Calcium
Calcium is een scheikundig element met symbool Ca en atoomnummer 20. Het is een zilverwit aardalkalimetaal.
Ontdekking
bewerkenCalciumoxide (CaO) werd al door de Romeinen gebruikt, maar pas in 1808 werd het als element ontdekt en door middel van elektrolyse geïsoleerd door Humphry Davy. Davy gebruikte een kathode van (vloeibaar) kwik, waarmee hij calciumamalgaam verkreeg - metallisch calcium is zeer goed oplosbaar in kwik. Het afdistilleren van het kwik leverde metallisch calcium, hoewel van onzuivere kwaliteit.
De Franse wetenschapper Henri Moissan slaagde eind negentiende eeuw erin om chemisch zuiver calcium te bereiden door calciumjodide met natrium te reduceren. De naam is afkomstig van het Latijnse Calx, dat "kalksteen" betekent.
Toepassingen
bewerkenCalciumverbindingen vormen de basis van botten en tanden, daarom is het voor veel organismen belangrijk om er voldoende van binnen te krijgen. Te veel calcium binnen krijgen kan bij jonge dieren leiden tot wobbler.
Toepassingen van calcium in de industrie zijn:
- Reductor bij extractie van andere metalen zoals uranium, zirkonium en thorium
- In de vorm van calciumoxide is het de grondstof van veel bouwmaterialen zoals cement
- Deoxidator voor allerlei legeringen
Daarnaast wordt calcium als metaal ook wel in legeringen gebruikt, vooral in combinatie met aluminium, beryllium, koper, lood en magnesium
Calcium in biologie en geneeskunde
bewerkenCalcium speelt in het lichaam een rol bij de botopbouw of mineralisatie, de bloedstolling, bij het realiseren van het plasma-membraanpotentiaal, bij de spiercontractie, de hormoonafgifte, het glycogeenmetabolisme en bij de celdeling. Calcium bevindt zich in het skelet (99%), in de weefsels, en in de extracellulaire vloeistoffen, waaronder het bloed. Een calciumtekort kan leiden tot botontkalking - osteoporose, en bij kinderen tot verschijnselen van rachitis of Engelse ziekte, en spierkrampen.
In het klinisch-chemisch laboratorium wordt het calciumgehalte van met name het bloed gemeten; het niveau daarvan kan een disbalans van calcium over de verschillende lichaamscompartimenten aantonen. In het bloed is calcium gebonden aan bloedeiwitten (40%), aan negatief geladen ionen (10%), of vrij aanwezig als geïoniseerd calcium. Dat laatste is de fysiologisch actieve component. Het calciumniveau in het bloed staat onder regulatie van vitamine D en het Parat-hormoon (PTH). Een ongecontroleerde afgifte aan het bloed van PTH, PTH-achtige hormonen, vitamine D of specifieke cytokinen kan een verhoogd calciumniveau in het bloed veroorzaken (> 2,55 mmol/L). Een verlaagd niveau van calcium (< 2,1 mmol/L) komt bijvoorbeeld voor bij behandeling met bepaalde medicijnen, chronische nierziekte, alkalose, malabsorptie, verlaagd PTH-afgifte of bij een vitamine D-tekort.
Calciumionen (Ca2+) spelen een zeer belangrijke rol in de biochemische en fysiologische processen van organismen, en dan voornamelijk in hun cellen. Zo heeft calcium een rol in het proces van de signaaltransductie, het doorgeven van signalen binnen een cel, waar het fungeert als tweede boodschapper. Calcium is nodig bij de samentrekking van spiercellen en ook bij de bevruchting is calcium belangrijk. Verder vereisen veel enzymen calciumionen als co-enzym, bijvoorbeeld bij de bloedstolling. Extracellulair calcium is ook belangrijk voor het behoud van een potentiaalverschil tussen de celmembranen. Ten slotte is calcium ook zeer belangrijk voor de vorming van beenderen.
Het is het meest voorkomende metaal in het menselijk lichaam en na de vier organische elementen koolstof, zuurstof, waterstof en stikstof het meest voorkomende element. De totale hoeveelheid in een volwassen persoon bedraagt ongeveer 1 kg.[1]
Calcium in voeding
bewerkenEen gevarieerde voeding zorgt voor voldoende opname van calcium door het lichaam, zoals melk en melkproducten, groente, noten en peulvruchten. Calciumsupplementen bestaan in de vorm van calciumcitraat[2] of calciumcarbonaat, in de vorm van bruis- en kauwtabletten. Bij bepaalde behandelingen, zoals met bisfosfonaten of corticosteroïden moet systematisch calcium en vitamine D worden toegevoegd.
Calciumregulatie
bewerkenHet gehalte aan calcium in zoogdieren wordt gereguleerd, onder meer dankzij de beenderen die fungeren als opslaglocatie. Calciumionen worden van daaruit in de bloedbaan vrijgelaten onder gecontroleerde omstandigheden. In de bloedbaan wordt het calcium getransporteerd als opgeloste ionen of gebonden aan eiwitten zoals albumine. Parathormoon, uitgescheiden door de bijschildklier, reguleert de resorptie van Ca2+ uit been, de reabsorptie in de nieren en de activatie van vitamine D (in zijn hormonaal actieve vorm genaamd calcitriol). Calcitriol zorgt op zijn beurt voor de absorptie van calcium uit de darmen en de mobilisatie van calciumionen uit been. Calcitonine is een hormoon dat geproduceerd wordt door de medullaire schildkliercellen en dat het serumcalcium verlaagt. Ook de celorganellen zijn belangrijke opslagplaatsen van calcium. Zij accumuleren voortdurend Ca2+-ionen en laten deze los tijdens bepaalde cellulaire acties. Voorbeelden van zulke organellen zijn de mitochondriën en het endoplasmatisch reticulum.
Klinisch belang van calcium
bewerkenEen te hoog serumcalciumgehalte heet hypercalciëmie. Klachten zijn nierstenen, dorst en veel drinken, veel plassen en verwardheid tot psychose aan toe. Hypercalciëmie is een symptoom van te snel werkende bijschildkliertjes. Dit zijn vier orgaantjes, een paar millimeter groot; een klein goedaardig gezwel een van deze kan hypercalciëmie en botontkalking veroorzaken. Hypercalciëmie kan ook veroorzaakt worden door botmetastasen, als de botten aangedaan zijn door uitgezaaide kanker. Een te laag serumcalcium heet hypocalciëmie en kan krampen in de vingers veroorzaken en wordt bijvoorbeeld gezien bij hyperventilatie, waarbij door de snelle ademhaling het koolzuurgehalte van het bloed daalt en daardoor de pH stijgt. Ook wordt dit gezien als bij een schildklieroperatie per ongeluk de vier bijschildklieren zijn verwijderd. Calcium speelt een rol bij het omzetten van een elektrische prikkel in een chemische; met andere woorden het is nodig om de zenuwcel en de spiercel te laten reageren op een actiepotentiaal. Calciumantagonisten of calcium-instroombeperkende middelen kunnen gebruikt worden om de hartslag te vertragen, de bloeddruk te verlagen, de zuurstofbehoefte van het hart te verminderen. Sommige worden voorgeschreven bij duizeligheid of migraine. Voorbeelden zijn nifedipine en verapamil.
Opmerkelijke eigenschappen
bewerkenCalcium is het op vijf na meest voorkomende element in de aardkorst en van essentieel belang voor het leven op aarde. Het reageert met water onder vorming van calciumhydroxide. Dit is een exotherme reactie.
Voorkomen
bewerkenCalcium is een lithofiel element, dat in de Aarde vooral in de korst voorkomt, die ongeveer voor 4,15 gewichtsprocent uit calcium bestaat. Door de reactieve eigenschappen komt het niet in ongebonden toestand voor. Bekende mineralen waarin calcium voorkomt zijn calciet (calciumcarbonaat), gips (calciumsulfaat) en fluoriet (calciumfluoride). Meestal wordt calcium geïsoleerd met behulp van elektrolyse van calciumchloride en calciumfluoride.
Opgelost calcium in de oceanen wordt door diverse organismen gebruikt om hun skelet uit op te bouwen in de vorm van de mineralen calciet en aragoniet. Als deze organismen sterven bezinken hun skeletjes naar de bodem om daar sediment te vormen. Door hoge hydrostatische druk is in de bathyale zone (op meer dan 4,5 km diepte) de oplosbaarheid van calciumcarbonaat groter, waardoor het oplost. Calciumrijke sedimenten worden daarom alleen in ondiepere zeeën, zoals op het continentaal plat, gevormd. Als kalksediment lithificeert wordt het kalksteen.
Dieper in de korst kan calcium in diverse metamorfe mineralen voorkomen. Voorbeelden zijn dolomiet, calciet, hornblende, grossulaar (Ca-granaat), plagioklaas en orthopyroxeen. Door metasomatisme en retrograde metamorfose kunnen deze mineralen in bijvoorbeeld talk, epidoot of tremoliet worden omgezet.
Isotopen
bewerken
Zie Isotopen van calcium voor het hoofdartikel over dit onderwerp.| Stabielste isotopen | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Iso | RA (%) | Halveringstijd | VV | VE (MeV) | VP |
| 40Ca | 96,941 | stabiel met 20 neutronen | |||
| 41Ca | syn | 1,03×105 j | β+ | 11,140 | 41K |
| 42Ca | 0,647 | stabiel met 22 neutronen | |||
| 43Ca | 0,135 | stabiel met 23 neutronen | |||
| 44Ca | 2,086 | stabiel met 24 neutronen | |||
| 45Ca | syn | 162,61 d | β− | 4,204 | 45Sc |
| 46Ca | 0,004 | stabiel met 26 neutronen | |||
| 47Ca | syn | 4,536 d | β− | 1,992 | 47Sc |
| 48Ca | 0,187 | 6×1018 j | 2β− | 4,272 | 48Ti |
Van calcium zijn meerdere stabiele isotopen bekend, waarvan 40Ca en 44Ca in aanzienlijke hoeveelheden in de natuur voorkomen.
Bepaalde micro-organismen (radiolaria) fractioneren afhankelijk van de temperatuur de twee stabiele isotopen van calcium bij het onttrekken uit het zeewater. In de geochemie wordt de verhouding 44Ca/40Ca in kalkskeletjes uit marien sediment daarom gebruikt om de vroegere temperatuur van zeewater te berekenen. Dit kan echter alleen voor niet te diep begraven sedimenten, omdat diagenetische reacties de verhouding veranderen als het sediment te diep begraven wordt en onder te hoge druk komt te staan.
Ionen
bewerken| Oxidatiegetal | Toelichting |
|---|---|
| 0 | Vrij metaal, komt niet in de natuur voor |
| +2 | standaardion van het element, bijvoorbeeld in krijt |
Toxicologie en veiligheid
bewerkenElementair metallisch calcium is brandbaar.
Externe links
bewerken
- Lenntech.nl - calcium
- (en) EnvironmentalChemistry.com - calcium
- (en) WebElements.com - calcium
- Voedingscentrum over calcium als mineraal
- Medische informatie over calcium