Ca

Kalsium

atomnummer: 20
gruppe: 2
periode: 4
atomvekt: 40,078

I mennesket
1000 g

I jordskorpen
5,1 %

I havet
410 mg/liter

På solen
100,00 ppm

Sentral i organismens signalsystem

Under narkose for et mindre kirurgisk inngrep steg pasientens temperatur plutselig og faretruende, og bare et øyeblikkelig avbrudd av operasjonen reddet pasientens liv.

Årsaken var at pasienten hadde en genetisk feil som førte til manglende kontroll av kalsiumionene i muskelcellene. Normalt vil en nerveimpuls til en muskelcelle frigjøre en dose kalsiumioner fra et reservoar i cellen, som deretter trekker seg sammen. For å unngå en varig kontraksjon lukkes kalsiumkanalene raskt og kalsiumionene pumpes tilbake til reservoaret ved hjelp av energi fra ATP-molekylet.

Denne pasienten hadde imidlertid en sjelden genetisk defekt hvor kalsiumkanalene har en byggefeil som gjør at de forblir åpne når de blir påvirket av bestemte forbindelser som brukes under anestesi. Kalsiumionene strømmer dermed fritt ut i cellen. I et håpløst forsøk på å pumpe disse ionene tilbake til reservoaret som lekker som en sil, forbrukes en masse ATP-molekyler som med det avgir varme til cellen. Resultat er at temperaturen stiger faretruende (den kan faktisk stige til over 45 °C på kort tid).

Denne defekten er utbredt hos griser. Magre griser har en større forekomst av denne genetiske feilen og sykdommen ble dermed forsterket under framavlingen av den magre griserasen. Dette kan være årsaken til at disse grisene lett dør under stress, for eksempel under transport.

Det finnes også andre sykdommer som er et resultat av unormale kalsiumkanaler. Et eksempel er en genfeil som er dødelig for et foster dersom den kommer fra begge foreldre. Defekter av denne typen ser også ut til å være involvert i visse kreftformer.

Likevel er dette bare noen av de mange biokjemiske mekanismer som kalsiumioner er involvert i.

Navn

Navnet kalsium stammer fra det latinske calx, som betyr sten. Det var H. Davy som gav navnet kalsium til det nye grunnstoffet i 1808.

Historie

[Illustrasjon]

Humphry Davy klarte å fremstille metallisk kalsium.

De gamle alkymistene kalte alle stoffer som ikke var metaller, som var uløselig i vann og som ikke forandret seg ved sterk oppvarming (ild), for jord (jfr. de fire elementene, jord, luft, ild og vann). Dette var stoffer som for eksempel magnesia, MgO, og brent kalk, CaO. De som ga en basisk (alkalisk) reaksjon ble kalt for alkalisk jord - derav betegnelsen alkaliske jordarter for gruppe 2 i periodesystemet.

Joseph Black viste i 1775 at oppvarming av kalkstein (CaCO3) førte til avgivelse av CO2 med brent kalk (CaO) som resultat. Antoine Lavoisier trodde at lime var et grunnstoff fordi det var så stabilt og vanskelig å spalte videre, men mente også at det kanskje var et oksid av et nytt grunnstoff. Dette ble vist 32 år senere av Humphry Davy, som i 1808 fremstilte rent kalsium ved elektrolyse av en blanding av CaO og HgO. Dette ga i første rekke et amalgam som igjen ga Ca ved destillasjon (etter et tips fra den kjente svenske kjemikeren Berzelius). Først i begynnelsen av det tyvende århundre ble det mulig å fremstille rent Ca på kommersiell basis.

Brent kalk ble tidlig brukt til byggemateriale ved å blande dette med vann. Dette herdes med tiden ved å ta opp CO2 fra luften og danne CaCO3.

Forekomst

[Foto: Per Aas, Naturhistorisk museum, UiO.]

Kalsitt, CaCO3, fra Kongsberg.
Foto: Per Aas, Naturhistorisk museum, UiO.

Kalsium er det femte vanligste grunnstoffet på jorden og det tredje vanligste metallet. Det forekommer ikke fritt i naturen, men i mineraler som kalsitt og aragonitt (som begge er CaCO3-varianter), i dolomitt (CaMg(CO3)2) og også i gips (CaSO4*2H2O). De vanligste mineralene er kalsitt, dolomitt og gips. Slike kalsiumforbindelser utgjør 5,1 % av jordskorpen og finnes vesentlig i avleiringer. Disse stammer for en stor del fra skallet til organismer som i 500 millioner år har brukt Ca-ionene i vannet til å bygge sitt beskyttende skall. Kalsium har altså et kretsløp i naturen: Fra land til hav til sedimenter og tilbake til land i den kontinuerlige hevingen av jordskorpen. Ca 500 millioner tonn kalsium antas å sirkulere slik hvert år.

Kalsiumkarbonat er hovedansvarlig for det som kalles ”hardt vann”. Slikt vann er med på å danne avleiringer i vannledningssystemer (kjelestein) og stalaktitter og stalagmitter i dryppestenshuler. Alabast er en krystallinsk form av gips.

Reservoarene av kalkstein er praktisk talt ubegrenset.

Kalsium finnes i 637 forskjellige mineraler.

I kroppen

Visste du at...

kalsium er det vanligste metallet i kroppen vår? Av 1,2 kg finnes 1190 g i ben og tenner.

Kalsium er nødvendig for alt levende, kanskje bortsett fra for enkelte insekter og bakterier, og er det vanligste metallet i kroppen vår. CaCO3 danner skjelettet i mange organismer i havet, mens Ca5(PO4)3(OH) danner skjelettet hos de fleste landbaserte dyr. Bensubstansen er et levende vev bestående av to typer benceller: Osteoblaster (oppbygging) og osteoklaster (nedbryting). På denne måten sørges det for å holde en konstant Ca2+-konsentrasjon i blodet. At dette er viktig forstår vi når vi leser at Ca2+ sannsynligvis er det mest anvendte `signalstoffet` i organismen, og er involvert i muskelkontraksjon, celledeling, regulering av hormonutslipp, membranpermeabilitet og i stabilisering av pH i blodet. Det er dessuten sentralt i regulering av metabolismen, og influerer på både syntese og frigjøring av nevrotransmittere.

Kunnskapen om kalsiumionenes rolle som signalsubstans går tilbake til 1883 da Sydney Ringer fant at man kunne få en isolert muskel til å trekke seg sammen bare dersom den var badet i en løsning med Ca2+. Kalsium er også involvert i apoptose (programmert celledød). En for stor konsentrasjon av Ca2+ i cellen kan utløse en slik programmert celledød - kalsium bestemmer bokstavelig talt over cellenes liv og død.

[Illustrasjon: Carl Henrik Gørbitz, KI, UiO.]

Vitamin D3, viktig for opptaket av kalsium i kroppen.
Illustrasjon: Carl Henrik Gørbitz, KI, UiO.

Når folk blir gamle taper de beinmasse og da kan kroppens kalsiumreservoar svikte. Man må da øke opptaket av kalsium ved tilskudd av kalsitonin, et hormon fra skjoldbukskjertelen. Man må også sørge for et høyt nivå av vitamin D som er nødvendig for opptak av kalsium. Høyt inntak av proteiner kan derimot føre til økt tap av Ca. En kjøttspiser avgir 50 % mer Ca i urinen (150 mg/dag) enn en vegetarianer (100 mg/dag).

Et voksent menneske trenger ca. 1000 mg Ca pr dag. I planter er særlig CaC2O4 (oksalater) reservoar for Ca.

En rekke kalsiumforbindelser brukes ved medisinsk behandling; kalsiumkarbonat for demping av magesyre,

kalsiumlaktat som kalsiumtilskudd, kalsiumklorid som vanndrivende middel og kalsiumsulfat for gipsing av brudd.

Ved siden av å vedlikeholde skjelettet ser det ut til at kalsium også beskytter mot høyt blodtrykk og tykktarms- og brystkreft (Newsweek aug. 21. 2000).

Fremstilling

Fremstilling av kalsium skjer gjerne ved å behandle kalsiumoksid eller kalsiumkarbonat med saltsyre (HCl), og skille ut kalsium fra kloridet vha. elektrolyse.

Produksjonen foregår ved å varme opp kalkstein med aluminium i vakuum. Når rent metall kommer i kontakt med luft dannes det et tynt overflatelag av kalsiumnitrid og -oksid. Av den grunn kan kalsium brukes til å fjerne rester av luft i vakuumrør. Nitrid-/oksidlaget er meget bestandig og beskytter overflaten mot videre reaksjon.

Verdensproduksjonen av Ca er ca 2000 tonn/år.

Anvendelser

Visste du at...

det klare hvite lyset (limelight) som ble brukt i teatere i gamle dager oppstår når brennende hydrogen blir rettet mot CaO?

[Copyright: Norcem.]

Fabrikk for produksjon av sement i Brevik i Telemark.
Copyright: Norcem.

Kalsium har stor anvendelse i sement og betong, og CaO produseres i en mengde på ca 120 millioner tonn/år. Sement produseres også i Norge, blant annet i Brevik i Telemark, hvor et kalsteinbrudd ligger i nærheten. Metallet har også anvendelse som reduserende reagens ved fremstilling av andre metaller som U, Zr og Th, og dessuten for å fjerne svovel og karbonater fra jernlegeringer. Kalsium benyttes også i legeringer med Al, Be, Cu, Pb og Mg.

I 1823 fant Thomas Drummond at når flammen fra brennende hydrogen ble rettet mot CaO så lyser denne med en brilliant hvit farge. Denne lyskilden kom raskt i bruk ved teatere, og dermed ble begrepet ”limelight” skapt (på engelsk brukes ”lime” om brent kalk, altså CaO).

Mange kalsiumforbindelser er brukt i industri og samfunnet forøvrig.

Kalsiumkarbonat benyttes i glassindustrien og som slipemiddel, for eksempel i tannpasta.

Kalsiumkarbid (CaC2) reagerer med vann og gir acetylen som anvendes i plastindustrien og i sveiseteknikk. Under siste verdenskrig ble denne prosessen også brukt som drivstoff for biler fordi forbrenningen av acetylen gir tilstrekkelig energi til å drive en vanlig bilmotor.

Kalsiumklorid (CaCl2) benyttes til støvkontroll og fjerning av is på veiene, mens kalsiumhypokloritt (Ca(OCl)2) brukes til klorering av vann i badebassenger og som blekemiddel.

Kalsiumfosfat (Ca3(PO4)2) er en viktig bestanddel av kunstgjødsel, mens kalsiumfosfid (Ca3P2) brukes i fyrverkeri, rottegift, torpedoer og fakler.

Kalsiummanganat (Ca(MnO4)2) anvendes i rakettbrensel, i tekstilproduksjon og for sterilisering av vann.

Kalsiumarsenat (Ca3(AsO4)2) brukes som insekticid og kalsiumcyklamat (Ca(C6H11NHSO4)2) ble brukt som søtningsmiddel, men er nå forbudt pga. mulig kreftfare.

Kalsiumstearat ((C17H35COO)2Ca) benyttes i fargestifter og i maling, og tavlekritt lages av kalsiumsulfat (CaSO4*2H2O)

Studiet av kalsiumspekteret i lyset fra solen og andre stjerner kan brukes til å bestemme rotasjonstiden for disse siden spekteret er avhengig av de magnetiske forholdene omkring himmellegemene.

(Emsley: Exhibition - Chemistry in Britain. Mars 2002, 42)

Kjemien

Kalsium er et sølvglinsende og relativt mykt metall (men det er fremdeles hardere enn bly), og hører til de alkaliske jordmetallene. Atomet har 20 elektroner og elektronkonfigurasjonen er 1s22s22p63s23p64s2.

De to elektronene i 4s-orbitalen avgis lett slik at metallet er forholdsvis reaktivt og opptrer som toverdig i forbindelser og som et dobbeltladet ion (Ca2+) i løsning. Kalsium reagerer med luft og danner et lag av både oksid og nitrid som beskytter overflaten mot videre korrosjon. Metallet reagerer også med vann og gir hydrogen med spor av ammoniakk som antageligvis stammer fra nitridet. Det er seks isotoper som regnes som stabile. Her utgjør 40Ca 97 %, 44Ca 2 %, 42Ca 0,65 %, 48Ca 0,2 %, 43Ca 0,14 % og 46Ca 0,004 %.

Strengt tatt er isotopene 46 og 48 radioaktive, men med så lang halveringstid at de kan betraktes som stabile. Isotopen 41 er radioaktiv med halveringstid 103.000 år. I alt er 19 isotoper beskrevet.

Forfatter:  Arvid Mostad

Finn nabogrunnstoff

Na Mg  
K Ca Sc
Rb Sr Y

Kalsium

Sentral i organismens signalsystem

Under narkose for et mindre kirurgisk inngrep steg pasientens temperatur plutselig og faretruende, og bare et øyeblikkelig avbrudd av operasjonen reddet pasientens liv.

Navn

Historie

Forekomst

I kroppen

Fremstilling

Anvendelser

Kjemien

Vis alt om kalsium

Kalsium i periodesystemet

Visste du at...

At

dersom man samlet alt astat i den øverste kilometeren av jordas skorpe, så ville utbytte være 44 mg.

Les mer om astat

App

Periodic Puzzle

Noen har rotet det til i periodesystemet. Du må flytte grunnstoffene tilbake på riktig plass.

Les mer:
Om Periodic Puzzle appen

Samarbeidspartner

Naturhistorisk museum

 


Les om periodesystemet (bakom-stoff, utdypende artikler)
Periodesystemet.no fra Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo.   Idé: Dmitrij Ivanovitsj Mendelejev.
Prosjektledelse: Svein Stølen. Design: John Vedde.   Redaksjon     Rettigheter