دانشچی پورتال جامع تحقیق و مقاله، مطالب علمی و هنری ، وبگردی و…
همه چیز درباره عنصر کلسیم (Ca)
کلسیم، (به انگلیسی : Calcium) با علامت اختصاری Ca و عدد اتمی ۲۰، عنصری از جدول تناوبی در دسته فلزهای قلیایی خاکی است که در ادامه بیشتر با آن آشنا می شوید. با دانشچی همراه باشید.
عنصر کلسیم از نظر فراوانی ، در میان کلیه عناصر پوسته زمین دارای مقام پنجم و در میان فلزات دارای مقام سوم است ترکیبات کلسیم تشکیل دهنده ۶۴/۳ % از پوسته زمین می‌باشد. بلورهای سفید کلسیم ، در دمای C˚۸۱۰ ذوب می‌شوند و فلز کلسیم در آب و اسید محلول بوده و هیدروکسید و نمک تولید می‌نماید.
کلسیم فلز قلیایی خاکی نرم و خاکستری رنگی است که در استخراج توریم، زیرکونیم و اورانیوم بعنوان عامل کاهنده به کار می رود. همچنین این عنصر پنجمین عنصر فراوان موجود در پوسته زمین است. وجود این عنصر برای حیات بافت های زنده- به خصوص در فیزیولوژی سلول ضروری است.
شناسنامه کلسیم
عدد اتمی: ۲۰
جرم اتمی: ۴۰.۰۷۸
نقطه ذوب : C°۸۱۰
نقطه جوش : C°۱۴۹۴
شعاع اتمی: Å ۲.۲۳
ظرفیت:۲
رنگ: سفید نقره ای
حالت استاندارد: جامد پارامغناطیس
شعاع یونی: Å ۰.۹۹
الکترونگاتیوی: ۱.۰۰
تاریخچه کلسیم
( لاتین calx ، به معنی آهک) از قرن یکم ، رومیان آهک را تهیه و مورد استفاده قرار دادند اما کلسیم تا سال ۱۸۰۸ کشف نشده بود. Sir Humphry Davy بعد از اینکه فهمید با الکترولیز آهک در جیوه و به وسیله Berzelius وPontin می توان ملغمه کلسیم تولید نمود ، موفق به تولید کلسیم خالص شد.
پیدایش عنصر کلسیم
کلسیم پنجمین عنصر فراوان در پوسته زمین ( تشکیل دهنده ۳%) و بخش مهمی از برگ ها، استخوان ها، دندان ها و صدف ها می باشد. کلسیم به علت واکنش پذیری شدیدی که با آب و هوا دارد هرگز در طبیعت به صورت مجرد از دیگر عناصر یافت نمی شود ، بجز در موجودات زنده کــــه ۲+ Ca نقش کلیدی در فیزیولوژی سلول به عهده دارد.این عنصر فلزی به مقدار زیاد در سنگ آهک، گچ و فلوریت وجود دارد. آپتیت، فلوروفسفات یا کلروفسفات کلسیم است. از الکترولیز کلرید کلسیم مذاب (CaCl2) برای جداسازی کلسیم خالص استفاده می گردد.
کلسیم در بدن
کلسیم فعالیت‌های زیادی رادربدن برعهده دارد از جمله:
- ضربان قلب را تنظیم می‌نماید.
- در تنظیم کار سیستم اعصاب بدن به خصوص درانتقال تحریکات عصبی نقش اساسی دارد.
- کلسیم عامل استحکام استخوان ها است. کلسیم کافی باید در غذای نوجوانان قبل از بلوغ وجودداشته باشد تااستخوانها تراکم مناسبی بیابندو درسالمندی به پوکی استخوان مبتلا نشوند.
- کلسیم برای انقباض عضلات ضروری است و تا کلسیم وجود نداشته باشد حرکت امکان‌پذیر نیست.
- بی خوابی را کاهش می‌دهد.
- در متابولیسم آهن بدن مؤثر است.
- کلسیم در یکی از مراحل انعقاد خون دخیل است.
ویژگی های کلسیم
کلسیم عنصر نسبتاً سختی است که بوسیله الکترولیز از فلورید کلسیم به صورت خالص در می آید و با شعله زرد و قرمز رنگ می سوزد و در معرض هوا لایه نیترید سفید رنگی تولید می کند. این عنصر با آب واکنش داده و پس از جابجایی هیدروژن تولید هیدروکسید کلسیم می کند.
خواص شیمیایی کلسیم
کلسیم عنصری است که نسبت به فلزات قلیایی و سایر فلزات قلیایی خاکی از قدرت فعالیت کمتری برخوردار است. مانند بریلیم و آلومینیوم، و برخلاف فلزات قلیایی، این عنصر موجب سوختگی پوست نمی‌گردد.
باید توجه داشت که در هوا لایه نازکی از اکسید و نیترید بر روی کلسیم تشکیل می‌شود که می‌تواند آن را از اثرات بعدی هوا مصون نگاه دارد، لکن در درجه حرارت بالا این عنصر در هوا سوخته و تشکیل مقدار زیادی نیترید می‌دهد. کلسیم تجارتی به آسانی با آب و اسیدها واکنش نموده تولید هیدروژنی می‌نماید که حاوی مقدار قابل ملاحظه‌ای از گاز آمونیاک وهیدروکربن ها، به عنوان ناخالصی می‌باشد.
از کلسیم، می‌توان به عنوان یک عامل آلیاژکننده برای فلزات حاوی آلومینیوم به منظور حذف بیسموت از سرب و به عنوان کنترل‌کننده کربن گرافیتی، در چدن استفاده کرد. از طرف دیگر می‌توان از این فلز به عنوان عاملی برای حذف اکسیژن درکارخانجات فولاد و به عنوان عامل احیاکننده در تهیه فلزاتی مانند کروم، زیرکونیم و اورانیم و به عنوان یک ماده جداکننده برای مخلوط گازهای نیتروژن و آرگون استفاده نمود. ضمناً زمانیکه کلسیم، به آلیاژهای منیزیم افزوده شود (۲۵/۰٪)، ساختمان آن‌ها را تصفیه وموجب کاهش تمایل آتش گیری های آن‌ها می‌شود.
کاربردهای کلسیم
کلسیم عضو مهمی از یک رژیم غذایی سالم است. کمبود جزئی آن برشکل گیری دندان ها و استخوان تاثیر می گذارد و زیادی آن نیز می تواند به سنگ کلیه منجر گردد. برای جذب کلسیم به ویتامین D نیاز است . محصولات لبنی یکی از منابع غنی این عنصر می باشد.
سایر کاربردهای آن عبارتند از:
- عامل کاهنده در استخراج سایر فلزات مثل اورانیوم، زیرکونیم و توریم.
- اکسید زدا، گوگرد زدا یا کربن زدا برای آلیاژهای مختلف آهنی و غیر آهنی .
- عامل آلیاژ که برای تولید آلیاژهای آلومینیوم ، بریلیم، مس ، سرب و منیزیم مورد استفاده قرار می گیرد.
ایزوتوپ های کلسیم
کلسیم دارای ۶ ایزوتوپ پایدار است که دو تای آن ها در طبیعت یافت می شوند: Ca-40 پایدار و Ca-41 رادیو اکتیو با نیمه عمر ۱۰۳۰۰۰ سال که ۹۷% این عنصر به شکل Ca-40 وجود دارد.Ca-40 یکی از محصولات فروپاشی K-40 است – به همراه Ar-40- درحالیکه در علم زمین شناسی تاریخ یابی با K-Ar شدیداً کاربرد پیدا کرده ، Ca-40 در طبیعت کاربرد خود را در تاریخ گذاری از دست داده است. روش هایی با بهره گیری از طیف سنجی جرمی و رقیق سازی ایزوتوپ double spike برای تاریخ گذاری عمر جو به وجود می آیند Ca-41 در اثر فعل و انفعالات نوترون Ca-40 حاصل می شود.
بیشترین تولید آن در بخش های کم و بیش بالاتر پایه خاک است که شار نوترون های کیهانی به مقدار کافی قوی هستند ، چون Ca-41 به شکل k-41 فروپاشی می شود – یک نشانگر بسیار مهم برای تعیین فاصله زاویه ای سیارات از خورشید- لذا Ca-41 در مطالعات نجومی بسیار مورد توجه می باشد.
منابع کلسیم
منابع کلسیم در پهنه زمین گسترده بوده و در هر یک از سرزمینها بوفور یافت می‌شود. این عنصر در حیات گیاهی و جانوری دارای نقش حیاتی بوده و در استخوانها و دندانها و پوسته تخم مرغ ، انواع مرجان ها و بسیاری از خاک ها وجود دارد. همچنین کلرید کلسیم در حدی به گستردگی ۱۵/۰% در آب دریا وجود دارد.
ذکر این نکته ضروری بنظر می رسد که آهک (اکسید کلسیم) ماده شناخته شده‌ای است که از قدیم الایام در مورد یونان باستان از آن بعنوان ملات در ساختمانها استفاده می شده است. کلسیم در ترکیب پوسته زمین به مقدار ۳۶۳۰۰ گرم در تن وجود دارد این عنصر به حالت آزاد یافت نمی‌شود، بلکه به شکل ترکیب های مختلف در کانی‌ها و به صورت محلول در ساختمان جانوران و گیاهان شرکت می کند. کانی‌های حائز اهمیت کلسیم عبارتند از: دولومیت ، گیبس و آپاتیت.
عوارض کمبود کلسیم
عوارض کمبود کلسیم در کودکان بیماری راشیتیسم، در میانسالان استئومالاسی، و در بزرگسالان استئوپروز (پوکی استخوان) است. این بیماری‌ها دراثر کمبود ویتامین D بروز می‌کنند، پس اگرخواستار استخوان های محکمی هستید، بهتر است مراقب مصرف ویتامین D هم باشید. کمبود شدید کلسیم، انقباض شدید عضلات به حالت کزاز را به دنبال دارد که ابتدا به صورت گرفتگی عضلات دیده می‌شود. البته این حالت کمتر رخ می‌دهد وآنچه ما بیشتر از کمبود کلسیم دیده‌ایم، پوک شدن استخوانها در سنین بالا است که برای جلوگیری ازآن بایداز نوجوانی به فکر خود باشیم.
کلسیم از راه پوست هم به هدر می‌رود و فعالیت زیاد در حرارت بالا و تعرق زیاد، دفع پوستی کلسیم راافزایش می‌دهد. چرا که دراثر بالا رفتن سن، درد استخوان، راحت شکسته شدن و دیر جوش خوردن استخوانها گریبان گیرمان می‌شود. میزان مورد نیاز کلسیم روزانه ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ میلی‌گرم است.
برای جلوگیری ازابتلاء به استئوپروز، باید دریافت کلسیم و ویتامین D درحد استاندارد باشد. نباید سیگار بکشیم، نباید چای و قهوه بیش از حد مصرف کنیم، نباید دیورتیک (داروهای مدر) بیش از حد مصرف کنیم، باید بیشتر خود را در معرض نور خورشید قرار دهیم تا ویتامین D در زیر پوستمان تولید شود. درهر سنی که هستیم ورزش کنیم، چراکه کم‌تحرکی موجب پوکی استخوانها می‌شود. مصرف کافی منابع ویتامین D را نیز فراموش نکنیم.
ترکیبات کلسیم و کاربرد آن ها
عموما می بایست که از ترکیبات سدیم نسبت به ترکیبات کلسیم ، بیشتر استفاده شود، لکن با مقایسه قیمت این دو ترکیب با یکدیگر ، در بسیاری از موارد از ترکیبات کلسیم استفاده می شود. در هر صورت باید توجه داشت که آهک قلیایی ارزان تری ، نسبت به هیدروکسیدسدیم محسوب می شود. از ترکیبات مهم کلسیم می توان به موارد زیر اشاره نمود:
هیدرید کلسیم: این ترکیب در اثر واکنش مستقیم با هیدروژن در C400˚ حاصل می گردد و با آن می توان بسیاری از اکسیدهای معدنی مانند رویتل و بدلیت را تا حد فلز مربوطه احیا کرد همچنین می توان با استفاده از این ترکیب ، کلریدکلسیم را به سدیم احیا و مونوکسید کربن را به فرم آلدهید تبدیل نمود هر بعنوان یک عامل متراکم کننده درتبدیل استون به اکسید مزیتلین و بعنوان کاتالیزور هیدروژناسیون در تبدیل اتیلن به اتان نفش دارد.
اکسید و هیدروکسید کلسیم: اکسید کلسیم ( آهک) را می‌توان بوسیله تجزیه حرارتی کربنات معدنی این عنصر در کوره های بلند در فرآیندی مداوم تولید نمود. برای تهیه هیدروکسید کلسیم نیز می‌توان از هیدرولیز اکسید آن استفاده نمود. از هیدروکسید کلسیم ، بعنوان قلیا در مواردی که نیاز باشد استفاده می‌گردد.
سیلید کلسیم: برای تهیه سیلید کلسیم می توان در یک کوره الکتریکی از اثر آهک برسیلیکا و یک زغال احیا کننده استفاده نمود. این ماده بعنوان عامل اکسیژن زدایی از فولاد ، بسیار مفید می‌باشد.
کربید کلسیم: برای تهیه این ترکیب می توان مخلوطی از آهک و کربن را در یک کوره الکتریکی تحت درجه حرارت C˚۳۰۰۰ قرار داد. کریبد کلسیم در اثر هیدرولیز استیلن تبدیل می گردد که استیلن یک ماده آغاز برای تهیه تعداد کثیری از مواد شیمیایی مهم در صنعت مواد شیمیایی آلی است.
کربنات کلسیم: در طبیعت ، کربنات کلسیم تحت عناوین مختلف و به وفور یافت می‌شود. سنگ آهک ایسلند و کلسیت اساسا کربنات خالص هستند، در حالیکه ماربل تا اندازه ای دارای ناخالصی می‌باشد. اگر چه کربنات کلسیم کاملا در آب نامحلول می باشد، لکن در آبهای حاوی دی اکسید کربن ، در حد قابل ملاحظه ای محلول است زیرا در اثر ترکیب با دی‌اکسید کربن به صورت بیکربنات درمی‌آید.
هالیدهای کلسیم: از جمله هالیدهای کلسیم ، فلوئورید فسفر سانس ، یکی از ترکیبات گسترده کلسیم می باشد، که با توجه به میزان شفافیت آن ، نسبت به اشعه ماورای بنفش و مادون قرمز از کاربردهای با اهمیتی ، در اسپکتروسکوپی برخوردار است. از دیگر هالیدهای کلسیم ، کلرید کلسیم است که بعنوان عامل خشک کننده و همچنین بدلیل قابلیت انحلال فوق العاده آن در آب سرد ، در سیستمهای خنک کننده استفاده می‌شود. مضافا از کلرید کلسیم و هیپوکلریت کلسیم بعنوان عامل سفید کننده نیز استفاده می‌کنند.
پیشنهادی: درباره بیماری پوکی استخوان بخوانیدعنصر کلسیم _ دانشچی
