カルシウム

カルシウムは、非常に延性のある銀白色の金属（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]4s ^2である。周期表の第2族の他の元素と同様に、カルシウムは最外殻のs軌道に2個の価電子を持ち、これらは化学反応で非常に容易に失われ、希ガス（この場合はアルゴン）の安定した電子配置を持つ二価イオンを形成する。^{[ 10 ]}

したがって、カルシウムは化合物中でほぼ常に二価であり、通常はイオン結合性である。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、二価塩やカルシウム金属へ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 の生成エンタルピーよりもはるかに高いためである。これは、仮想的な Ca ⁺陽イオンと比較して、より電荷の高い Ca ^{2+陽イオンによってもたらされる}格子エネルギーがはるかに大きいためである。^{[ 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考えられています。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、しばしばこのグループに含まれます。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、このグループの他のメンバー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、遷移後金属の弱い金属的性質をいくらか持っているため、「アルカリ土類金属」という用語の伝統的な定義ではこれらが除外されます。^{[ 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の値よりも高いです。ストロンチウムやバリウムと同様に面心立方構造で結晶化します。443 ℃（716K ）を超えると、体心立方構造に変化します。^{[ 4 ] [ 12 ]}密度は1.526g /cm³ ^（ 20 ℃）^{[ 4 ]}で、同族の中で最も低い値です。^{[ 10 ]}    

カルシウムは鉛よりも硬いが、力を入れればナイフで切ることができる。カルシウムは体積あたりの電気伝導率は銅やアルミニウムよりも低いが、密度が非常に低いため、質量あたりの電気伝導率は両者よりも高い。^{[ 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導体として実用的ではないが、宇宙空間での導体としての使用は検討されている。^{[ 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性質に似ています。例えば、カルシウムはマグネシウムよりも速く、しかしストロンチウムよりも遅く水と自発的に反応して、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て、酸化カルシウムと窒化カルシウムの混合物を形成します。^{[ 14 ]}細かく粉砕すると、空気中で自発的に燃焼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%未満であれば、室温で無期限に保存できます。^{[ 15 ]}

単純な酸化物 CaO の他に、高圧酸素下でカルシウム金属を直接酸化すると過酸化カルシウムCaO 2_{が生成され、黄色の}超酸化物Ca(O ₂ ) ₂の存在を示す証拠もいくつかある。^{[ 16 ]}水酸化カルシウム Ca(OH) ₂は強塩基であるが、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 4 つの二ハロゲン化物はすべて知られている。^{[ 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、二価ランタニドのユーロピウムやイッテルビウムと同様に、カルシウム金属は液体アンモニアに直接溶解して濃い青色の溶液を生成する。^{[ 20 ]}

^{カルシウムイオン（Ca 2+} ）はサイズが大きいため、配位数は高く、 CaZn ₁₃などの金属間化合物では最大 24 に達することもあります。^{[ 21 ]}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、これらは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、より小さな第 2 族陽イオンはより強い錯体を形成する傾向がありますが、大きな多座配位マクロサイクルが関与すると、その傾向は逆転します。^{[ 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^{48 Caの混合物であり、48} Caの半減期は4.3  ×  10 ¹⁹ 年と非常に長いため、実際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、6つの天然同位体を持つ最初の（最も軽い）元素です。^{[ 14 ]}

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。これはアルファ粒子の融合によるシリコン燃焼プロセスで生成され、陽子と中性子の数が等しい最も重い安定核種です。また、その存在は原始的な⁴⁰ Kの崩壊によっても徐々に補われています。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、これが 2 つの連続した電子捕獲によって安定な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 番目に一般的な同位体です。^{[ 26 ] [ 27 ]}

他の 4 つの天然同位体、^{42、43、46、48} Ca は著しく希少で、それぞれ天然カルシウムの 1% 未満を占めています。 4 つの軽い同位体は主に酸素燃焼とケイ素燃焼の産物であり、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」s プロセスで生成され、その生成には短寿命の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す。^{48 Ca は}Ia 型超新星のr プロセスで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生存が保証されます。^{[ 26 ] [ 27 ]}

^46Caと^48Ca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としては極めて中性子過剰ですが、^48Caは20個の陽子と28個の中性子が閉殻に配置された二重魔法核であるため、非常に安定しています。48Caの^48Sc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。48Ca^{の核スピンは}偶数-偶数でゼロですが、^{48Scのスピンは6+であるため、}角運動量保存則により崩壊は禁じられています。48Sc^の2つの励起状態も崩壊に利用可能ですが、高スピンのためこれも禁じられています。結果として、^{48Caが崩壊する場合、代わりに48Ti}への二重ベータ崩壊によって崩壊します。これは、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です。^{[ 28 ] [ 29 ]}

^{46Caは理論的には46Ti}に二重ベータ崩壊する可能性もありますが、これはこれまで観測されていません。最も一般的な同位体である^{40Caも二重魔法数であり、}二重電子捕獲により^40Arになる可能性がありますが、これも同様に観測されていません。カルシウムは、2 つの原始的な二重魔法数同位体を持つ唯一の元素です。40Caと^46Caの半減期の実験的な下限値は、それぞれ5.9  ×  10 ²¹年と 2.8  ×  10 ¹⁵年です。^{[ 28 ]}

^48Caを除くと、カルシウムの放射性同位体の中で最も寿命が長いのは^41Caです。これは電子捕獲により安定な41Kに崩壊し、^半減期は約10⁵^年です。41Kの過剰から、初期の太陽系に消滅した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^。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、今日でも微量^の41Caが存在します。^{[ 27 ]}

カルシウムの放射性同位体は他にも多数知られており、^{35Caから60Ca}までの範囲に及ぶ。これらはすべて^41Caよりもはるかに寿命が短く、最も安定なのは^45Ca（半減期163日）と^47Ca（半減期4.54日）である。42Ca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の同位体になり、^44Ca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る。ただし、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になり始める。^{[ 28 ]}

他の元素と同様に、さまざまなプロセスによってカルシウム同位体の相対存在量が変化します。^{[ 30 ]}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生じるカルシウム同位体の質量依存性分別です。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% の割合で重い同位体が濃縮されます。カルシウム同位体組成の質量依存性の違いは、通常、サンプル中の 2 つの同位体 (通常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。^{[ 31 ]}

カルシウム循環は、地殻変動、気候、炭素循環を結びつける役割を果たします。最も単純な言い方をすれば、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洋に運ばれ、そこで溶存 CO _{2と反応して}石灰岩(CaCO ₃ )を形成し、それが海底に沈殿して新しい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。^{[ 42 ]}

実際の反応はもっと複雑で、_{CO₂が海水}pHで水と反応したときに生成される重炭酸イオン（ ^HCO₃⁻）_が関与しています。

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

海水pHでは、溶解したCO2の大部分は_すぐにHCO ⁻ ₃に変換されます。この反応により、CO2分子1個が海洋/大気から岩石圏へ正味輸送されます_。 [ 43 ]^{その結果、}化学的風化によって放出されたCa2 ⁺イオン1個ごとに、最終的にCO2分子1個が表層系（大気、海洋、土壌、生物）から除去され_、炭酸塩岩に貯蔵され、数億年にわたってそこに留まることになります。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を除去し_、気候に強い長期的な影響を及ぼします。^{[ 42 ] [ 44 ]}

カルシウムは、大量に必要とされる必須元素です。 ^{[ 8 ] [ 9 ]} Ca2 ^{+イオンは}電解質として働き、筋肉系、循環器系、消化器系の健康に不可欠です。また、ヒドロキシアパタイトの形で骨を形成するために不可欠であり、血液細胞の合成と機能をサポートします。たとえば、筋肉の収縮、神経伝導、血液凝固を調節します。その結果、細胞内および細胞外のカルシウム濃度は、体によって厳密に調節されます。カルシウムがこのような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した配位錯体を形成するためです。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します。^{[ 8 ] [ 56 ]}

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、リン酸化セリン、チロシン、またはト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、タンパク質と複合体を形成する可能性がある。消化酵素であるトリプシンは最初の方法を使用し、骨基質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。^{[ 57 ]}

オステオポンチンや骨シアロプロテインなどの他の骨基質タンパク質の中には、最初の方法と2番目の方法の両方を使用するものもあります。カルシウム結合による酵素の直接活性化は一般的ですが、他の酵素の中には、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るものもあります。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。^{[ 57 ]}

カルシウム化合物の溶解度の幅広い範囲の例として、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ヒドロキシアパタイトは溶解度1000 μMのリン酸三カルシウムである。^{[ 57 ]}  

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、その生物学的利用能に影響を与える可能性があり、生物学的利用能は関連する塩の溶解度によって異なります。クエン酸カルシウム、リンゴ酸カルシウム、乳酸カルシウムは生物学的利用能が高い一方、シュウ酸カルシウムは低いです。その他のカルシウム製剤には、炭酸カルシウム、クエン酸カルシウム、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 ]}腸は摂取したカルシウムの約3分の1を遊離イオンとして吸収し、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て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迅速な骨代謝回転を可能にします。^{[ 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。その後、標的となる腎臓、腸、骨細胞からカルシウムを取り込むことで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に伴って分泌が増加するカルシトニンによって拮抗されます。 ^{[ 57 ]}

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あまり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の過剰摂取が原因である可能性が高いです。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、頻尿、脱水、代謝性骨疾患などがあります。^{[ 57 ]}

慢性高カルシウム血症は、通常、軟部組織の石灰化とその深刻な結果につながります。たとえば、石灰化は血管壁の弾力性の喪失や層流血流の阻害を引き起こし、その結果、プラーク破裂や血栓症につながる可能性があります。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、これは多くの場合、副甲状腺ホルモンの分泌不足や細胞内のPTH受容体の欠陥によっても引き起こされます。症状には神経筋興奮性があり、これは心臓組織のテタニーや伝導障害を引き起こす可能性があります。^{[ 57 ]}

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または組織における有機マトリックスまたはヒドロキシアパタイトに起因する可能性があります。骨粗鬆症は単位体積あたりの骨のミネラル含有量の減少であり、カルシウム、ビタミンD、およびビスホスホネートの補充によって治療できます。^{[ 8 ] [ 9 ]}カルシウム、ビタミンD、またはリン酸塩の量が不十分な場合、骨軟化症と呼ばれる骨の軟化につながる可能性があります。^{[ 57 ]}

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内の水分と接触すると、激しい腐食性刺激を引き起こします。^{[ 59 ]}飲み込んだ場合、カルシウム金属は口、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。^{[ 46 ]}ただし、長期暴露による明確な悪影響は知られていません。^{[ 59 ]}