خصائص الكالسيوم واستخداماته في شتى المجالات

 استخدامات الكالسيوم في الطب

تحتوي العظام والأسنان على نسبة عالية تصل إلى 99٪ من الكالسيوم في الجسم، ويوجد الكالسيوم أيضا في الدم والعضلات والأنسجة الأخرى. وظيفة الكالسيوم ذات أهمية كبيرة في جسم الإنسان  .

يمكن استخدام الكالسيوم الموجود في العظام كمخزون يمكن إفرازه في الجسم حسب الحاجة. ينخفض مستوى الكالسيوم في الجسم مع التقدم في العمر لأنه يفرز من خلال العرق وخلايا الجلد والفضلات.

ومع ذلك، عندما تتقدم المرأة في العمر، ينخفض مستوى امتصاص الكالسيوم نتيجة انخفاض مستوى هرمون الاستروجين، وبالتالي يختلف امتصاص الكالسيوم وفقًا للعرق والجنس والعمر .

تعتبر الكالسيوم عنصرًا ضروريًا لإعادة بناء وتشكيل العظام بشكل صحيح وجعلها قوية، وغالبًا ما يتم إعادة بناء العظام بعد انهيارها بتناول جرعات إضافية من الكالسيوم .

استخدامات الكالسيوم في حياتنا اليومية

1.  يستخدم الكالسيوم كعامل اختزال في عمليات استخلاص المعادن .
2. يمكن استخدام الكالسيوم في إنتاج بعض المعادن باعتباره عاملاً متحالفاً .
3. يمكن استخدام كربونات الكالسيوم في صناعة الأسمنت والملاط والزجاج أيضا  .
4. يمكن إضافة كربونات الألومنيوم إلى معجون الأسنان والمكملات المعدنية .
5. يمكن استخدام كربيد الكالسيوم في صناعة البلاستيك وغاز الأسيتيلين .
6. تستخدم زرنيخات الكالسيوم (كمبيد حشري)، ويمكن استخدام فوسفيد الكالسيوم (كمبيد للقوارض)، وتستخدم أيضاً في الألعاب النارية والمشاعل .
7.  يتم استخدام فوسفات الكالسيوم في الأعلاف الحيوانية والأسمدة .
8.  يمكن استخدام محلول هيدروكسيد الكالسيوم كـ (طباشير للسبورة، جص لباريس في هيئته الهيدراتية) .
9.  يتم استخدام غلوكونات الكالسيوم كمواد مضافة للأغذية .
10. يمكن استخدام ستيرات الكالسيوم في عدة صناعات، مثل صناعة أقلام الشمع ومستحضرات التجميل والبلاستيك والدهانات.
11. يستخدم الكالسيوم كملف لتصنيع السبائك وعامل للألمنيوم والنحاس والرصاص والمغنيسيوم وغيرها من المعادن.
12. يستخدم عنصر الكالسيوم أيضا كمزيل للأكسدة لبعض السبائك ذات الحرارة العالية، وكذلك جالبا في أنابيب الإلكترونات .
13. يتم استخدام نسبة صغيرة من الكالسيوم في العديد من السبائك لأغراض خاصة، حيث يمزج بالرصاص (0.04٪ كالسيوم)، كما يستخدم لأغراض مثل الأغماد في كابلات الهاتف وشبكات بطاريات التخزين الثابتة .
    عند إضافة نسبة تتراوح بين (0.4 – 1)٪ من المغنيسيوم إلى السبائك، يتم تعزيز مقاومة غرسات العظام التي تتعرض للتحلل بسبب السوائل البيولوجية، مما يتيح للأنسجة التعافي تمامًا قبل فقدان الغرسات سلامتها الهيكلية .

تفاعلات الكالسيوم

• تفاعل الكالسيوم مع الهاليدات

الكالسيوم يكون على شكل أملاح مع الهاليدات، مثل (CaF_2) أو (CaCl_2)، وله العديد من الاستخدامات، ولكن استخدام كلوريد الكالسيوم (CaCl_2) كعامل مجفف هو الأكثر شيوعا بين طلاب الكيمياء .

• تفاعل الكالسيوم مع الكربونات

تعد كربونات الكالسيوم ضرورية لتشكيل الهوابط الكهفية والصواعد، ويتيح هذا التفاعل فرصة لكربونات الكالسيوم بالذوبان في محلول مثل بيكربونات الكالسيوم .

بينما يسمح التفاعل العكسي لنفس المحلول بالتحول مرة أخرى إلى الكربونات الكالسيوم الصلبة، وهي المادة التي تشكل مسامير الحجر الجيري في الكهوف، حيث يتم ترسيب محلول البيكربونات الكالسيوم بشكل عمودي لآلاف السنين .

•  تفاعل الكالسيوم مع الماء

يتفاعل المعدن الكالسيوم مع الماء في درجة حرارة الغرفة لينتج غاز الهيدروجين وهيدروكسيد الكالسيوم، ويلاحظ تصاعد فقاعات الهيدروجين على سطح المعدن.

• عند تفاعل الكالسيوم مع الأحماض

يتم ذوبان الكالسيوم في الحمض ليتحول إلى أيونات منفصلة من الكالسيوم والكلوريد بالإضافة إلى إطلاق غاز الهيدروجين .

• تفاعل الكالسيوم مع الأكسجين

يُعد الكالسيوم واحدًا من المعادن التي تتأكسد ببطء في الهواء، وتغطي بالأبيض {(CaO) و(CaCO3)}، وهذا يوفر له حماية من تأثير الهواء.
عندما يحترق الكالسيوم، يتحول إلى أكسيد الكالسيوم.

خصائص عنصر الكالسيوم

•  العدد الذري   : 20
•  الوزن الذري : 40.078
•  نقطة الانصهار : درجة مئوية (1548 درجة فهرنهايت)
• نقطة الغليان : ( 1،484) درجة مئوية (2،703 درجة فهرنهايت)
• جاذبية معينة : 1.55 (20 درجة مئوية أو 68 درجة فهرنهايت)
•  حالة الأكسدة : +2
•  التوزيع الإلكترون : ( 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2)

عنصر الكالسيوم لا يتواجد بشكل طبيعي في حالته الحرة، ولكن توجد مركبات العنصر بشكل واسع، حيث يتم توزيعها على نطاق واسع، ومن بين تلك المركبات التي استخدمها القدماء بشكل واسع هو الجير أو “أكسيد الكالسيوم CaO.

في عام 1808، تم لأول مرة من قبل السير همفري ديفي عزل المعدن الفضي الذي يتميز بنعومة نسبية، وذلك بعد التقطير بالزئبق من ملغم يحتوي على خليط من الجير وأكسيد الزئبق، وتم استخدام التحليل الكهربائي في هذه العملية .

تبلغ نسبة الكالسيوم في قشرة الأرض حوالي 3.64%، وفي القمر تبلغ حوالي 8%. ويتواجد كربونات الكالسيوم “الكالسيت” في عدة أماكن بما في ذلك الحجر الجيري، والطباشير، والدولوميت، واللؤلؤ، والرخام، وقشر البيض، والمرجان، والهوابط الصواعد، وصدف العديد من الحيوانات البحرية .

تذوب رواسب كربونات الكالسيوم في الماء الذي يحتوي على ثاني أكسيد الكربون لتكوين بيكربونات الكالسيوم “Ca (HCO3)2″، وهذه العملية عادة ما تؤدي إلى تكون الكهوف، وأحيانًا يمكن أن يترسب الحجر الجيري على شكل هوابط وصواعد .

يعد كالسيوم هيدروكسيل الفوسفات من المكونات الغير عضوية الرئيسية الموجودة في الأسنان والعظام، ويتواجد أيضا في معادن الأباتيت، ويأتي في شكل الفلوريت أو الفلورسبار وكبريتات الكالسيوم، ويحدث بشكل أنهيدريت مثل الفلوريد الكالسيوم .

في الكثير من المعادن الأخرى يتواجد الكالسيوم، علي سبيل المثال:-

1.  الأراغونيت (ويعد من انواع كربونات الكالسيوم).
2.  الجبس (صورة أخرى من كبريتات الكالسيوم).
3.  يحتوي على نسبة عالية من الفلسبار والزيوليت .
4.  يتواجد الألمنيوم في العديد من المركبات مثل السيليكات وسيليكات الألمنيوم والأملاح الراسبة والمياه الطبيعية وحتى في المحيطات .

– كان يتم إنتاج الكالسيوم النقي سابقًا من خلال التحليل الكهربائي لكلوريد الكالسيوم اللامائي، ويتم صنعه حاليًا تجاريًا من خلال تسخين الجير بالألومنيوم ويتفاعل الكالسيوم ببطء مع (الأكسجين، وبخار الماء، والنيتروجين) في الهواء .

يتم تشكيل طبقة صفراء من الأكسيد والهيدروكسيد والنتريد عن طريق حرق الكالسيوم في الهواء الجوي أو الأكسجين النقي، وتتفاعل الكالسيوم بسرعة مع الماء الدافئ (وببطء أبطأ مع الماء البارد) لتنتج غاز الهيدروجين وهيدروكسيد الكالسيوم .
عندما يتم تسخين الكالسيوم، يتفاعل مع الهيدروجين والهالوجينات والبورون والكبريت والكربون والفوسفور، وعلى الرغم من أنه يُقارَن بإيجابية مع الصوديوم كعامل مختزل، فإن الكالسيوم أكثر تكلفةً وأقل تفاعلاً من الصوديوم .

يتكون الكالسيوم الطبيعي من مزيج من (6) نظائر منذ اكتشاف الكالسيوم:-

•  كالسيوم -40 (96.94 %).
•  كالسيوم -44 (2.09 %).
• كالسيوم -42 (0.65 %).
•  يمكن أن يتم تمثيل الكالسيوم بنسب أصغر مثل (43) و (46) و (48)، ويتميز الكالسيوم-48 بالاستقرار لأغراض عملية لأنه يخضع للاضمحلال البيتا المزدوج وله عمر نصف يصل إلى حوالي (4 × 10 19) عامًا.

يتميز الكالسيوم بوجود عدد كبير من النيوترونات، ويتم استخدامه في تكوين نوى جديدة ثقيلة في مسرعات الجسيمات. كما يوجد نظير الكالسيوم-41 الإشعاعي بكميات قليلة على سطح الأرض بسبب القصف الطبيعي لنظيرالكالسيوم-40 من خلال النيوترونات في الأشعة الكونية .