Calci

Calci,  20Ca
Quang phổ vạch của calci
Tính chất chung
Tên, ký hiệu	Calci, Ca
Hình dạng	Ánh kim xám bạc
Calci trong bảng tuần hoàn
Mg ↑ Ca ↓ Sr Kali ← Calci → Scandi
Số nguyên tử (Z)	20
Khối lượng nguyên tử chuẩn (Ar)	40,078(4)[1]
Phân loại	kim loại kiềm thổ
Nhóm, phân lớp	2, s
Chu kỳ	Chu kỳ 4
Cấu hình electron	[Ar] 4s2
mỗi lớp	2, 8, 8, 2
Tính chất vật lý
Màu sắc	Ánh kim xám bạc
Trạng thái vật chất	Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy	1115 K ​(842 °C, ​1548 °F)
Nhiệt độ sôi	1757 K ​(1484 °C, ​2703 °F)
Mật độ	1,55 g·cm−3 (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng	ở nhiệt độ nóng chảy: 1,378 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy	8,54 kJ·mol−1
Nhiệt bay hơi	154,7 kJ·mol−1
Nhiệt dung	25,929 J·mol−1·K−1
Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở T (K) 864 956 1071 1227 1443 1755
Tính chất nguyên tử
Trạng thái oxy hóa	2, 1[2] ​Base mạnh
Độ âm điện	1,00 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa	Thứ nhất: 589.8 kJ·mol−1 Thứ hai: 1145.4 kJ·mol−1 Thứ ba: 4912.4 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trị	thực nghiệm: 197 pm
Bán kính liên kết cộng hóa trị	176±10 pm
Bán kính van der Waals	231 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể	​Lập phương tâm mặt
Vận tốc âm thanh	que mỏng: 3810 m·s−1 (ở 20 °C)
Độ giãn nở nhiệt	22,3 µm·m−1·K−1 (ở 25 °C)
Độ dẫn nhiệt	201 W·m−1·K−1
Điện trở suất	ở 20 °C: 33,6 n Ω·m
Tính chất từ	Nghịch từ
Mô đun Young	20 GPa
Mô đun cắt	7,4 GPa
Mô đun khối	17 GPa
Hệ số Poisson	0,31
Độ cứng theo thang Mohs	1,75
Độ cứng theo thang Brinell	167 MPa
Số đăng ký CAS	7440-70-2
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Calci
Iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP 40Ca 96.941% 40Ca ổn định với 20 neutron[3] 41Ca Vết 1,03×105 năm ε – 41K 42Ca 0.647% 42Ca ổn định với 22 neutron 43Ca 0.135% 43Ca ổn định với 23 neutron 44Ca 2.086% 44Ca ổn định với 24 neutron 45Ca Tổng hợp 162,7 ngày β- 0.258 45Sc 46Ca 0.004% 46Ca ổn định với 46 neutron[4] 47Ca Tổng hợp 4,536 ngày β- 0.694, 1.99 47Sc γ 1.297 - 48Ca 0.187% 6,4×1019 năm β−β− ? 48Ti

Calci (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp calcium /kalsjɔm/),^[5] còn được viết là canxi,^[5] là nguyên tố hoá học ký hiệu Ca, số thứ tự 20 trong bảng tuần hoàn. Là một kim loại kiềm thổ , calci có độ phản ứng cao: nó tạo thành một lớp oxide-nitride tối màu khi tiếp xúc với không khí. Các tính chất vật lý và hóa học của nó gần giống với các chất tương đồng nặng hơn như là stronti và bari. Tên của nó bắt nguồn từ tiếng Latinh calx, nghĩa là vôi, một hợp chất của calci được điều chế bằng cách nung đá vôi.

Mặc dù một số hợp chất calci được biết đến từ thời xa xưa, nhưng đặc tính hóa học của chúng chưa được biết đến cho đến thế kỷ 17. Calci tinh khiết được Humphry Davy cô lập năm 1808 bằng phương pháp điện phân. Các hợp chất của calci được sử dụng phổ biến ở nhiều ngành công nghiệp: trong thực phẩm và dược phẩm với vai trò bổ sung calci, là chất tẩy trắng trong ngành công nghiệp giấy, là thành phần trong xi măng và một số chất cách điện, và là thành phần của quá trình sản xuất xà phòng. Mặt khác, calci kim loại có ít ứng dụng hơn do tính phản ứng cao của nó. Tuy nhiên, với số lượng nhỏ, nó thường được sử dụng làm thành phần hợp kim trong sản xuất thép, và đôi khi hợp kim calci-chì được sử dụng trong việc sản xuất ắc quy.

Calci là nguyên tố thiết yếu cho sinh vật sống, đặc biệt trong sinh lý học tế bào và tồn tại dưới 3 dạng trong máu: 50% dưới dạng ion Ca²⁺, gần 50% kết hợp với protein huyết tương, chủ yếu là albumin và chỉ còn rất ít dưới dạng phức hợp với phosphate, citrate, carbonate. Ở đây có sự di chuyển ion Ca²⁺ vào và ra khỏi tế bào chất có vai trò mang tín hiệu cho nhiều quá trình tế bào. Là một khoáng chất chính trong việc tạo xương, răng và vỏ sò, calcium là kim loại phổ biến nhất về khối lượng có trong nhiều loài động vật.

Đặc tính

Về hóa học, calcium là một kim loại mềm và phản ứng mạnh (mặc dù chỉ cứng hơn chì, nó có thể bị cắt bằng dao một cách khó khăn). Nó là nguyên tố kim loại có màu bạc phải được tách ra bằng phương pháp điện phân từ muối nóng chảy như calci chloride.^[6] Khi được tạo ra, nó nhanh chóng hình thành một lớp áo oxide và nitrite màu trắng xám do tiếp xúc với không khí. Ở dạng khối, kim loại khó đốt cháy, thậm chí còn khó hơn các miếng magnesi; nhưng khi cắt ra, kim loại calci cháy trong không khí cho ngọn lửa cam-đỏ có độ chói cao. Kim loại calci phản ứng với nước tạo khí hydro với tốc độ nhanh đến mức có thể nhận biết được, nhưng không đủ nhanh ở nhiệt độ phòng để tạo ra nhiều nhiệt, do vậy nên nó rất hữu ích trong việc dùng sản xuất hydro.^[7] Tuy nhiên, khi ở dạng bột nó phản ứng với nước cực kỳ nhanh do diện tích bề mặt tiếp xúc tăng do ở dạng bột. Một phần phản ứng với nước bị chậm lại do nó tạo ra sản phẩm không hòa tan là calci hydroxide có tính bảo vệ.

Calci có tỉ trọng 1,55 g/cm³, là kim loại kiềm thổ nhẹ nhất; magie (1,74) và beryli (1,84) nặng hơn mặc dù chúng có số khối nhỏ hơn. Kể từ strontium trở đi, các kim loại kiềm thổ có tỷ trọng tăng theo số khối. Calci có hai đồng hình.^[8]

Calci có điện trở suất lớn hơn đồng và nhôm, tính trên cùng khối lượng, do nó có khối lượng riêng thấp hơn, nó cũng là chất dẫn điện tốt hơn hai loại trên. Tuy nhiên, trong thực tế nó ít khi được sử dụng bởi rất dễ phản ứng với không khí.

Các muối của calci không màu cho dù calci ở dạng nào đi nữa, và ion calci hòa tan (Ca²⁺) cũng không màu. Cùng với các muối của magnesi và các muối của kim loại kiềm thổ khác, các muối calci thường tan khá trong nước ngoại trừ calci hydroxide, calci sulfat, calci cacbonat và calci phosphat. Khi ở trong dung dịch, ion calci cho nhiều vị giác ấn tượng như mặn, chua, trơn.

Đồng vị

Calci có 6 đồng vị ổn định, hai trong chúng có nguồn gốc tự nhiên: đồng vị Ca⁴⁰ và đồng vị phóng xạ Ca⁴¹ với chu kỳ bán rã = 103.000 năm. 97% của nguyên tố này là ở dạng Ca⁴⁰. Ca⁴⁰ là một trong các sản phẩm sinh ra bởi sự phân rã của K⁴⁰, cùng với Ar⁴⁰. Trong khi tỷ lệ K/Ar được sử dụng rộng rãi trong địa chất học thì sự phổ biến của Ca⁴⁰ trong tự nhiên đã cản trở việc sử dụng chỉ số K/Ca này trong địa chất. Không giống như các đồng vị có nguồn gốc vũ trụ được tạo ra trong khí quyển, Ca⁴¹ được sản xuất do việc hấp thụ neutron của Ca⁴⁰. Phần lớn của việc tạo ra đồng vị này là ở những mét cao nhất hay ở những lớp đất đá mà ở đó các bức xạ neutron vũ trụ là đủ mạnh. Ca⁴¹ đã thu được sự chú ý của các nhà khoa học trong nghiên cứu các chòm sao vì Ca⁴¹ phân rã thành K⁴¹, một chỉ số quan trọng của các bất thường trong hệ Mặt Trời.

Lịch sử

Vôi ở dạng vật liệu xây dựng đã được sử dụng từ thời tiền sử cách nay khoảng 7000 đến 14000 TCN.^[9] Lò vôi được định tuổi đầu tiên có niên đại 2500 TCN và được tìm thấy ở Khafajah, Mesopotamia.^[10][11] Calcium (từ tiếng Latin calx, thuộc về calcis, nghĩa là "vôi")^[12] đã được biết từ rất sớm vào thế kỷ I khi người La Mã cổ đại điều chế vôi ở dạng calci oxide. Văn liệu năm 975 ghi nhận rằng calci sulfat là chất hữu ích trong việc hình thành xương. Nó không được tách biệt mãi cho đến năm 1808 ở Anh khi Sir Humphry Davy điện phân một hỗn hợp gồm vôi và thủy ngân(II) oxide trên một tấm platin đóng vai trò là anode, còn cathode thì là một sợi dây platin chìm một phần trong thủy ngân. Quá trình điện phân tạo ra hỗn hống calci-thủy ngân và magnesi-thủy ngân; calci có thể được tách ra khỏi hỗn hống bằng cách chưng cất.^[13][14]Mặc dù vậy, calci tinh khiết không thể được điều chế với số lượng lớn bằng phương pháp này, và một quy trình sản xuất thương mại chỉ được khám phá sau hơn một thế kỷ.^[15]

Sự phổ biến và sản xuất

Calci là nguyên tố phổ biến thứ năm trên vỏ Trái đất, và là kim loại phổ biến thứ ba đằng sau nhôm và sắt.^[16] Nó cũng là nguyên tố phổ biến thứ tư ở những vùng cao nguyên mặt trăng.^[17]Đá trầm tích chứa calci carbonat chiếm phần lớn bề mặt Trái đất dưới dạng tàn tích hóa thạch của sinh vật biển trong quá khứ; chúng xuất hiện dưới hai dạng: calcit hình mặt thoi (phổ biến hơn) và aragonit hình trực thoi (hình thành ở các vùng biển ôn đới hơn). Khoáng sản thuộc loại thứ nhất bao gồm đá vôi, dolomit, đá cẩm thạch, đá phấn và đá băng; các tầng aragonit tạo nên lưu vực của quần đảo Bahamas, Florida Keys và Biển Đỏ. San hô, vỏ sò, và ngọc trai chủ yếu được tạo thành từ calci carbonat. Trong số các khoáng chất quan trọng khác của calci là thạch cao (CaSO₄·2H₂O), anhydrit (CaSO₄), fluorit (CaF₂) và apatit ([Ca₅(PO₄)₃X], X = OH, Cl, hoặc F). ^[14]

Các quốc gia sản xuất calci chính là Trung Quốc (khoảng 10000 đến 12000 tấn mỗi năm), Nga (khoảng 6000 đến 8000 tấn mỗi năm) và Hoa Kỳ (khoảng 2000 đến 4000 tấn mỗi năm). Canada và Pháp cũng là một trong số các nước sản xuất calci. Năm 2005, khoảng 24.000 tấn calci đã được sản xuất; khoảng một nửa lượng calci được chiết xuất trên thế giới được Hoa Kỳ sử dụng, với khoảng 80% sản lượng đầu ra được sử dụng hàng năm.^[18]

Tại Nga và Trung Quốc, phương pháp điện phân của Davy vẫn được sử dụng nhưng được dùng cho calci chloride nóng chảy.^[18] Vì calci ít phản ứng hơn stronti hoặc bari nên lớp phủ oxide-nitride tạo ra từ việc tiếp xúc với không khí ổn định; từ đó việc gia công bằng máy tiện cũng như các kỹ thuật luyện kim tiêu chuẩn khác đều có thể dùng với calci.^[19] Tại Hoa Kỳ và Canada, calci được sản xuất bằng cách khử vôi bằng nhôm ở nhiệt độ cao.^[18]

Ứng dụng

Calci là một thành phần quan trọng của khẩu phần dinh dưỡng. Sự thiếu hụt rất nhỏ của nó đã ảnh hưởng tới sự hình thành và phát triển của xương và răng. Thừa calci có thể dẫn đến sỏi thận (vì khi nồng độ cao dễ bị kết tinh gây ngưng trệ quá trình bài tiết). Vitamin D là cần thiết để hấp thụ calci.

Các ứng dụng khác còn có:

• Chất khử trong việc điều chế các kim loại khác như urani, zirconi hay thori.
• Chất chống oxy hóa, chống sulfide hóa hay chống carbide hóa cho các loại hợp kim chứa hay không chứa sắt.
• Một chất tạo thành trong các hợp kim của nhôm, beryli, đồng, chì hay magiê.
• Nó được sử dụng trong sản xuất xi măng hay vữa xây sử dụng rộng rãi trong xây dựng.
• Đồng vị calci-48 được sử dụng để tổng hợp một số nguyên tố siêu urani như nobeli hay oganesson.

Calci trong thực phẩm

Một số thức ăn giàu calci bao gồm sữa và các sản phẩm từ sữa như phô mai và sữa chua, rau có màu xanh thẫm, sản phẩm từ đậu như đậu hũ, cá có thể ăn được cả xương và ngũ cốc ăn liền tăng cường calci.^[20][21]

Do những lo ngại về tác dụng phụ khi tiêu thụ quá nhiều calci, nên các tổ chức chính phủ như Cơ quan An toàn thực phẩm Châu Âu (EFSA)^[22] và phi chính phủ như Viện Y học Hoa Kỳ (IOM)^[23] đã đặt giới hạn tiêu thụ tối đa (UL). Theo khuyến nghị của Bộ Y tế và Viện Dinh dưỡng Việt Nam, lượng calci tiêu thụ mỗi ngày cho những người ở độ tuổi 0-5 tháng không nên vượt quá 1000mg/ngày: đối với những người ở độ tuổi 6-11 tháng thì không vượt quá 1500mg/ngày; đối với những người ở độ tuổi 1-7 tuổi thì không vượt quá 2500mg/ngày; đối với những người ở độ tuổi 8-19 tuổi thì không vượt quá 3000mg/ngày; đối với những người từ 20-49 tuổi thì không vượt quá 2500mg/ngày; đối với lứa tuổi từ 50 trở lên thì không vượt quá 2000mg/ngày.^[24] Cơ quan An toàn thực phẩm Châu Âu (EFSA) đề xuất giới hạn tiêu thụ tối đa cho tất cả người lớn là 2500mg/ngày, nhưng không đặt giới hạn tiêu thụ tối đa cho trẻ em và trẻ vị thành niên do không có đủ thông tin về tác dụng phụ của calci đối với nhóm tuổi này. ^[22]

Vai trò sinh học

1. ^ “Trọng lượng nguyên tử tiêu chuẩn: Calci”.CIAAW.1983
2. ^ Krieck, Sven; Görls, Helmar; Westerhausen, Matthias (2010). “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. 132 (35): 100818110534020. doi:10.1021/ja105534w. PMID 20718434.
3. ^ Được cho là trải qua quá trình bắt giữ electron kép thành ⁴⁰Ar với chu kỳ bán rã không nhỏ hơn 5,9×10²¹ năm
4. ^ Được cho là trải qua phân rã β⁻β⁻ thành ⁴⁶Ti với chu kỳ bán rã không nhỏ hơn 2,8×10¹⁵ năm
5. ^ ^{a b} Đặng Thái Minh, "Dictionnaire vietnamien - français. Les mots vietnamiens d'origine française", Synergies Pays riverains du Mékong, n° spécial, năm 2011. ISSN: 2107-6758. Trang 79.
6. ^ Pauling, Linus (1970). General Chemistry. Dover Publications. tr. 627. ISBN 0-7167-0149-9.
7. ^ Theodore Gray. The Elements. Page 55
8. ^ Bale, C. W.; Pelton, A. D. (tháng 4 năm 1987). “The Ca−Li (Calcium-Lithium) system”. Journal of Phase Equilibria (bằng tiếng Anh). 8 (2): 125–127. doi:10.1007/BF02873196. ISSN 1054-9714.
9. ^ Miller, M. Michael. “Commodity report:Lime” (PDF). United States Geological Survey. Truy cập ngày 6 tháng 3 năm 2012.
10. ^ Williams, Richard (2004). Lime Kilns and Lime Burning. tr. 4. ISBN 978-0-7478-0596-0.^{[liên kết hỏng]}
11. ^ Oates, J. A. H (ngày 1 tháng 7 năm 2008). Lime and Limestone: Chemistry and Technology, Production and Uses. ISBN 978-3-527-61201-7.
12. ^ calx. Charlton T. Lewis and Charles Short. A Latin Dictionary trên Dự án Perseus.
13. ^ Davy H (1808). “Electro-chemical researches on the decomposition of the earths; with observations on the metals obtained from the alkaline earths, and on the amalgam procured from ammonia”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 98: 333–370. Bibcode:1808RSPT...98..333D. doi:10.1098/rstl.1808.0023.
14. ^ ^{a b} Greenwood & Earnshaw 1997, tr. 108.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFGreenwoodEarnshaw1997 (trợ giúp)
15. ^ Weeks, Mary Elvira; Leichester, Henry M. (1968). Discovery of the Elements. Easton, PA: Journal of Chemical Education. tr. 505–10. ISBN 978-0-7661-3872-8. LCCN 68-15217.
16. ^ Greenwood & Earnshaw 1997, tr. 109.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFGreenwoodEarnshaw1997 (trợ giúp)
17. ^ Hluchan & Pomerantz 2005, tr. 483.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFHluchanPomerantz2005 (trợ giúp)
18. ^ ^{a b c} Hluchan & Pomerantz 2005, tr. 484.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFHluchanPomerantz2005 (trợ giúp)
19. ^ Greenwood & Earnshaw 1997, tr. 110.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFGreenwoodEarnshaw1997 (trợ giúp)
20. ^ Lê Danh Tuyên & Lê Bạch Mai 2016, tr. 57.
21. ^ Dietary Reference Intakes for Calcium and Vitamin D. Washington, D.C.: National Academies Press. 30 tháng 3 năm 2011. tr. 36. doi:10.17226/13050. ISBN 978-0-309-16394-1.
22. ^ ^{a b} Tolerable upper intake levels for vitamins and minerals (PDF). Parma: European Food Safety Authority. 2006. tr. 227–28. ISBN 978-92-9199-014-6.
23. ^ Institute of Medicine (US) Committee to Review Dietary Reference Intakes for Vitamin D Calcium; Ross, A. C.; Taylor, C. L.; Yaktine, A. L.; Del Valle, H. B. (2011). “ch 6. Tolerable Upper Intake Levels”. Dietary Reference Intakes for Calcium and Vitamin D. Washington, D.C: National Academies Press. tr. 403–56. doi:10.17226/13050. ISBN 978-0-309-16394-1. PMID 21796828. S2CID 58721779.
24. ^ ^{a b} Lê Danh Tuyên & Lê Bạch Mai 2016, tr. 58.
25. ^ Balk EM, Adam GP, Langberg VN, Earley A, Clark P, Ebeling PR, Mithal A, Rizzoli R, Zerbini CA, Pierroz DD, Dawson-Hughes B (tháng 12 năm 2017). “Global dietary calcium intake among adults: a systematic review”. Osteoporosis International. 28 (12): 3315–24. doi:10.1007/s00198-017-4230-x. PMC 5684325. PMID 29026938.
26. ^ Brini, Marisa; Ottolini, Denis; Calì, Tito; Carafoli, Ernesto (2013). “Chapter 4. Calcium in Health and Disease”. Trong Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (biên tập). Interrelations between Essential Metal Ions and Human Diseases. Metal Ions in Life Sciences. 13. Springer. tr. 81–137. doi:10.1007/978-94-007-7500-8_4.
27. ^ Brini, Marisa; Call, Tito; Ottolini, Denis; Carafoli, Ernesto (2013). “Chapter 5 Intracellular Calcium Homeostasis and Signaling”. Trong Banci, Lucia (biên tập). Metallomics and the Cell. Metal Ions in Life Sciences. 12. Springer. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_5. ISBN 978-94-007-5560-4. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402
28. ^ ^{a b} Hluchan & Pomerantz 2005, tr. 487-89.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFHluchanPomerantz2005 (trợ giúp)
29. ^ Rumack BH. POISINDEX. Information System Micromedex, Inc., Englewood, CO, 2010; CCIS Volume 143. Hall AH and Rumack BH (Eds)