Calcio (elemento chimico)

Calcio
20 Ca                                                                                                                                                                                                                                                                                   potassio ← calcio → scandio
Aspetto
Bianco argenteo (calcio in atmosfera di argon)
Linea spettrale
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	calcio, Ca, 20
Serie	metalli alcalino terrosi
Gruppo, periodo, blocco	2 (IIA), 4, s
Densità	1 550 kg/m³
Durezza	1,75
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico	40,078 u
Raggio atomico (calc.)	180 (194) pm
Raggio covalente	174 pm
Configurazione elettronica	[Ar]4s2
e− per livello energetico	2, 8, 8, 2
Stati di ossidazione	2 (base forte)
Struttura cristallina	cubica a facce centrate
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido (paramagnetico)
Punto di fusione	1 115 K (842 °C)
Punto di ebollizione	1 757 K (1 484 °C)
Volume molare	26,20 × 10−6 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	153,6 kJ/mol
Calore di fusione	8,54 kJ/mol
Tensione di vapore	254 Pa a 1 112 K
Velocità del suono	3 810 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-70-2
Elettronegatività	1,00 (scala di Pauling)
Calore specifico	632 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	29,8 × 106 /(m·Ω)
Conducibilità termica	201 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	589,8 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 145,4 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	4 912,4 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 40Ca 96,941% Ca è stabile con 20 neutroni 41Ca sintetico 103 000 anni ε 0,421 41K 42Ca 0,647% Ca è stabile con 22 neutroni 43Ca 0,135% Ca è stabile con 23 neutroni 44Ca 2,086% Ca è stabile con 24 neutroni 46Ca 0,004% Ca è stabile con 26 neutroni 48Ca 0,187% 4,2 × 1019  anni ββ− 4,272 48Ti
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

Il calcio è l'elemento chimico di numero atomico 20. Il suo simbolo è Ca. Il calcio è un metallo alcalino terroso tenero, grigio, usato come agente riducente nell'estrazione mineraria di torio, uranio e zirconio. È il quinto elemento in ordine di abbondanza nella crosta terrestre ed è essenziale per tutta la vita sulla Terra.

Caratteristiche

Si ottiene per elettrolisi dal fluoruro di calcio, e brucia con fiamma giallo-arancione; se esposto all'aria si riveste di uno strato di ossido di calcio. Reagisce con l'acqua spostando l'idrogeno e formando idrossido di calcio.

Applicazioni

Alimentazione

Il calcio è un importante componente di una dieta equilibrata. Una mancanza di calcio rallenta la formazione e la crescita delle ossa e dei denti, e provoca il loro indebolimento: viceversa nelle persone con malattie renali, un eccesso di calcio nella dieta porta alla formazione di calcoli renali. Nel nostro organismo è presente circa un chilogrammo di calcio, di cui il 99% è fissato nelle ossa e il resto circola libero nel sangue.

La vitamina D è necessaria all'organismo per assorbire il calcio dagli alimenti.

La capacità di sviluppare tensione in base al numero di interazioni actina-miosina (detta contrattilità) del cuore dipende dalla concentrazione di ioni calcio Ca²⁺ nel sangue e nella fibra del miocardio.

Il carbonato di calcio in cristalli di forma romboedrale risulta particolarmente assimilabile dall'organismo e trovandosi in tale forma nei coralli, viene estratto dalle industrie per la produzione di integratori alimentari normalmente da giacimenti corallini di origine fossile.

Altri usi del calcio

• Agente riducente nell'estrazione mineraria di torio, uranio e zirconio.
• Come deossidante, desolforante o decarburante per varie leghe ferrose e non ferrose.
• Come agente legante nella produzione di molte leghe di alluminio, berillio, rame, piombo e magnesio.
• È un costituente del cemento e delle malte usate in edilizia.
• Come fertilizzante per alcuni tipi di piante, ad esempio i peperoncini della famiglia capsicum chinense

Storia

I primi utilizzi del calcio o suoi derivati si fanno risalire anche al 2500 a.C., quando in Mesopotamia era adoperato come calce per la lavorazione di alcune statuine raffiguranti divinità. Nonostante ciò, la calce era adoperata anche dalle comunità primitive. La calce (dal latino calx, calcis cioè calce) divenne poi largamente nota e usata dai Romani fin dal I secolo. Ad ogni modo, il calcio come elemento non fu scoperto fino al 1808. Dopo aver appreso che lo svedese Berzelius e Pontin avevano preparato amalgama di calcio elettrolizzando la calce nel mercurio, Humphry Davy fu in grado di isolare il metallo puro. La diffusione su vasta scala del calcio puro si è avuta soltanto a partire dalla prima metà del XX secolo.

Abbondanza

Il calcio è il quinto elemento per abbondanza nella crosta terrestre (di cui costituisce il 3%) ed è parte essenziale di foglie, ossa, denti e gusci di conchiglie. A causa della sua reattività chimica con l'acqua, il calcio puro non è reperibile in natura, tranne che in alcuni organismi viventi dove lo ione Ca²⁺ gioca un ruolo chiave nella fisiologia cellulare. Questo elemento metallico si trova in grandi quantità nel calcare, nel gesso e nella fluorite, tutte rocce di cui è un componente fondamentale. L'apatite è fluorofosfato o clorofosfato di calcio. L'elettrolisi del cloruro di calcio fuso (CaCl₂) può essere usata per ottenere calcio puro metallico secondo le seguenti reazioni:

catodo: Ca²⁺ + 2e⁻ → Ca

anodo: Cl⁻ → ½ Cl₂ (gas) + e⁻

Composti

L'ossido di calcio (CaO), chiamato anche calce viva, si usa in molti processi di raffinamento chimico e si ottiene cuocendo in forno il calcare. Il calore dissocia il carbonato di calcio che costituisce il calcare (CaCO₃) in ossido di calcio (CaO) e anidride carbonica (CO₂).

L'ossido di calcio ha molteplici usi, sia tal quale in processi di raffinamento chimico (ad esempio nella produzione dell'acciaio, nella estrazione di oro e nickel dal minerale) o nelle costruzioni stradali e ferroviarie per la stabilizzazione di terreni, sia trasformato in idrossido di calcio (Ca(OH)₂, noto anche come "calce idrata"), aggiungendo acqua all'ossido di calcio. La calce idrata può avere sia un utilizzo chimico, ad esempio negli impianti di trattamento delle acque reflue, sia un uso in edilizia come intonaco, solitamente mescolata con sabbia e in alcuni casi anche cemento (malte secche o premiscelati per edilizia).

Quando l'acqua scorre attraverso rocce calcaree o altre rocce carbonatiche, ne scioglie una piccola parte e crea caverne e caratteristiche strutture, le stalattiti e le stalagmiti. Uscendo da queste caverne, l'acqua è satura di carbonati e per questo è detta dura.
Altri importanti composti del calcio sono nitrato di calcio, solfato di calcio, cloruro di calcio, carburo di calcio, cianammide di calcio e ipoclorito di calcio. Altri composti:

• idrogenofosfato di calcio
• tioglicolato di calcio triidrato

Isotopi

Il calcio ha sei isotopi stabili, di cui due reperibili in natura: il ⁴⁰Ca (97%, stabile) e il ⁴¹Ca (3%, radioattivo con emivita di 103 000 anni). Il ⁴⁰Ca, insieme con ⁴⁰Ar, è uno dei prodotti del decadimento del ⁴⁰K. Mentre la datazione K-Ar si usa frequentemente in geologia, la grande abbondanza di Ca impedisce di usare il ⁴⁰Ca per la datazione delle rocce; tuttavia sono state sviluppate tecniche di datazione K-Ca basate su spettrometri di massa in grado di risolvere il doppio picco di diluizione isotopica. Diversamente dagli altri isotopi cosmogenici prodotti nell'alta atmosfera, il ⁴¹Ca è prodotto per attivazione neutronica del ⁴⁰Ca: la maggior parte della produzione di ⁴¹Ca avviene nel primo metro di spessore del suolo, dove il flusso di neutroni cosmici è ancora abbastanza intenso. Il ⁴¹Ca è stato attentamente studiato in astrofisica, perché decade in ⁴¹K, un importante indicatore di anomalie del sistema solare.

Ruolo del calcio negli organismi biologici

Il calcio viene assunto principalmente con la dieta, ma solo in parte viene assorbito dall'intestino (circa il 30%) mentre il resto viene eliminato con le feci. Un importante ruolo svolge il PTH (paratormone) che a livello dei tubuli renali permette il riassorbimento degli ioni Ca e a livello osseo favorisce il rilascio di Ca da parte degli osteoclasti, inoltre favorisce la attivazione della Vitamina D che permette un maggiore assorbimento a livello intestinale. L'enzima fosfatasi è una glicoproteina che idrolizza monoesteri fosforici. Si trova negli osteoblasti ed è necessaria per la mineralizzazione del calcio, che per il tramite della fosfatasi si lega all'osteocalcina, la principale proteina del tessuto osseo, prodotta dagli osteoblasti. In caso di osteoporosi si verifica un eccesso di rilascio di calcio dallo scheletro per effetto degli osteoclasti rispetto a quello depositato nel tessuto osseo neoformato dagli osteoblasti, spesso associandosi anche un insufficiente assorbimento intestinale del calcio. Nelle piante regola la chiusura degli stomi agendo sui canali del K. Il calcio è il quarto fattore di coagulazione del sangue.

Regolazione dei livelli intracellulari di calcio

L'azione di alcuni farmaci e di numerosi eventi fisiologici (rilascio del neurotrasmettitore nelle sinapsi; contrazione muscolare, ecc.) si sviluppa attraverso la modificazione diretta o indiretta delle concentrazioni intracellulari del calcio (Ca²⁺). In una cellula quiescente, la maggior parte di Ca²⁺ si trova sequestrata negli organelli, principalmente nel reticolo endoplasmatico e nei mitocondri, e il calcio intracellulare viene mantenuto a concentrazioni molto basse, circa 10⁻⁷ mol/l. La concentrazione di Ca²⁺ extracellulare è circa 2,4 mmol/l. Questa diversità di concentrazioni crea un forte gradiente che favorisce l'ingresso di Ca²⁺ nelle cellule. La concentrazione di calcio intracellulare viene mantenuta bassa dall'attività di meccanismi di trasporto attivo che estrudono Ca²⁺ attraverso la membrana cellulare, e lo pompano nel reticolo endoplasmatico, e dalla permeabilità normalmente bassa al Ca²⁺ della membrana plasmatica e dell'ER. La regolazione di calcio intracellulare coinvolge tre meccanismi principali:

• controllo dell'ingresso di Ca²⁺
• controllo dell'estrusione di Ca²⁺
• scambio di Ca²⁺ tra il citosol e i siti di accumulo intracellulare

Siccome quantità eccessive di calcio intracellulare attivano una cascata enzimatica che distrugge il citoscheletro portando alla morte della cellula, concentrazioni elevate di calcio sono subito tamponate dalla cellula mediante la sintesi di sostanze chelanti (come l'EDTA).

Meccanismi che regolano l'ingresso del calcio

Ci sono tre principali vie utilizzate dal Ca²⁺ per entrare nelle cellule attraverso la membrana plasmatica:

• canali del calcio voltaggio-dipendenti
• canali del calcio operati da ligandi
• canali del calcio operati dal calcio accumulato (SOC)

Canali del calcio attivati dal voltaggio

I canali del calcio voltaggio-attivati consentono l'ingresso di una notevole quantità di Ca²⁺ nelle cellule in seguito a depolarizzazione della membrana. Questi canali voltaggio-attivati sono altamente selettivi per Ca²⁺ e non permettono il passaggio di Na⁺ o K⁺; nelle cellule eccitabili sono anche ubiquitari e permettono a Ca²⁺ di entrare nella cellula quando questa viene depolarizzata come nel caso del potenziale d'azione. Tra i canali al Ca voltaggio dipendenti si individuano i canali LVA (low voltage activate) che si attivano a voltaggi negativi (intorno a −50 mV) e danno origine a una corrente transiente di bassa intensità, venendo perciò definiti canali al calcio di tipo T: "dall'inglese Tiny and Transient". Sono presenti altri canali voltaggio dipendenti, i quali si attivano a potenziali più positivi (da −30 mV a valori più positivi) e vengono perciò definiti HVA (high voltage activate). Questi ultimi danno origine a correnti ampie e durevoli qualche centinaio di millisecondi, venendo anche denominati canali al Ca di tipo L "large and long".

A parte un gruppo storico di "calcio-antagonisti" (verapamil, diltiazem), sono pochi i farmaci utilizzati a livello clinico in grado di influenzare direttamente questi canali; molti farmaci agiscono indirettamente su di essi mediante l'interazione di invece altri canali sempre al calcio che si attivano a potenziali più positivi (da −30 mV in su) e recettori accoppiati a proteine G.

Canali attivati da ligandi

La maggior parte di canali cationici attivati da ligandi e sensibili a neurotrasmettitori eccitatori è relativamente non selettiva permettendo il passaggio sia di Ca²⁺ sia di altri cationi. Il più importante tra questi è il recettore del glutammato del tipo N-metil-D-aspartato (NMDA) il cui canale è particolarmente permeabile a Ca²⁺ e rappresenta il meccanismo più importante per la captazione di Ca²⁺ da parte dei neuroni postsinaptici nel sistema nervoso centrale. L'attivazione di questo recettore può causare un tale e rapido ingresso di Ca²⁺ da portare le cellule alla morte, principalmente mediante l'attivazione di proteasi calcio-dipendenti, ma anche attraverso l'attivazione dell'apoptosi. Questo meccanismo, definito eccitotossicità, è probabilmente coinvolto in varie malattie neurodegenerative.

Canali del calcio regolati dall'accumulo

I SOC sono canali della membrana cellulare, che si aprono permettendo l'ingresso di Ca²⁺ quando i depositi di Ca²⁺ di ER sono stati depletati. Analogamente ai canali di ER e SR, questi canali possono amplificare l'aumento citosolico di Ca²⁺, che deriva inizialmente dal rilascio dai depositi.

Meccanismi di estrusione del calcio

L'estrusione del calcio attraverso la membrana plasmatica o il suo accumulo nel reticolo endoplasmatico è mediata da trasporto attivo e dipende dall'attività di una ATPasi Ca²⁺-dipendente simile alla Na⁺-K⁺ ATPasi che pompa Na⁺ fuori dalla cellula scambiandolo con K⁺

Il calcio viene estruso dalla cellula anche attraverso lo scambio con Na⁺ attraverso lo scambio Na⁺ − Ca²⁺. Lo scambiatore trasferisce 3 Na⁺ verso l'interno per un Ca²⁺ che esce, e quindi produce una netta corrente iperpolarizzante quando Ca²⁺ viene estruso.

Meccanismi di rilascio del calcio

Esistono due principali tipi di canali del calcio nelle membrane dell'ER e dell'SR, che svolgono un ruolo importante nel controllo del rilascio di Ca²⁺ da questi siti di accumulo.

• Il recettore dell'inositolo trifosfato (IP₃R). Questo recettore viene attivato da IP₃, un secondo messaggero prodotto dall'interazione di vari ligandi con i loro recettori specifici accoppiati a proteine G. IP₃R costituisce il principale meccanismo attraverso cui i recettori accoppiati a proteine G producono l'aumento di calcio intracellulare.
• Il recettore della rianodina (RyR) ricopre un ruolo particolarmente importante nel muscolo scheletrico, dove i RyR del reticolo sarcoplasmatico sono accoppiati ai recettori delle diidropiridine localizzate nei tubuli a T. Questo accoppiamento determina un rilascio di Ca²⁺ in seguito al potenziale d'azione della fibra muscolare.

Sia i IP₃R sia i RyR sono sensibili al Ca²⁺ e si aprono più velocemente all'aumentare del calcio intracellulare. Questo fenomeno suggerisce che il rilascio di Ca²⁺ tende a essere un fenomeno rigenerativo, poiché un iniziale aumento di Ca²⁺ promuove il rilascio di un altro Ca²⁺ da SR.

La sensibilità dei RyR a Ca²⁺ viene aumentata dalla caffeina.

Precauzioni

Simboli di rischio chimico
pericolo
frasi H	261 - EUH014
frasi R	R 15
consigli P	223 - 232 - 501 - 402+404
frasi S	S 2-8-24/25-43
Le sostanze chimiche vanno manipolate con cautela
Avvertenze

Il calcio in polvere risulta essere infiammabile.

Un'assunzione quantitativa molto elevata di sali di calcio può provocare ipercalcemia e/o ipercalciuria. L'ipercalcemia (eccesso di calcio nel sangue) può provocare disturbi del ritmo cardiaco e sintomi neurologici. L'ipercalciuria (eccesso di calcio nelle urine) può causare precipitazione di sali di calcio (ossalato o fosfato di calcio) nel parenchima renale o formazione di calcoli nelle vie escretrici. Da ciò la possibilità di insufficienza renale e/o di coliche renali.

Bibliografia

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998.

Voci correlate

• Calcemia
• Calciuria
• Levulinato di calcio

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• (EN) Calcio su WebElements.com.
• (EN) Calcio su EnvironmentalChemistry.com.

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