

カルシウムの循環は、地殻変動、気候、炭素循環を結びつける役割を果たします。簡単に言えば、山岳形成により、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洋に運ばれ、溶存CO _{2と反応して}石灰岩（CaCO
₃）は海底に沈み、そこで新たな岩石に組み込まれます。溶解したCO2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。 ^[44]

実際の反応はより複雑で、重炭酸イオン（HCO⁻
₃) は、海水pHでCO _{2 が}水と反応して生成されます。

${\displaystyle {\ce {Ca^2+ + 2 HCO3- -> CaCO3_v + CO2 + H2O}}}$

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/大気から岩石圏に1分子のCO2が正味輸送_される。^[45]その結果、化学的風化によって放出されたCa2 ^{+イオン1個につき、最終的に表層系（大気、海洋、土壌、生物）から1分子の}_CO2が除去され、炭酸塩岩に蓄えられ、数億年はそこに留まる可能性がある。このように、岩石からのカルシウムの風化により、海洋と大気からCO2が洗い流され_、気候に強い長期的影響を及ぼしている。^{[44] [46]}

金属カルシウムは酸素と硫黄に対して強い化学的親和性を持つことから、製鉄業で最大の用途がある。酸化物と硫化物が形成されると、鋼鉄中に液体のアルミナ石灰と硫化物介在物を形成し、これらは浮上する。処理すると、これらの介在物は鋼鉄全体に分散し、小さく球状になり、鋳造性、清浄度、一般的な機械的性質が向上する。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、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、水分損失が少なくなり、自己放電も少なくなる。^[47]

膨張や割れの危険があるため、これらの合金にはアルミニウムも組み込まれることがあります。これらの鉛-カルシウム合金は、鉛-アンチモン合金の代わりに鋳造にも使用されます。 ^{[47]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、}鋳鉄の黒鉛炭素の制御、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。 ^[43]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て脂肪を鹸化し、排水管を詰まらせるタンパク質（たと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。^[48]

冶金学の他にも、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ために、また酸素と窒素のゲッターとして利用されている。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る。また、水素と反応して固体の水素化カルシウムを形成し、そこから水素を簡単に再抽出できるため、水素ガスの貯蔵にも使用できる。 ^[43]

鉱物形成中のカルシウム同位体分別は、カルシウム同位体のいくつかの応用につながっています。特に、1997年にSkulanとDePaolo ^[49]がカルシウム鉱物は、鉱物が沈殿する溶液よりも同位体的に軽いという観察を行い、医学や古海洋学における同様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速度を反映しています。^[50]

ヒトでは、尿中のカルシウム同位体組成の変化が骨ミネラルバランスの変化と関係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、軟部組織の^44Ca / ^{40Ca比が上昇し、逆もまた同様です。この関係により、尿や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。^[50]

同様のシステムは海水にも存在し、鉱物沈殿による Ca ²⁺の除去率が海への新しいカルシウムの流入を上回ると、 ⁴⁴ Ca/ ^{40 Ca が上昇する傾向がある。1997 年、Skulan と DePaolo は、地質学的時間における海水の44} Ca/ ⁴⁰ Ca の変化に関する最初の証拠と、これらの変化の理論的説明を発表した。最近の論文はこの観察を裏付け、海水の 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」にはならないことを実証している。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、重要な気候学的意味合いを持つ。^{[51] [52]}

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。たとえば、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充されています。リン酸三カルシウムは、歯磨き粉や制酸剤の研磨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。パン作りでは、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の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補強剤として使用され、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。^[47]

カルシウムは世界保健機関の必須医薬品リストに載っています。^[53]

カルシウムが豊富な食品には、ヨーグルトやチーズなどの乳製品、イワシ、鮭、大豆製品、ケール、強化朝食シリアルなどがあります。^[9]

動脈の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）を設定している。IOMによれば、9～18歳の人は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とされている。^[54] EFSAは成人全員のULを1日2.5gに設定しているが、小児および青少年に関する情報はULを決定するには不十分であると判断した。^[55]

カルシウムは大量に必要とされる必須元素である。 ^{[8] [9]} Ca ²⁺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り、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によって厳密に調節される。カルシウムがこの役割を果たすことができるのは、Ca ²⁺イオンが多くの有機化合物、特にタンパク質と安定した配位錯体を形成するためである。また、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。^{[8] [58]}

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に結合することによって、またはリン酸化セリン、チロシン、またはスレオニン残基と相互作用することによって、またはγ-カルボキシル化アミノ酸残基によってキレート化されることによって、タンパク質によって複合体を形成する。消化酵素であるトリプシンは最初の方法を使用し、骨マトリックスタンパク質であるオステオカルシンは3番目の方法を使用する。^[59]

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、1番目と2番目の両方を使用します。カルシウムに結合することで酵素を直接活性化するのが一般的ですが、他の酵素は直接カルシウム結合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、細胞表面に関連するタンパク質を固定します。^[59]

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。 ^[59]

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すが、^[8]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異なるバイオアベイラビリティに影響を及ぼす可能性があります。クエン酸カルシウム、リンゴ酸カルシウム、乳酸カルシウムはバイオアベイラビリティが高く、シュウ酸カルシウムはバイオアベイラビリティが低くなります。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ります。^{[8]摂取したカルシウムの約3分の1は}遊離イオンとして腸で吸収され、血漿カルシウム濃度は腎臓によって調節されます。^[8]

副甲状腺ホルモンとビタミンDは、カルシウムイオンの沈着を可能にし、強化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骨の急速な代謝を可能にします。^[8]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、副甲状腺ホルモンは、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。 ^[59]

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る。しかし、カルシウムは腸で効率的に吸収されないため、血清カルシウム値が高いのは、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、またはビタミンDの過剰摂取が原因である可能性が高い。これらの状態はすべて、過剰なカルシウム塩が心臓、血管、または腎臓に沈着する結果となる。症状には、食欲不振、吐き気、嘔吐、記憶喪失、混乱、筋力低下、排尿増加、脱水、代謝性骨疾患などがある。^[59]

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その深刻な結果につながる。例えば、石灰化は血管壁の弾力性の喪失や層流の阻害を引き起こし、それによってプラーク破裂や血栓症を引き起こす可能性がある。逆に、カルシウムやビタミンDの摂取が不十分だと低カルシウム血症になる可能性があり、これは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ることが多い。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る。^[59]

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やハイドロキシアパタイトに起因していると考えられる。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る。^{[8] [9]カルシウム、ビタミンD、リン酸塩の量が不十分だと骨}軟化症と呼ばれる骨軟化症を引き起こす可能性がある。^[59]

カルシウム

危険
GHSラベル: [60]
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 わ

カルシウムは水や酸と発熱反応を起こすため、体内の水分と接触したカルシウム金属は重度の腐食性刺激を引き起こします。^[61]カルシウム金属を飲み込んだ場合、口、食道、胃に同様の影響を及ぼし、致命的となる可能性があります。^[48]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。^[61]

• Hluchan, Stephen E.; Pomerantz , Kenneth (2005). 「カルシウムとカルシウム合金」。Ullmann 's Encyclopedia of Industrial Chemistry。Weinheim: Wiley-VCH。doi :10.1002/14356007.a04_515.pub2。ISBN 978-3527306732。