კალციუმი

კალციუმი ქიმიური ელემენტია, რომლის სიმბოლოა Ca. მისი ატომური ნომერია 20, ხოლო ატომური მასაა 40.078. კალციუმი რბილი ნაცრისფერი ტუტემიწა მეტალია და მეხუთეა დედამიწის ქერქში გავრცელებით მასის მიხედვით (3.6%). იგი ასევე მეხუთეა ზღვის წყალში გავრცელებით, როგორც მოლარობის, ისე მასის მიხედვით ნატრიუმის, ქლორის, მაგნიუმის და სულფატების შემდეგ.

კალციუმი აუცილებელია ცოცხალი ორგანიზმებისათვის, კერძოდ უჯრედის ფიზიოლოგიაში, სადაც კალციუმის იონი Ca²⁺ გადააადგილდება ციტოპლაზმის შიგნით და გარეთ და ფუნქციონირებს როგორც ბევრი უჯრედული პროცესის სიგნალი. იგი გამოიყენება ძვლების მინერალიზაციისათვის.

დახასიათება

ქიმიურად კალციუმი რეაქციისუნარიანი მეტალია. იგი რბილია (ძნელად, მაგრამ მაინც იჭრება დანით). მისი სიმკვრივეა 1.55გ/სმ³ და ტუტემიწა მეტალებში ყველაზე მსუბუქია. თუმცა მაგნიუმს და ბერილიუმს, უფრო მეტი სიმკვრივე აქვთ (მაგნიუმის 1.74 გ/სმ³, ბერილიუმის 1.84 გ/სმ³) ვიდრე კალციუმს, მაგრამ ისინი უფრო მსუბუქნი არიან კალციუმზე.

კალციუმი მიიღება კალციუმის ქლორიდის ნალღობის ელექტროლიზით. პირველად ამ მეთოდით სუფთა ლითონი მიიღო გერმანელმა ქიმიკოსმა რ. ბუნზენმა 1855 წელს.

კალციუმის ნაერთები ავლენს +2 დაჟანგულობის ხარისხს, ჰაერზე ადვილად იჟანგება, ამიტომ მას ინახავენ ჰერმეტულად დახურულ ჭურჭელში. ჰაერზე გახურებისას იწვის მოწითალო-აგურისფერი ალით და წარმოქმნის თეთრ კვალს, რომელიც CaO-ს უწვრილესი ნაწილაკებისაგან შედგება.

კალციუმი რეაგირებს წყალთან წყალბადის გამოძევებით. ამასთან რეაქცია ცივ წყალთან მიდის ნელა, ხოლო ცხელ წყალთან აქტიურად მიმდინარეობს. ძალიან ენერგიულად მიმდინარეობს რეაქცია მჟავასთან წყალბადის გამოყოფით. განზავებულ გოგირდმჟავასთან რეაქცია ფერხდება მცირედხსნადი CaSO₄-ის წარმოქმნის გამო.

კალციუმს უფრო მაღალი ხვედრითი წინაღობა გააჩნია, ვიდრე სპილენძს და ალუმინს. მისი დაბალი სიმკვრივის გამო, კალციუმი გაცილებით უკეთესი გამტარია, ვიდრე სპილენძი და ალუმინი, თუმცა მისი მიწისზედა გამოყენება შეზრუდულია მისი მაღალი რეაქციისუნარიანობის გამო.

ნაერთები

კალციუმი უერთდება ფოსფატებს ჰიდროქსილფოსფატის წარმოქმნით. ეს მინერალი შედის ადამიანთა და ცხოველთა ძვლების და კბილების შემადგენლობაში. კალციუმის ჰიდროქსიდი (ჩამქრალი კირი) ბევრ ქიმიურ პროცესში გამოიყენება. იგი მიიღება კირქვის გამოწვით მაღალ ტემპერატურაზე (825 °C) და შემდგომ მასზე წყლის ზემოქმედებით. ჩამქრალი კირი თეთრი ფერის, ფხვნილესებური ნივთიერებაა, წყალში მცირედ ხსნადია (1ლ წყალში ჩვეულებრივ პირობებში იხსნება 1.5გ Ca(OH)₂). მის ნაჯერ წყალხსნარს კირიანი წყალი ეწოდება. მასში კალციუმის ჰიდროქსიდი მთლიანად დისოცირებულია წყალში. თუ წყალში მეტ ჰიდროქსიდს შევიტანთ, ვიდრე შეიძლება გაიხსნას, მიიღება კირიან წყალში კალციუმის ჰიდროქსიდის ნაწილაკთა თეთრი სუსპენზია - კირრძე. კალციუმის ჰიდროქსიდი იაფი და ხელმისაწვდომია ამავე დროს ძლიერი ფუძეა.

როდესაც კალციუმის ჰიდროქსიდს უმატებენ ქვიშას მოცულობის გასადიდებლად, მიიღება დუღაბი, რომელიც გამოიყენება მშენებლობაში აგურის დასაკავშირებლად და კედლების შესალესად. დუღაბის გამაგრება დაკავშირებულია დროთა განმავლობაში ჰაერიდან ნახშირბადის დიოქსიდის შთანთქმასთან.

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

და რეაქციასთან, რომელიც წლების განმავლობაში მიმდინარეობს

Ca(OH)₂ + SiO₂ → CaSiO₃ +H₂O

ამიტომ დუღაბის გამაგრების პროცესში შენობაში დიდხანს რჩება სინესტე. ძველი ეგვიპტელები დუღაბს ჯერ კიდევ 4000 წლის წინ იყენებდნენ.

კალციუმის კარბონატი (CaCO₃).  კალციუმის ყველაზე გავრცელებული ნაერთია. გაცხელებით იგი იძლევა ჩაუმქრალ კირს (CaO), რომელზედაც წყლის დამატებით, მიიღება ჩამქრალი კირი (Ca(OH)₂). ცარცი, მარმარილო და კირქვა წარმოადგენენ კალციუმის კარბონატს.

კირიანი წყალში ნახშირბადის დიოქსიდის გატარებისას ხსნარი იმღვრევა უხსნადი CaCO₃-ის გამოყოფის გამო (ამ რეაქციას იყენებდნენ ნახშირბადის დიოქსიდის CO₂ აღმოსაჩენად). CO₂-ის შემდგომი გატარებისას, ხსნარი ისევ გამჭვირვალე ხდება, რადგან უხსნადი კარბონატი, ხსნად ჰიდროკარბონატში Ca(HCO₃)₂ გადადის. თუ ამ უკანასკნელ ხსნარს გავაცხელებთ, იგი კვლავ იმღვრევა, რადგანაც კვლავ წარმოიქმნება CaCO₃. კალციუმის კარბონატისა და ჰიდროკარბონატის ურთიერთგარდაქმნას ადგილი აქვს ბუნებაში. წვიმის წყალი ხსნის ნახშირბადის დიოქსიდს და იგი ნიადაგში ჩაჟონავის დროს ურთიერთქმედებს კირქვასთან, გარდაქმნის მას ჰიდროკარბონატად. ასეთი წყალხსნარის ზედაპირზე ამოსვლისას და წყლის აორთქლებისას კალციუმის კარბონატი კვლავ გამოიყოფა. ეს რეაქციები იწვევს დედამიწის კირქვიანი ქანების ფენებში გამოქვაბულების წარმოქმნას და მასში საოცარი სტალაქტიდების გაჩენას. კალციუმის იონების არსებობა განაპირობებს წყლის სიხისტეს. კალციუმის სხვა მნიშვნელოვანი ნაერთებია: კალციუმის ნიტრატი, კალციუმის სულფიდი, კალციუმის ქლორიდი, კალციუმის კარბიდი, კალციუმის ციანიდი და კალციუმის ჰიპოქლორიდი.

კალციუმის ნაერთები, რომელშიც იგი ავლენს +1 დაჟანგულობის ხარისხს ახლახანს იქნა შესწავლილი.

ნუკლეოსინთეზი: სტაბილური კალციუმი წარმოიქმნება ექსტრემალურად დიდ და ექსტრემალურად ცხელ ვარსკვლავებზე, რისთვისაც საჭიროა ერთი ატომი არგონი და ერთი ატომი ჰელიუმი.

იზოტოპები

ბუნებრივი კალციუმი ექვსი იზოტოპის ნარევია (⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca, ⁴⁸Ca), რომელთაგან ძირითადია ⁴⁰Ca (96.9%). კალციუმს აგრეთვე გააჩნია კოსმოგენური იზოტოპი, რადიაქტიური ⁴¹Ca, რომლის ნახევარდაშლის პერიოდია 103.000 წელიწადი. კოსმოგენური იზოტოპისაგან განსხვავებით იგი წარმოიქმნება ატმოსფეროში. ⁴¹Ca მიიღება ⁴⁰Ca-ზე ნეიტრონით გააქტიურებისას. როგორც აღვნიშნეთ ბუნებრივი კალციუმი გვხვდება ⁴⁰Ca ფორმით, რომელიც წარმოადგენს ერთ-ერთ შვილობილს ⁴⁰K-ის დაშლის პროდუქტებში ⁴⁰Ar-თან ერთად. იზოტოპი ⁴⁰Ca ბირთვი შეიცავს 20 პროტონს და 20 ნეიტრონს. არის სტაბილური იზოტოპი იმ ელემენტებს შორის, რომლებიც შეიცავენ პროტონების და ნეიტრონების ტოლ რაოდენობას.

ისტორია

კალციუმი (ლათ. Calcis ნიშნავს ”კირს”) ჯერ კიდევ პირველი საუკუნიდანაა ცნობილი, როდესაც ა. რომანმა მიიღო კალციუმი კალციუმის ოქსიდის სახით. ლიტერატურული მონაცემებით, კალციუმის სულფიდს ჯერ კიდევ მე-10 საუკუნეში იყენებდნენ დამტვრეული ძვლების დასალექად. კალციუმი არ იყო სუფთა სახით გამოყოფილი 1808 წლამდე, როდესაც ს. დეივიმ ჩაატარა კირისა და ვერცხლისწყლის ოქსიდების ნარევის ელექტროლოზი. ს.დიევი ცდილობდა გამოეყო კალციუმი, რადგანაც მან იცოდა, რომ შვედმა მეცნიერმა ჯ. ბერცელიუსმა მიიღო კალციუმის ამალგამა ვერცხლისწყალში კირის ელექტროლიზით. დევი მთელი თავისი ცხოვრება მუშაობდა ელექტროლიზზე და მან შეძლო აღმოეჩინა და გამოეყო ნატრიუმი, კალიუმი, მაგნიუმი, ბორი და ბარიუმი. 1855 წელს გერმანელმა ქიმიკოსმა რ. ბუნზენმა კალციუმის ქლორიდის ნალღობის ელექტროლიზით მიიღო კალციუმი სუფთა სახით და ეს მეთოდი 1896 წლიდან დღემდე კალციუმის სამრეწველო მიღების ერთ-ერთ ხერხს წარმოადგენს. დიდი რაოდენობით მეტალური კალციუმის მიღება შესაძლებელი გახდა მე-20 საუკუნის დასაწყისში.

გავრცელება

ბუნებაში კალციუმი არ მოიპოვება ელემენტის სახით. იგი გვხვდება დალექილ ქანებში მინერალ კალციუმის დოლომიტის სახით. კალციუმი აგრეთვე გვხვდება ცეცხლოვან და მეტამორფულ საბადოებში, უმთავრესად სილიკატური საბადოების: პლაგიოკლაზების, ამფიბოლების, პიროქსენის და გარნეტის სახით. დედამიწის ქერქში გავრცელების მიხედვით კალციუმი მე-5 ადგილზეა (O, Si, Al და Fe) მთელი მასის 3.38%. ის ენერგიულად მიგრირებს და გროვდება სხვა და სხვა გეოქიმიურ სისტემებში, ქმნის 385 მინერალს (მე–4 ადგილი მინერალებში). Ca დედამიწის გულში ძალიან მცირეა, ის ჭარბობს დედამიწის ქერქის ქვედა ნაწილში, სადაც გროვდება ძირითად ქანებში; Ca-ის უდიდესი ნაწილი შედის ფელდშპატის - კალციუმის ანორტიტის Ca[Al₂Si₂O₈ ] შემადგენლობაში. ასევე სხვა მინერალებში:

• დიოფსიტი - CaMg[Si₂O₆]
• ვოლასტონიტი - Ca₃[Si₃O₉]
• კალციტი - CaCO₃ (ბუნებ. ფორმები - ცარცი, კირი, მარმარილო)
• დოლომიტი - CaMg(CO₃)₂
• ფოსფორიტი - Ca₅(PO₄)₃(OH,CO₃), სხვა და სხვა მინარევით.
• აპატიტი - Ca₅(PO₄)₃(F,Cl),
• თაბაშირი - CaSO₄.2H₂O (გავრცელებულია მლაშე და მარილოვან ტბებში)
• ფლუორიტი - CaF₂

 ქიმიური თვისებები

კალციუმი ცეცხლის ალში შეტანისას იძლევა მოწითალო შეფერილობას

კალციუმი ტიპიური ტუტემიწ ლითონია. ის აქტიურია თუმცა ყველაზე უფრო ინერტულია ტუტემიწა ლითონებს შორის. კალციუმი ღია გარემოში ადვილად შედის რეაქციაში ჟანგბადთან და ჰაერში მყოფ წყალთან, რის გამოც მისი ზედაპირი სერი ფერისაა, ამიტომაც მას ნავთში ან თხევად პარაფინში ინახავენ. გარე ელექტრონული კონფიგურაციაა - Ca 4s², რის შესაბამისად კალციუმი ნაერთებში ორ ვალენტიანია.

ეგზოთერმული რეაქციები

ჰაერზე ან ჟანგბადში კალციუმის გახურებით აალდება და წარმოიქმნება კალციუმის ოქსიდი CaO:

2Ca+O₂ → 2CaO

კალციუმი მოქმედებს ჰალოგენებთან:

Ca+Br₂ → CaBr₂

იგი აქტიურად მოქმედებს წყალთან და წარმოქმნის კალციუმის ჰიდროქსიდს:

Ca+2H₂O → Ca(OH)₂+H₂+Q

მოქმედებს წყალბადთან და წარმოქმნის კალციუმის ჰიდრიდს:

Ca+H₂ → CaH₂

კალციუმი გახურებისას მოქმედებს ნაკლებად აქტიურ არალითონებთან:

Ca+6B → CaB₆

3Ca+N₂ → Ca₃N₂

Ca+2C → CaC₂

3Ca+2P → Ca₃P₂ (კალციუმის ფოსფიდი), ასევე ცნობილია CaP და CaP₅

2Cа+Si → Ca2Si (კალციუმის სილიციდი) ასევე ცნობილია CaSi, Ca₃Si₄ და CaSi₂

Ca²⁺ იონი უფერულია, კალციუმის მარილები იწვიან მოწითალო–აგურისფერი ალით. კალციუმის არალითონებთან ურთიერთქმედებისას წარმოქმნილი ნაერთების უმეტესობა წყალთან რეაგირებისას იშლებიან:

CaH₂+2H₂O → Ca(OH)₂+2H₂

Ca₃N₂+3H₂O → 3Ca(OH)₂+2NH₃

წყალში ასევე კარგად იხსნებიან: კალციუმის ქლორიდი CaCl₂, კალციუმის ბრომიდი CaBr₂, კალციუმის იოდიდი CaI₂, კალციუმის ნიტრატი Ca(NO₃)₂. წყალში უხსნადია კალციუმის ფთორიდი CaF₂, კალციუმის კარბონატი CaCO₃, კალციუმის სულფატი CaSO₄, კალციუმის ორთოფოსფატი Ca₃(PO₄)₂, კალციუმის ოქსალატი CaC₂O₄ და სხვანი. ასევე მეტად მნიშვნელოვანია ის ფაქტი, რომ კალციუმის ჰიდროკარბონატი Ca(HCO₃)₂ კალციუმის კარბონატისაგან - Ca(CO₃)₂ განსხვავებით წყალში იხსნება. ბუნებაში ამიტომც ხდება შემდეგი პროცესები: როდესაც წვიმის ან მდინარის წყალი, რომელიც გაჯერებულია ნახშირორჟანგით ჩადის მიწაში და ხვდება კირქვოვანებს, მაშინ შეინიშნება მათი გახსნა წყალში:

CaCO₃+CO₂+H₂O → Ca(HCO₃)₂

ხოლო იმ ადგილებში, სადაც წყალი გაჯერებული კალციუმის ჰიდროკაბონატით მიწის ზედაპირზე ამოსვლის შემდეგ, თბება მზის სხივების მიერ და მიდის საპირისპირო რეაქცია, უკურეაქცია:

Са(НСО₃)₂ → СаСО₃ + СО₂↑ + Н₂О.

წყალში გახსნილი კალციუმის ჰიდროკარბონატები განსაზღვრავენ წყლის სიხისტეს.

გამოყენება

ტრავენტინის ტერასები პამუკალეში, თურქეთი

სუფთა კალციუმის ლითონი გამოიყენება- როგორც აღმდგენი ლითონების მიღების დროს, განსაკუთრებით კი – ნიკელის, სპილენძის და უჟანგავი ფოლადის.

სუფთა კალციუმი ფართოდ გამოიყენება მეტალოთერმიაში იშვიათი ლითონების მისაღებად. ასევე გამოიყენება ტყვიის ლეგირების დროს და ბაბიტების წარმოებისას.

ასევე გამოიყენება, როგორც ჟანგბადის, გოგირდის ან ნახშირბადის მოსაცილებლად რკინისა და არა რკინაშემცველი შენადნობებისგან.

კალციუმი გამოიყენება, როგორც ალუმინის, სპილენძის, ბერილიუმის, ტყვიის და მაგნიუმის შემალღობელი აგენტი.

კალციუმის კარბონატი (CaCO₃) გამოიყენება სამშენებლო საქმეში ცემენტის და დუღაბის მისაღებად.

კალციუმს იყენებენ ყველის წარმოებაში რძის კოაგულაციისათვის.

კალციუმის კარბიდი გამოიყენება აცეტილენის მისაღებად და პლასტიკატების წარმოებაში.

კალციუმის არსენატი (Ca₃(AsO₄)₂) გამოიყენება ინსექტიციდებში.

კალციუმის გლუკონატი (Ca(C₆H₁₁O₇)₂) გამოიყენება, როგორც საკვების დანამატი და ვიტამინები.

კალციუმის ჰიპოქლორიდი (Ca(OCl)₂) გამოიყენება საცურაო აუზების დეზინფექციისათვის, აგრეთვე როგორც მათეთრებელი აგენტი, აგრეთვე როგორც დეოდორანტების ინგრედიენტები, აგრეთვე ზღვის წყალმცენარეებსა და ფუნგიციდებში. კალციუმის პერმანგანატი (Ca(MnO₄)₂) გამოიყენება რაკეტების თხევად საწვავებში, ასევე ტექსტილის წარმოებაში და წყლის მასტერილიზებელ აგენტად სტომატოლოგიურ პროცედურებში.

კალციუმის ფოსფატი (Ca₃(PO₄)₂) გამოიყენება, როგორც ცხოველების საკვების დანამატი, როგორც სასუქი, ასევე გამოიყენება ცომისა და საფუარის წარმოებაში, მინის წარმოებაში და ასევე კბილის პასტებში.

კალციუმის სტეარატი (Ca(C₁₈H₃₅O₂)₂) გამოიყენება ცვილის ფანქრებში, ცემენტში, სხვადასხვა ხარისხის პლასტმასებში  და კოსმეტიკაში, როგორც საკვები დანამატი, ასევე წყალგამძლე მასალებისა და საღებრების წარმოებაში.

კალციუმის სულფატი (CaSO₄·2H₂O) გამოიყენება დაფაზე საწერ ცარცად.

კალციუმის ფოსფიდი (Ca₃P₂) გამოიყენება ფეიერვერკებში, როდენტიციდებში (ზოოციდებში), ტორპედოებში და რაკეტებში.

კალციუმის ვოლფრამატი (CaWO₄) გამოიყენება ფოსფორესცირებულ საღებრებში და X-სხივების შესწავლის დროს.

ჰიდროქსილაპატიტი (Ca₅(PO₄)₃(OH), რომელიც ჩვეულებრივ ასე ჩაიწერება Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) შეადგენს ძვლების 70%-ს, ასევე იგი არის ძირითადი მინერალი რისგანაც შედგება კბილის ემალი.

იზოტოპი ⁴⁸Ca -ყველაზე ეფექტური და გამოყენებადი ელემენტია ზემძიმე ლითონების წარმოებისა და პერიოდული სისტემის ახალი ელემენტების აღმოსაჩენად.

კალციუმი და მისი ჰიდრიდი ასევე გამოიყენება ძნელად აღსადგენი ლითონების მისაღებად, ესენია: ქრომი, თორიუმი და ურანი. კალციუმისა და ტყვიის შენადნობი გამოიყენება აკუმულატორებში.

კალციუმის ნაერთები გამოიყენება ოპტიკაში (კალციუმის ფთორიდი) ლინზები, ობიექტივები, ლაზერებში (კალციუმის ვოლფრამატი). გამოიყენება დენის ქიმიურ წყაროებში (კალციუმის ქრომატი) ბატარეებში, ცეცხლგამძლე საგნების დამზადებისას (კალციუმის ოქსიდი) კერამიკაში. დიდი გამოყენება აქვს ასევე სამკურნალო საშუალებებში (კალციუმის ქლორიდი, კალციუმის გლუკონატი, კალციუმის გლიცეროფოსფატი) მოხუცებისა და ფეხმძიმეთათვის.

ბიოლოგიური როლი

კალციუმი მაკროელემენტია, რომელიც გავრცელებულია მცენარეებში, ცხოველებში და ადამიანში. კალციუმის უმეტესი ნაწილი განლაგებულია ჩონჩხში და კბილებში ფოსფატების სახით. კალციუმის იონები ღებულობენ სისხლის შედედებაში მონაწილეობას, ასევე უზრუნველყოფენ მის ოსმოსურ წნევას. ასევე ის როგორც უნივერსალური მეორადი შუამავალი არეგულირებს სხვა და სხვა უჯრედების შიდა პროცესებს - კუნთების შეკუმშვას, ეკზოციტოზი, მათ შორის ჰორმონების და ნეირომედიატორების სეკრეცია და სხვა. კალციუმის კონცენტრაცია ადამიანის უჯრედის ციტოპლაზმაში შეადგენს - 10^-7 მოლი, უჯრედშორის სითხეში - 10^-3 მოლი.

მოთხოვნილება კალციუმზე დამოკიდებულია წლოვანებაზე. ზრდასრულისათვის დღე-ღამეში საჭირო ნორმაა - 800მგ–დან 1000მგ–მდე, ბავშვებისათვის - 600მგ–დან 900 მგ-მდე რაც ძალიან მნიშვნელოვანია ბავშვებისათვის ჩონჩხის ინტენსიური ზრდის გამო. ორგანიზმში კალციუმის უდიდესი ნაწილი რძის პროდუქტებით ხვდება, დანარჩენი კი ხორცზე, თევზზე და ზოგიერთ მცენარეზე (ლობიო, ცერცვი და სხვა) მოდის. კალციუმის მიმოცვლაში დიდი მნიშვნელობა აქვს მაგნიუმს მისი ნაკლებობის შემთხვევაში ხდება კალციუმის ძვლებიდან გამორეცხვა და ილექება თირკმლებში ქვების სახით.

მასალა მომზადებულია www.wikipedia.com -ის მიხედვით