鈣(拼音:ɡài,注音:ㄍㄞˋ,粵拼:koi3;英語:Calcium),是一種化學元素,其化學符號為Ca,原子序數為20,原子量為u。鈣是銀白色的 40.078 鹼土金屬,具有中等程度的延展性。雖然在地殼的含量也很高,為地殼中第五豐富的元素,佔地殼總質量3%[2],因其化學活性頗高,可以和水或酸反應放出氫氣,或是在空氣中便可氧化(形成緻密氧化層(氧化鈣)),因此在自然界多以離子狀態或化合物形式存在,而沒有單質存在。
鈣屬於鹼土金屬,它的物理和化學性質與其較重的同族元素鋇(Ba)和鍶(Sr)相似。它是地殼中第五豐富的元素,佔地殼總質量3%,也是地殼中第三豐富的金屬,僅次於鐵和鋁。地球上最常見的鈣化合物是碳酸鈣,發現於石灰岩和早期海洋生物的化石殘骸;石膏,硬石膏,螢石和磷灰石也是鈣的來源。該名稱源自拉丁語calx(石灰),可藉由加熱石灰石獲得。
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;純鈣直到1808年才由命名這個元素的漢弗里·戴維的藉由電解法分離出來。鈣化合物有廣泛的工業應用:作為食品工業中的額外添加物,在造紙工業中作為漂白劑的使用,作為水泥和絕緣體的原料,也使用在製作肥皂中。另一方面,純鈣因為高活性有一些獨特應用,少量的純鈣使用在鋼的煉製,鈣鉛合金也可以做汽車電池。在工業的主要礦物來源如石灰岩、石膏等,在建築(水泥原料)、肥料、制鹼、和醫療上用途佷廣。
鈣是人體內最豐富的金屬元素及第五豐富的元素。作為電解質,鈣離子在生物體及細胞內的化學反應中扮演重要的角色:在細胞信息傳導的過程中,鈣離子作為第二信使系統的一份子;作為神經遞質,被神經元釋放;參與肌肉收縮的過程;它同時也是各種酵素與的輔因子;協助受精作用。鈣離子在細胞極化的過程中,負責維持細胞膜內外的電位差,並在成骨作用中扮演關鍵角色。
同位素
自然界有6種天然同位素存在,不過只有其中3種是穩定的(鈣-43、鈣-42、鈣-44),另有11種放射性同位素。
發現
1808年,英國的戴維、瑞典的貝采利烏斯、法國的蓬丁,使用汞陰極電解石灰石製得在電解質,在陰極的汞齊中提出金屬鈣。
從此鈣被確定為元素,並被命名為Calcium,元素符號是。Calcium來自拉丁文中表示生石灰的詞calx。
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鈣的焰色
製備
其中電解法是拉特瑙(W.Rathenau)於1904年首先應用的,所用的電解質為CaCl2和CaF2的混合物。電解槽陽極用石墨等作內襯,陰極用鋼製成。電解析出的鈣漂浮在電解質表面,同鋼製陰極接觸而冷凝在陰極上。
還原法是生產金屬鈣的主要方法。通常用石灰石為原料,經燒成氧化鈣,以鋁粉作還原劑。粉碎的氧化鈣與鋁粉按一定比例混合均勻,壓製成塊。
用途
鈣可用作合金的去氧劑,以及油類的脫水劑等。
自然界的鈣
通常水中含鈣鎂離子即稱之為硬水。而硬度是由水溶液中的礦物質含量多寡而決定,而且會特別指、含量。常用ppm ()或mg/L 表示。
對人體的影響
鈣是人體必需的礦物質營養素,所有的細胞都需要鈣。鈣離子在生物體中是許多生化過程及生理過程的觸發器,如觸發肌肉收縮、釋放激素、傳遞脈衝、促進血液凝結、調節心律和分泌乳汁等等。尤為各種高級生物體所必需。 現代醫學研究表明,鈣營養與體內免疫、神經、內分泌、消化、循環、運動、生殖等十多個系統的功能密切相關,鈣離子參與生命進化及生命運動的全過程。基礎醫學臨床醫學的研究已證實鈣離子對生命的影響巨大,也就是說人類健康離不開鈣[3]。
人體的含量與分佈
人體的鈣含量約1~1.25kg,占體重1.5~2%,鈣原子數目僅次於、、、等四種非金屬元素,為身體中含量最多的金屬。每千克非脂肪組織中平均約含鈣20~25g。體內鈣99%以上都分佈在骨骼和牙齒中,其餘不足1%的鈣分佈在體液及全身各組織器官中,是多種生理活動的參與者。這1%在人體的組織及血液中鈣的濃度必需保持恆定,不能太高也不能太低,否則會威脅生命安全。
骨骼鈣
鈣是骨骼、牙齒和細胞壁形成時的必需結構成分。骨鈣的組成主要是羥磷灰石結晶,占骨骼重量40%以上,其次是碳酸鹽、檸檬酸鹽以及少量氯化物和氟化物的形式。骨鈣對維持血鈣的濃度極為重要,被稱作人體鈣元素的「儲存庫」。當血鈣濃度降低時,可迅速動員骨鈣補充,此過程即為骨質分解;反之鈣則在骨骼「暫存」。
牙齒鈣
牙齒的化學組成大部分與骨一致,牙齒的表層為牙釉質(又稱琺瑯質),除了5%水外,全部由嵌入有機基質中的無機物(羥磷灰石及氟磷灰石)組成。其中羥磷灰石所佔比例超過98%,結構非常嚴密,成為人體中最硬的部分,對牙齒咀嚼、磨碎食物具有重要意義。牙本質中羥磷灰石佔70%左右,牙骨質中約佔40%,它們的結構與骨類似。牙齒一旦形成和鈣化後,新陳代謝就降到最低程度。維生素A、C、D的攝取,對牙的正常發育及鈣化是必不可少的。缺少維生素A會導致牙的不完全鈣化,使其硬度小;缺少維生素C影響牙中有機基質的形成;維生素D不但能幫助鈣的吸收而且明顯地促使鈣、磷在牙中的沉積。
血鈣
血漿中的鈣有48%為離子形式,46%與蛋白質結合,3%為複合物形式(Complex),還有3%未被確認。血漿中鈣濃度大約為10~11 mg/100 mL,無年齡、性別差異。鈣離子對神經組織有特殊且重要的影響,如果血鈣離子濃度下降,神經組織會過度興奮,導致手足抽搐;另一方面,高血鈣抑制神經興奮,短期引致尿毒症,如多尿、水腫、頭痛、頭暈、夜尿、腰痛、眼矇,長遠導致腎結石、骨骼早閉即停高、腎功能受損及腎衰竭。血鈣的濃度相當穩定,由副甲狀腺素(PTH)精密控制,使骨鈣和血鈣處於平衡之中。血鈣濃度低,則由骨鈣補充;反之,血鈣濃度高,則將鈣沉積於骨中儲存,或經腎臟於尿中排出體外。
消化與吸收
維他命D在小腸對鈣的吸收中扮演重要的角色,它可增加小腸細胞膜上和細胞質的鈣結合蛋白質的總量。維他命D缺乏者會因為鈣吸收不足而易患有軟骨病(佝僂病)。
攝取量
世界各地區的鈣攝取量有很大的差異,歐美等發達國家平均每人每日攝取850毫克,而非洲、拉丁美洲及大部分發展中國家只有344毫克,相差一倍以上。因此鈣攝取不足在發展中國家是個嚴重的健康議題[4]。
年齡別 | 台灣(mg每天)[5] | 中國大陸(毫克每天)[6] | 美國(mg/day) [7] |
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0~6個月 | 400 | 250-600 | 400 |
6個月~6歲 | 500 | 650-800 | 600-800 |
7~9歲 | 600 | 800-1000 | 800-1200 |
10~12歲 | 700 | 1000-1200 | 1200-1500 |
13~19歲 | 男800/女700 | 1000-1200 | 1200-1500 |
20歲以上 | 600 | 800-1000 | 24歲:1200-1500 |
25~64歲:1000 | |||
50歲以上:1000 | 65歲以上:1500 | ||
懷孕及哺乳 | 1100 | 800-1000 | 1200-1500 |
成年婦女停經後 | 服用雌性素:1000 | ||
未用雌性素:1500 |
食物來源
自然的食品以牛奶和優酪乳所含的鈣最多,其他食物如乾豆類、魚、豆腐、深色的蔬菜如花椰菜、甘藍類蔬菜和芥蘭菜等都含有豐富的鈣。此外還有很多添加鈣強化的食物,例如:橙汁、蔓越莓汁、早餐穀類食品等。也有人服用鈣補充劑以補不足。然而攝取過量的鈣後果非常嚴重會引致高血鈣,繼而腎結石。最新的膳食標準指出鈣的上限攝取量是每天2500 mg;一般人每天只須從自然食物和補充劑中攝取1500 mg的鈣,即一天500mg的的補充劑便相當足夠。 [8][9][10][11][12][13]
鈣補充劑
鈣補充劑的主要成分為鈣化合物,如碳酸鈣、檸檬酸鈣、乳酸鈣等[14],其中吸收率最高的為檸檬酸鈣約35%,碳酸鈣為27%,乳鈣質為29%,磷酸鈣為25%。碳酸鈣取材於牡蠣殼或珍珠貝等,葡萄糖酸鈣的溶解度較大。選購鈣補充劑應注意鈣離子的含量與鈣的來源。
與其他營養素之關係
維生素D有利於鈣質的吸收與利用。磷與鈣會相互拮抗競爭,影響彼此的吸收。飲食的鈣磷比例對嬰兒非常重要,比例失調會導致抽筋,對兒童及成人則較無影響。理論上鈣磷攝取是以的比例最佳,但實際上有困難,因為鈣只存在於少部份的食物,磷卻幾乎存在所有的食物。如果鈣質攝取量偏低,又攝取大量的磷時(鈣:磷),血鈣會下降,骨礦物質會分解釋出鈣,最終造成骨質流失;這種情形在老年人及停經婦女最為明顯。當鈣攝取不足時,食物中的蛋白質有利於鈣質的吸收;不過鈣攝取充足時,蛋白質就沒有促進吸收的效果。過量的蛋白質與脂肪則會促進鈣質的排泄,造成鈣質的流失。鈣質攝取過量會影響鐵、鋅等微量礦物的吸收。
鈣與疾病預防
攝取足夠鈣質可以「預防」骨質疏鬆症、直腸癌、降低男性前列腺癌的風險、維持血壓平衡。每天至少補充約800毫克的鈣質是最有效預防直腸癌的鈣攝取量,更年期婦女補充足夠的鈣質可以提高高密度脂蛋白(HDL)的濃度,這代表降低心血管疾病的風險與致命性。食用含鈣多的食物,會使燃脂效果更佳,達到減肥效果。但攝取過量的鈣也會引起骨質疏鬆。
骨骼中的軟組織(Soft tissue)含有鎂與蛋白質等,藉此賦予骨骼活動性以及抗脆性。實驗結果顯示補充鎂可改善停經婦女的骨質疏鬆的問題,可增加其骨質密度(Bone mineral density),並且降低骨折概率。補充鎂也會使副甲狀腺素(Parathyroid hormone,PTH)的濃度下降,推論鎂可以抑制骨質轉換,降低骨質流失而維持骨質健康。 但鎂與鈣互相拮抗,攝取過量的鈣會大幅降低鎂的吸收,故鈣只能預防。
鈣信號
植物細胞能夠探知病原體,從而激發一個讓植物對感染產生抵抗力的防衛系統。植物防衛通道中一個最早的步驟涉及胞質溶解鈣水平的增加。然而,信號導致有效植物免疫響應的機制尚不清楚。
參考文獻
- ↑ Krieck, Sven; Görls, Helmar; Westerhausen, Matthias. 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. 2010, 132 (35): 100818110534020. PMID 20718434. doi:10.1021/ja105534w.
- ↑ 柯清水 編著. 【新世紀化工化學辭典】 The new century dictionary of chemical engineering and chemistry. 第一版. 正文書局. 2000[民89]: p.355. ISBN 957-40-0253-5.
- ↑ Gropper SS, Groff JL, et al. (2005)Advanced Nutrition and Human Metabolism, 4th ed., pp. 380-392. Wardswirth, ISBN 978-0-534-55986-1
- ↑ WHO/FAO (2004) Vitamin and mineral requirements in human nutrition, 2nd ed, pp.59-93. WHO:Geneva.
- ↑ 行政院衛生署(2003)國人膳食營養素參考攝取量及其說明,修訂第六版,pp. 257-298。台灣行政院衛生署,ISBN 978-957-01-4677-6
- ↑ 中華人民共和國國家衛生健康委員會. 中国居民膳食营养素参考摄入量 第 2 部分:常量元素 (PDF).
- ↑ Institute of Medicine (1997) Dietary Reference Intakes for Calcium, Phosphorus, Magnesium, Vitamin D, and Fluoride. pp. 71-145. National Academy Press, ISBN 978-0-309-06403-3
- ↑ 存档副本. [2007-12-24].
- ↑ http://www.jtf.org.tw/educate/fitness/swimg/011_061.gif[永久失效連結]
- ↑ http://www.jtf.org.tw/educate/fitness/swimg/011_062.gif[永久失效連結]
- ↑ 存档副本. [2007-12-24].
- ↑ 含钙高的素食,素食哪些含钙高,含钙高的十大素食有哪些(一). WebMD. [2019-03-13] (簡體中文(中國大陸)).
- ↑ 含钙高的素食,素食哪些含钙高,含钙高的十大素食有哪些(二). WebMD. [2019-03-13] (簡體中文(中國大陸)).
- ↑ 我們要不要補鈣
外部連結
- 元素鈣在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹(英文)
- EnvironmentalChemistry.com —— 鈣(英文)
- 元素鈣在The Periodic Table of Videos(諾丁漢大學)的介紹(英文)
- 元素鈣在Peter van der Krogt elements site的介紹(英文)
- WebElements.com – 鈣(英文)