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鈣   20Ca
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鉝(未知特性)
Uus(未知特性)
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外觀
暗沉的灰色,銀色


鈣的原子光譜
概況
名稱·符號·序數 鈣({{{enname}}})·Ca·20
元素類別 鹼土金屬
·週期· 2·4·s
標準原子質量 40.078(4)
電子排布 [] 4s2
2, 8, 8, 2
歷史
發現 漢弗里·戴維(1808年)
分離 漢弗里·戴維(1808年)
物理性質
物態 固態
密度 (接近室溫
1.55 g·cm−3
熔點時液體密度 1.378 g·cm−3
熔點 1115 K,842 °C,1548 °F
沸點 1757 K,1484 °C,2703 °F
熔化熱 8.54 kJ·mol−1
汽化熱 154.7 kJ·mol−1
比熱容 25.929 J·mol−1·K−1

蒸汽壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 864 956 1071 1227 1443 1755
原子性質
氧化態 +2, +1[1]
(強性)
電負性 1.00(鮑林標度)
電離能

第一:589.8 kJ·mol−1
第二:1145.4 kJ·mol−1
第三:4912.4 kJ·mol−1

更多
原子半徑 197 pm
共價半徑 176±10 pm
范德華半徑 231 pm
雜項
晶體結構

面心立方

鈣具有面心立方晶體結構
磁序 抗磁性
電阻率 (20 °C)33.6 n Ω·m
熱導率 201 W·m−1·K−1
膨脹係數 (25 °C)22.3 µm·m−1·K−1
聲速(細棒) (20 °C)3810 m·s−1
楊氏模量 20 GPa
剪切模量 7.4 GPa
體積模量 17 GPa
泊松比 0.31
莫氏硬度 1.75
布氏硬度 167 MPa
CAS號 7440-70-2
最穩定同位素

主條目:鈣的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
40Ca 96.941% >5.9×1021 β+β+ 0.194 40Ar
41Ca 微量 1.03×105 ε - 41K
42Ca 0.647% 穩定,帶22個中子
43Ca 0.135% 穩定,帶23個中子
44Ca 2.086% 穩定,帶24個中子
45Ca 人造 162.7 天 β衰變 0.258 45Sc
46Ca 0.004% >2.8×1015 ββ 0.988 46Ti
47Ca 人造 4.536 天 β衰變 0.694, 1.99 47Sc
γ 1.297 -
48Ca 0.187% 4.3×1019 ββ 4.274 48Ti
β衰變
(未觀察到)
0.0058 48Sc

Calcium)是一種化學元素,它的化學符號Ca,它的原子序數是20,是一種銀白色的鹼土金屬,具有中等程度的軟性。雖然在地殼的含量也很高,為地殼中第五豐富的元素,佔地殼總質量3%[2],因為它的化學活性頗為活潑,可以和水或酸反應放出氫氣,或是在空氣中便可氧化(形成緻密氧化層(氧化鈣)),因此在自然界多以離子狀態或化合物形式存在,而沒有單質存在。在工業上的主要礦物來源如石灰岩石膏等,在建築(水泥原料)、肥料、制鹼、和醫療上用途佷廣。

自然界有6種天然同位素存在,不過其中只有3種是穩定的,另有11種放射性同位素。

發現[編輯]

1808年,英國的戴維、瑞典的貝采利烏斯、法國的蓬丁,使用汞陰極電解石灰石製得在電解質,在陰極的汞齊中提出金屬鈣。

從此鈣被確定為元素,並被命名為Calcium,元素符號是Ca。Calcium來自拉丁文中表示生石灰的詞calx。

製備[編輯]

電解法及還原法兩種方式。

其中電解法是拉特瑙(W.Rathenau)於1904年首先應用的,所用的電解質CaCl2CaF2的混合物。電解槽陽極石墨等作內襯,陰極用鋼製成。電解析出的鈣漂浮在電解質表面,同鋼製陰極接觸而冷凝在陰極上。

還原法是生產金屬鈣的主要方法。通常用石灰石為原料,經燒成氧化鈣,以粉作還原劑。粉碎的氧化鈣與鋁粉按一定比例混合均勻,壓製成塊。

用途[編輯]

鈣可用作合金的脫氧劑,以及油類的脫水劑等。

自然界的鈣[編輯]

通常水中含鈣鎂離子即稱之為硬水。而硬度是由水溶液中的礦物質含量多寡而決定,而且會特別指CaCO3、MgCO3含量。常用ppm (CaCO3)或mgCaCO3/L H2O表示。

對人體的影響[編輯]

鈣是人體必需的礦物質營養素,所有的細胞都需要鈣。鈣離子Ca2+在生物體中是許多生化過程及生理過程的觸發器,如觸發肌肉收縮、釋放激素、傳遞脈衝、促進血液凝結、調節心律和分泌乳汁等等。Ca2+尤為各種高級生物體所必需。 現代醫學研究表明,鈣營養與體內免疫、神經、內分泌、消化、循環、運動、生殖等十多個系統的功能密切相關,鈣離子參與生命進化及生命運動的全過程。基礎醫學臨床醫學的研究已證實鈣離子對生命的影響巨大,也就是說人類健康離不開鈣[3]

人體的含量與分布[編輯]

人體的鈣含量約1~1.25kg,占體重1.5~2%,鈣原子數目僅次於C、H、O、N等四種非金屬元素。每千克非脂肪組織中平均約含鈣20~25g。體內鈣99%以上都分佈在骨骼和牙齒中,其餘不足1%的鈣分佈在體液及全身各組織器官中,是多種生理活動的參與者。這1%在人體的組織及血液中鈣的濃度必需保持恆定,不能太高也不能太低,否則會威脅生命安全。

骨骼鈣[編輯]

鈣是骨骼、牙齒和細胞壁形成時的必需結構成分。骨鈣的組成主要是羥磷灰石結晶,占骨骼重量40%以上,其次是碳酸鹽、檸檬酸鹽以及少量氯化物和氟化物的形式。骨鈣對維持血鈣的濃度極為重要,被稱作人體鈣元素的「儲存庫」。當血鈣濃度降低時,可迅速動員骨鈣補充,此過程即為骨質分解;反之鈣則在骨骼「暫存」。

牙齒鈣[編輯]

牙齒的化學組成大部分與骨一致,牙齒的表層為牙釉質(又稱琺瑯質),除了5%水外,全部由嵌入有機基質中的無機物(羥磷灰石氟磷酸石)組成。其中羥磷灰石所佔比例超過98%,結構非常嚴密,成為人體中最硬的部分,對牙齒咀嚼、磨碎食物具有重要意義。牙本質中羥磷灰石佔70%左右,牙骨質中約佔40%,它們的結構與骨類似。牙齒一旦形成和鈣化後,新陳代謝就降到最低程度。維生素ACD的攝取,對牙的正常發育及鈣化是必不可少的。缺少維生素A會導致牙的不完全鈣化,使其硬度小;缺少維生素C影響牙中有機基質的形成;維生素D不但能幫助鈣的吸收而且明顯地促使鈣、磷在牙中的沉積。

血鈣[編輯]

血漿中的鈣有48%為離子形式,46%與蛋白質結合,3%為複合物形式(Complex),還有3%未被確認。血漿中鈣濃度大約為10~11 mg/100 mL,無年齡、性別差異。鈣離子對神經組織有特殊且重要的影響,如果血鈣離子濃度下降,神經組織會過度興奮,導致手足抽搐;另一方面,高血鈣抑制神經興奮。血鈣的濃度相當穩定,由副甲狀腺素(PTH)精密控制,使骨鈣和血鈣處於平衡之中。血鈣濃度低,則由骨鈣補充;反之,血鈣濃度高,則將鈣沉積於骨中儲存,或經腎臟於尿中排出體外。

消化與吸收[編輯]

維他命D在小腸對鈣的吸收中扮演重要的角色,它可增加小腸細胞膜上和細胞質的鈣結合蛋白質的總量。維他命D缺乏者會因為鈣吸收不足而易患有軟骨病rickets)。

攝取量[編輯]

世界各地區的鈣攝取量有很大的差異,歐美等發達國家平均毎人每日攝取850毫克,而非洲、拉丁美洲及大部分發展中國家只有344毫克,相差一倍以上。因此鈣攝取不足在發展中國家是個嚴重的健康議題[4]

鈣的建議攝取量
年齡別 台灣(mg每天)[5] 美國(mg/day) [6]
0~6個月 400 400
6個月~6歲 500 600-800
7~9歲 600 800-1200
10~12歲 700 1200-1500
13~19歲 男800/女700 1200-1500
20歲以上 600 24歲:1200-1500
25~64歲:1000
65歲以上1500
懷孕及哺乳 1100 1200-1500
成年婦女停經後 服用雌性素:1000
未用雌性素:1500

食物來源[編輯]

自然的食品以牛奶和優酪乳所含的鈣最多,其他食物如乾豆類、魚、豆腐、深色的蔬菜如花椰菜、甘藍類蔬菜和芥蘭菜等都含有豐富的鈣。此外還有很多添加鈣強化的食物,例如:橙汁、蔓越莓汁、早餐穀類食品等。也有人服用鈣補充劑以補不足。然而攝取過量的鈣可以保持人體中的血鈣溶度,30歲以前維持骨本,30歲以後維持血鈣溶度 。最新的膳食標準指出鈣的上限攝取量是每天2500 mg;一般人每天只須從自然食物和補充劑中攝取1500 mg的鈣,便已經足夠。 [7] [8][9][10]

鈣補充劑[編輯]

鈣補充劑(Dietary calcium supplement)的主要成分為鈣化合物,如碳酸鈣檸檬酸鈣乳酸鈣[11],其中吸收率最高的為檸檬酸鈣約35%,碳酸鈣為27%,乳鈣質為29%,磷酸鈣為25%。碳酸鈣取材於牡蠣殼或珍珠貝等,葡萄糖酸鈣的溶解度較大。選購鈣補充劑應注意鈣離子的含量與鈣的來源。

與其他營養素之關係[編輯]

維生素D有利於鈣質的吸收與利用。磷與鈣會相互拮抗競爭,影響彼此的吸收。飲食的鈣磷比例對嬰兒非常重要,比例失調會導致抽筋,對兒童及成人則較無影響。理論上鈣磷攝取是以1:1的比例最佳,但實際上有困難,因為鈣只存在於少部份的食物,磷卻幾乎存在所有的食物。如果鈣質攝取量偏低,又攝取大量的磷時(鈣:磷<1:3),血鈣會下降,骨礦物質會分解釋出鈣,最終造成骨質流失;這種情形在老年人及停經婦女最為明顯。當鈣攝取不足時,食物中的蛋白質有利於鈣質的吸收;不過鈣攝取充足時,蛋白質就沒有促進吸收的效果。過量的蛋白質與脂肪則會促進鈣質的排泄,造成鈣質的流失。鈣質攝取過量會影響鐵、鋅等微量礦物的吸收。

鈣與疾病預防[編輯]

攝取足夠鈣質可以「預防」骨質疏鬆症直腸癌、降低男性前列腺癌的風險、維持血壓平衡。每天至少補充約800毫克的鈣質是最有效預防直腸癌的鈣攝取量,更年期婦女補充足夠的鈣質可以提高高密度脂蛋白(HDL)的濃度,這代表降低心血管疾病的風險與致命性。食用含鈣多的食物,會使燃脂效果更佳,達到減肥效果。

攝取過量的鈣也會引起骨質疏鬆

骨骼中的軟組織(Soft tissue)含有鎂與蛋白質等,藉此賦予骨骼活動性以及抗脆性。實驗結果顯示補充鎂可改善停經婦女的骨質疏鬆的問題,可增加其骨質密度(Bone mineral density),並且降低骨折機率。補充鎂也會使副甲狀腺素(Parathyroid hormone,PTH)的濃度下降,推論鎂可以抑制骨質轉換,降低骨質流失而維持骨質健康。 但鎂與鈣互相拮抗,攝取過量的鈣會大幅降低鎂的吸收,故鈣只能預防。

鈣信號[編輯]

植物細胞能夠探知病原體,從而激發一個讓植物對感染產生抵抗力的防衛系統。植物防衛通道中一個最早的步驟涉及胞質溶解鈣水平的增加。然而,Ca2+信號導致有效植物免疫響應的機制尚不清楚。

參考[編輯]

  1. ^ Krieck, Sven; Görls, Helmar; Westerhausen, Matthias. Mechanistic Elucidation of the Formation of the Inverse Ca(I) Sandwich Complex [(thf)3Ca(μ-C6H3-1,3,5-Ph3)Ca(thf)3] and Stability of Aryl-Substituted Phenylcalcium Complexes. Journal of the American Chemical Society. 2010, 132 (35): 100818110534020. doi:10.1021/ja105534w. PMID 20718434. 
  2. ^ 柯清水 編著. 【新世紀化工化學辭典】 The new century dictionary of chemical engineering and chemistry. 第一版. 正文書局. 2000[民89]: p.355. ISBN 957-40-0253-5. 
  3. ^ Gropper SS, Groff JL, et al. (2005)Advanced Nutrition and Human Metabolism, 4th ed., pp. 380-392. Wardswirth, ISBN 0-534-55986-7
  4. ^ WHO/FAO (2004) Vitamin and mineral requirements in human nutrition, 2nd ed, pp.59-93. WHO:Geneva.
  5. ^ 行政院衛生署(2003)國人膳食營養素參考攝取量及其說明,修訂第六版,pp. 257-298。台灣行政院衛生署,ISBN 957-01-4677-X
  6. ^ Institute of Medicine (1997) Dietary Reference Intakes for Calcium, Phosphorus, Magnesium, Vitamin D, and Fluoride. pp. 71-145. National Academy Press, ISBN 0-309-06403-1
  7. ^ http://www.jtf.org.tw/educate/fitness/swimg/011_060.gif
  8. ^ http://www.jtf.org.tw/educate/fitness/swimg/011_061.gif
  9. ^ http://www.jtf.org.tw/educate/fitness/swimg/011_062.gif
  10. ^ http://www.cfsan.fda.gov/~dms/ca-5.html
  11. ^ 我們要不要補鈣