此條目介紹的是化学元素。关于與營養學相關、生物體內的
礦物質 ，请见「
钙质 」。
钙 （英語：Calcium ），是一種化學元素 ，化學符號 为Ca ，原子序數 为20，原子量 為7001400780000000000♠ 40.078 u 碱土金属 ，化學活性 頗高，暴露于空气下就会形成深色的氧化物和氮化物。它的物理和化學性質與其較重的同族元素鍶 （Sr）和鋇 （Ba）相似。它是地殼中第五豐富的元素，占地殼總質量3%[ 4] 鐵 和鋁 。地球上最常見的鈣化合物是存在于石灰岩 和早期海洋生物的化石殘骸的碳酸鈣 。石膏 、硬石膏 ，螢石 和磷灰石 也是鈣的來源。钙的名稱源自拉丁語 calx，意为石灰 。
雖然在很久以前就已經發現許多鈣的化合物，但是在十七世紀後才開始對這些化合物的性質有更深一層的了解。单质鈣直到1808年才由命名這個元素的漢弗里·戴維 藉由電解 其氧化物分離出來。鈣化合物有廣泛的工業應用：钙补充剂 、在造紙工業中作為漂白劑的使用、水泥和絕緣體的原料以及用于製作肥皂。另一方面，純鈣因為反应性高而用处不多。少量的純鈣用于制造合金，鈣鉛合金也可以做汽車電池。
鈣是人體 內第五豐富的元素，也是最豐富的金屬元素。[ 5] 電解質 ，鈣離子在生物體及細胞內的化學反應中扮演重要的角色。鈣離子是第二信使系統 的一份子，也是神經元 释放的神經遞質 之一。它參與肌肉收縮的過程，也是各種酵素 的輔因子 。[ 5] 細胞膜 內外的電位差 ，合成蛋白质 ，並在成骨作用 中扮演關鍵角色。[ 5] [ 6]
钙是有延展性的银色金属（有时描述为浅黄色），性质和较重的碱土金属镁、锶、钡和镭非常相似。一个钙原子有二十个电子，电子排布 为 [Ar]4s2 。和其它碱土金属一样，钙在最外层的s轨道里有两个价电子 ，极易在化学反应中失去它们，产生有稳定的惰性气体 电子层结构的二价阳离子。[ 7]
由于CaX2 的标准摩尔生成焓 远高于CaX，CaX2 的晶格能 也远大于CaX，因此钙化合物也多以二价离子化合物 存在。[ 7]
碱土金属 中，铍 与同族的镁、钙、锶、钡相比差别较大，性质更像铝 和锌 ，且有贫金属 的性质，这使得某些地区对“碱土金属”的传统定义会把它排除在外。[ 8]
钙的熔点是842 °C，沸点是1494 °C，这些值比相邻周期的镁和锶都高。它的晶体结构和锶一样是面心立方晶系 ，超过450 °C时会转变成和镁一样的六方最密堆积 结构。钙的密度为1.55 g/cm3 ，是所有碱土金属中最小的。[ 7]
钙比铅 硬，但仍然可以用刀切割。虽然按体积计算的话，钙的导电性比铜 和铝 差，但由于其密度非常低，按质量计算的话钙的导电性就会比铜和铝好。[ 9] [ 9]
钙的化学性质与碱土金属中的锶、钡相似。举个例子，钙和水反应生成氢氧化钙 和氢气的速度比镁快，但比锶慢。它也会和空气中的氧气 和氮气 反应，形成氧化钙 和氮化钙 的混合物。[ 10] 湿度 低于30%下可以无限期保存。[ 11]
2 Ca + O 2 ⟶ 2 CaO {\displaystyle {\ce {2Ca + O2 -> 2CaO}}} 3 Ca + N 2 ⟶ Ca 3 N 2 {\displaystyle {\ce {3Ca + N2 -> Ca3N2}}} 钙在空气中的缓慢氧化 [ 12] 除了简单氧化物CaO以外，钙的过氧化物 CaO2 可以由金属钙被高压氧气直接氧化而成，而且有证据表明黄色的超氧化物 Ca(O2 )2 存在。[ 13] [ 14]
钙单质与其氧化物会直接与水发生反应，得到氢氧化钙 Ca(OH)2 ，其是一种强碱，碱性弱于锶、钡和碱金属的氢氧化物。[ 15]
Ca + 2 H 2 O ⟶ Ca ( OH ) 2 + H 2 {\displaystyle {\ce {Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2}}} 钙、锶、钡单质及其氧化物会与水剧烈反应，而铍和镁与水的反应十分缓慢 [ 16] 钙的四种二卤化物都是已知的，[ 17] 氯化钙 可用作干燥剂，氟化钙 是制取HF 和F2 的原料[ 18] 碳酸钙 （CaCO3 ）和硫酸钙 （CaSO4 ）都是常见的矿物组成。[ 19]
CaCO 3 ⟶ CaO + CO 2 {\displaystyle {\ce {CaCO3 -> CaO + CO2}}} 钙的碳酸盐在受热时（1173 K）分解 [ 20] 像锶和钡，以及碱金属和二价的镧系元素 铕 和镱 一样，金属钙可溶于液氨 ，形成深蓝色溶液。[ 7]
由于Ca2+ 离子较大，所以它的配位数也较高，在像是CaZn13 的金属间化合物 中甚至能达到24。[ 21] 螯合剂 如EDTA 和多聚磷酸盐 （ 英语 ： polyphosphate ） 分析化学 和在硬水 中除去钙离子。在没有空间位阻 影响的情况下，越小的碱土金属阳离子形成的配合物越稳定，但当与多齿 配体螯合形成大环化合物 时，该趋势则相反。[ 19] [ 22]
虽然同族的镁可以形成很多常用的有机镁化合物 ，有机钙化合物却因为更难制造且反应性更强而较少被使用。不过，最近有人已将它们作为可能的催化剂 研究。[ 23] [ 24] [ 25] [ 26] [ 27] 2+ （102 pm）和Ca2+ （100 pm）的离子半径 相似，有机钙化合物的性质更像有机镱化合物。[ 28]
大部分有机钙化合物都只能在低温下合成，而在这些化合物中使用大位阻基团可以增加稳定性。举个例子，二茂钙 Ca(C5 H5 )2 只能由钙和二茂汞 或是环戊二烯 反应而成，而将C5 H5 基团替换成更大的C5 (CH3 )5 增加了化合物的溶解度、挥发性和动力学稳定性。[ 28]
存在于水合氯化钙中的[Ca(H2 O)6 ]2+ 聚合物的结构，显示钙配合物通常有高配位数 天然钙有五种稳定同位素 （40 Ca、42 Ca、43 Ca、44 Ca和46 Ca）和半衰期长到可以看作稳定的48 Ca19 年）的混合物。钙是第一种有六个天然同位素的元素。[ 10]
在这六种同位素中，40 Ca最常见，占了天然钙的96.941%。它是硅燃烧过程 中产生的，也是质子数和中子数相等的稳定同位素中最重的。此外，原生同位素 （ 英语 ： primordial nuclide ） 40 K40 Ca的数量不断增加。40 Ca捕获一个α粒子会产生不稳定的44 Ti，后者迅速发生两次电子捕获 ，生成稳定的44 Ca。它是第二常见的钙同位素，占了2.806%。[ 29] [ 30]
剩下的四种同位素42 Ca、43 Ca、46 Ca和48 Ca较为稀有，它们在天然钙的含量都不足1%。钙较轻的四种同位素是氧燃烧过程 和硅燃烧过程的主要产物，而剩下的两种重同位素则需要通过中子捕获 产生。46 Ca主要在“热”s-过程 中，短寿的45 Ca捕获一个中子而成的，而48 Ca则是Ia超新星 的r-过程 产生的。[ 29] [ 30]
在分别多出六个和八个中子的核素中，46 Ca和48 Ca是其中最轻的“稳定”核素。虽然48 Ca的中子很多，但它的质子数20和中子数28都是幻数 ，所以非常稳定。它β衰变 成48 Sc 的过程因为自旋 的严重失配而受到很大阻碍：48 Ca的自旋为0，而48 Sc的自旋为6+，所以衰变被角动量 的转化所禁止 。因此，48 Ca的衰变方式是双β衰变 成48 Ti ，它也是已知会双β衰变的同位素里最轻的。[ 31] [ 32]
46 Ca理论上也可以双β衰变成46 Ti，但这个过程仍未被观察到。最轻也最常见的40 Ca的质子数和中子数也都是幻数，理论上可以双电子捕获 （ 英语 ： double electron capture ） 40 Ar ，但这也一样仍未被观察到。40 Ca和46 Ca的半衰期下限分别为5.9 × 1021 年和2.8 × 1015 年。[ 31]
除开几乎稳定的48 Ca以外，钙最稳定的放射性同位素 是41 Ca。它通过电子捕获衰变成41 K ，半衰期约为十万年。自然界中存在痕量的41 Ca，它们是由40 Ca中子活化 而成的。[ 30]
其它从35 Ca到60 Ca的放射性钙同位素也是已知的，它们都比41 Ca更短寿。在这之中最稳定的是45 Ca（半衰期163天）和47 Ca（半衰期4.54天）。比42 Ca轻的钙同位素会正β衰变 成钾的同位素，而比44 Ca的钙同位素会负β衰变 成钪 的同位素。不过当这些同位素逼近原子核滴线 时，质子发射 和中子发射 会变成它们的主要衰变方式。[ 31]
由石灰泥 （ 英语 ： lime plaster ） 安加扎勒雕像 虽然在很久以前就已经发现许多钙的化合物，但是在十七世纪后才开始对这些化合物的性质有更深一层的了解。[ 33] 石灰 就被用作建材[ 34] 雕像的熟石膏 （ 英语 ： lime plaster ） [ 35] 石灰窑 可以追溯到公元前2500年，于美索不达米亚 的哈法耶 （ 英语 ： Khafajah ） [ 36] [ 37]
石膏 （CaSO4 ·2H2 O）是胡夫金字塔 的建材，也是图坦卡蒙 陵墓中熟石膏的材料。古罗马人 则通过使用加热石灰岩 （CaCO3 ）产生的石灰砂浆 （ 英语 ： lime mortar ） [ 33]
维特鲁威 注意到煅烧石灰岩产生的石灰会比原本的石灰岩轻，并把这个现象归咎于水的沸腾。1755年，约瑟夫·布拉克 证明这是因为煅烧过程会释放二氧化碳 气体，而它并没有被古罗马人发现到。[ 38]
钙和同族的镁、锶和钡都是由汉弗里·戴维 在1808年分离的。继约恩斯·贝尔塞柳斯 和马格努斯·马丁·阿夫·庞廷 电解 的工作后，戴维通过将金属氧化物与氧化汞 的混合物放在铂 板上作为阳极，阴极则是部分浸入汞中的铂丝。之后，他通过电解产生钙汞齐 和镁汞齐 ，然后蒸馏掉汞得到金属钙和镁。[ 33] [ 39] [ 38]
位于土耳其 棉花堡 的洞石 梯田 钙是地球地壳中第五丰富的元素 ，也是第三丰富的金属，仅次于铝 和铁 。[ 33] 月陆 中第四丰富的元素。[ 11] 碳酸钙 沉积岩 作为以前的海洋生物的化石残骸，以两种形式遍布地球表面，分别为三方晶系 的方解石 （更常见）和正交晶系 的霞石 （在温带海域中形成）。珊瑚 、贝壳 和珍珠 的主要成分都是碳酸钙。除了方解石和霞石，其它重要的钙矿包括石膏 （CaSO4 ·2H2 O）、硬石膏 （CaSO4 ）、萤石 （CaF2 ）和磷灰石 （[Ca5 (PO4 )3 F]）。[ 33]
钙的主要生产者是中国 （每年约10000至12000吨 ）、俄罗斯 （每年约6000至8000吨）和美国 （每年约2000至4000吨），加拿大 和法国 也是次要生产国。2005年，全球钙产量约为24000吨，其中大约一半被美国使用。[ 9]
俄罗斯和中国仍然使用戴维的电解方法来生产钙，但用了熔融氯化钙 代替氧化钙。[ 9] 车床 加工。[ 40] [ 9]
钙循环 提供了地质构造运动 （ 英语 ： Tectonics ） 气候 和碳循环 之间的联系。山脉的隆起会使花岗岩 等含钙岩石经受化学风化作用，并将Ca2+ 离子释放到地表水中。这些离子之后会被运输到海洋，和海水溶解的CO2 反应生成石灰石 （CaCO ），沉降到海底并合并到新的岩石中。海水溶解的CO2 、碳酸根 和碳酸氢根 都属于“溶解无机碳 ”（DIC）。[ 41]
实际反应要更复杂，涉及CO2 和水在海水pH 下反应而成的碳酸氢根离子（HCO− ）：
Ca2+ + 2HCO− →CaCO (s ) +CO +H 在海水的pH下，大部分溶解的CO2 都会立刻变成HCO− 。该反应导致一分子CO2 从海洋或大气净传输到岩石圈 。[ 42] 2+ 离子最终会从地表（大气、海洋、土壤和生物体）中去除一个CO2 分子，并将其储存到碳酸盐矿物中停留数亿年。因此，岩石中钙的风化作用会清除海洋和大气中的CO2 ，对气候产生强烈的长期影响。[ 41] [ 43]
由于其对氧和硫 的化学亲和性 很强，金属钙最大的用处是炼钢 [ 44] 汽车蓄电池 ，在这些蓄电池中使用了0.1 % 钙铅 合金来代替常用的锑 铅合金[ 45] [ 46] 铝 加入这些合金中。钙铅合金也用于铸造。[ 46] 铸铁 中的石墨碳 以及去除铅中的铋 杂质。[ 40] 氢氧化钙 可以皂化 脂肪和液化阻塞下水道的蛋白质（例如头发中的角蛋白 ）。[ 47]
除了炼钢，钙的反应性还可以用于从高纯氩气 中去除氮气 ，也是氮气和氧气的吸气剂 （ 英语 ： getter ） 铬 、锆 、钍 和铀 的生产中充当还原剂。钙也可以用来储存氢气，因为它与氢气反应形成氢化钙 固体，氢气可以很容易地从其中重新放出。[ 40]
据报道，钙同位素在形成矿物时观察到类似“分馏”的现象。1997年，Skulan和DePaolo观察到[ 48] [ 49]
在人体中，尿液中钙同位素丰度的变化已被证明与骨矿物质平衡的变化有关。当骨头形成的速率比固体被吸收的速率快时，软组织的44 Ca/40 Ca比例会增加，反之亦然。因为这种关系，测量尿液或血液的钙同位素可能有助于早期检测骨质疏松 等代谢性骨病。[ 49]
类似的系统也存在于海水中。当矿物沉淀去除Ca2+ 的速率超过新的钙流向海洋的速率时，海水的44 Ca/40 Ca的比例趋于上升。1997年，Skulan和DePaolo提出了海水44 Ca/40 Ca随地质时间变化的第一个证据，以及对这些变化的理论解释。最近的论文证实了这一观察结果，表明海水中的Ca2+ 浓度不是恒定的，并且海洋在钙输入和输出方面从未处于“稳定状态”。这个发现具有重要的气候学意义，因为海洋的钙循环与碳循环 密切相关。[ 50] [ 51]
很多钙化合物用于食品、药品和医药等用处。人们会通过添加乳酸钙 （ 英语 ： Calcium lactate ） 焦磷酸钙 和磷酸钙 来补充食物中的钙和磷，而磷酸钙也用作牙膏 的抛光剂和抗酸药 。乳糖酸 钙是用作药物的悬浮剂的白色粉末，磷酸二氢钙 在烘培中可用作膨松剂 ，亚硫酸钙 在造纸中用作漂白剂和消毒剂，硅酸钙 是橡胶的强化剂，而乙酸钙 用于制造肥皂和合成树脂。[ 46]
钙列于世界卫生组织基本药物标准清单 当中。[ 52]
富含钙的食物包括如优格 和起司 的乳制品 、沙丁鱼 、三文鱼 、大豆 制品、羽衣甘蓝 和补充了钙 的谷物片 。[ 6]
由于担心大量摄入钙导致的长期副作用（如动脉钙化和肾结石 ），美国国家医学院 （IOM）和欧洲食品安全局 （EFSA）都对钙设了可耐受最高摄入量 （ULs）。美国国家医学院定的值是9–18岁不超过3克/日，19–50岁不超过2.5克/日，51岁以上不超过2克/日。[ 53] [ 54]
美国国家医学院制定的钙的推荐膳食摄入量[ 55] 年龄 每天的钙摄入量（毫克） 1–3岁 700 4–8岁 1000 9–18岁 1300 19–50岁 1000 >51岁 1000 孕期 1000 哺乳期 1000
全球成年人的钙摄入量（毫克/日）[ 56] <400
400–500
500–600
600–700
700–800
800–900
900–1000
>1000
钙是人体大量需要的生命元素 。[ 5] [ 6] 2+ 离子起到电解质 的作用，对肌肉、循环和消化系统的健康至关重要。此外，钙对于骨骼的构建是必不可少的，而且还参与了血细胞的合成。钙也调节肌肉收缩 、神经传导和血液的凝固。Ca2+ 离子可以和很多有机化合物（尤其是蛋白质 ）形成稳定的配合物 ，因此它才能发挥这种作用。钙化合物的溶解度的范围很大，使骨骼 得以形成。[ 5] [ 57]
钙离子和蛋白质的结合方式有三种：第一种方式是和谷氨酸 或天冬氨酸 的羰基 结合，第二种方式是和磷酸化 的丝氨酸 、酪氨酸 或苏氨酸 结合，第三种方式则是和γ-羧基化的氨基酸螯合 。胰蛋白酶 是一种消化酶，它使用第一种结合方式；而骨钙蛋白 是一种骨基质蛋白，它使用第三种结合方式。[ 58]
一些像是骨桥蛋白 和骨涎蛋白 等骨基质蛋白同时使用第一种和第二种结合方式。和钙结合是酶常见的激活方式，其它一些酶的激活方式则是与结合了钙的酶结合。钙还与细胞膜 的磷脂 层结合，锚定与细胞表面相关的蛋白质。[ 58]
钙是复合维生素 的常见成分，[ 5] 柠檬酸钙 、苹果酸钙 和乳酸钙 的生物利用度都很高，而草酸钙 的生物利用度较低。其它可用的钙化合物包括碳酸钙 、柠檬酸苹果酸钙 （ 英语 ： calcium citrate malate ） 葡萄糖酸钙 。[ 5] 肾脏 调节血浆钙水平。[ 5]
甲状旁腺激素 和维生素D 都可以通过允许和增强钙离子沉积来促进骨骼的形成，从而在不影响骨量或矿物质含量的情况下实现快速骨转换。[ 5] 降钙素 拮抗，其分泌随着血浆钙水平的增加而增加。[ 58]
过量摄入钙会导致高血钙症 ，不过因为肠道对钙的吸收效率相当低，高血钙症更可能是因为甲状旁腺激素（PTH）分泌过多或维生素D摄入过多引起的，它们都有利于钙的吸收。所有这些情况都会导致过量的钙沉积在心脏、血管或肾脏中。高血钙症的症状包括厌食、恶心、呕吐、记忆力减退、精神错乱、肌肉无力、排尿增多、脱水和代谢性骨病。[ 58]
长期高血钙症通常会导致软组织的钙化 ，并造成严重的后果。钙化会导致血管 壁丧失弹性和血流中断，进而产生易损斑块 （ 英语 ： Vulnerable plaque ） 血栓 。相反的，钙或维生素D摄入不足会导致低血钙症 ，常由甲状旁腺激素分泌不足或细胞内的PTH受体有缺陷引起。低血钙症的症状包括神经肌肉兴奋，这可能会导致手足强直 （ 英语 ： tetany ） [ 58]
由于骨骼的发育需要钙，所以很多骨病都可以追溯到骨骼组织中的有机基质或羟基磷灰石 的结构。骨质疏松 是每单位体积骨骼中矿物质含量的减少，可以通过补充钙、维生素D和双膦酸盐 （ 英语 ： Bisphosphonate ） [ 5] [ 6] 骨质软化 。[ 58]
金属钙会与水和酸剧烈反应，所以接触人体中的水份后会造成严重的腐蚀。[ 59] [ 47] [ 59]
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铍 Be 原子序数: 4
镁 Mg 原子序数: 12
钙 Ca 原子序数: 20
锶 Sr 原子序数: 38
钡 Ba 原子序数: 56
镭 Ra 原子序数: 88
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