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Calcio

El calcio es un elemento químico ; su símbolo es Ca y su número atómico es 20. Como metal alcalinotérreo , el calcio es un metal reactivo que forma una capa oscura de óxido-nitr...

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El calcio es un elemento químico ; su símbolo es Ca y su número atómico es 20. Como metal alcalinotérreo , el calcio es un metal reactivo que forma una capa oscura de óxido-nitruro al exponerse al aire. Sus propiedades físicas y químicas son muy similares a las de sus homólogos más pesados, el estroncio y el bario . Es el quinto elemento más abundante en la corteza terrestre y el tercer metal más abundante, después del hierro y el aluminio . El compuesto de calcio más común en la Tierra es el carbonato de calcio , que se encuentra en la piedra caliza y en los fósiles de la vida marina primitiva; el yeso , la anhidrita , la fluorita y la apatita también son fuentes de calcio. El nombre proviene de la palabra latina calx (que significa " cal "), la cual se obtenía al calentar la piedra caliza.

Algunos compuestos de calcio eran conocidos por los antiguos, aunque su química permaneció desconocida hasta el siglo XVII. El calcio puro fue aislado en 1808 mediante electrólisis de su óxido por Humphry Davy , quien le dio nombre al elemento. Los compuestos de calcio se utilizan ampliamente en diversas industrias: en alimentos y productos farmacéuticos para la suplementación con calcio , en la industria papelera como blanqueadores, como componentes en cemento y aislantes eléctricos, y en la fabricación de jabones. Por otro lado, el metal en estado puro tiene pocas aplicaciones debido a su alta reactividad; sin embargo, en pequeñas cantidades se utiliza frecuentemente como componente de aleación en la siderurgia y, en ocasiones, como aleación de calcio y plomo, en la fabricación de baterías para automóviles.

El calcio es el metal más abundante y el quinto elemento más abundante en el cuerpo humano . [ 8 ] Como electrolitos , los iones de calcio (Ca 2+ ) desempeñan un papel vital en los procesos fisiológicos y bioquímicos de los organismos y las células : en las vías de transducción de señales donde actúan como segundos mensajeros ; en la liberación de neurotransmisores de las neuronas ; en la contracción de todos los tipos de células musculares ; como cofactores en muchas enzimas ; y en la fertilización . [ 8 ] Los iones de calcio fuera de las células son importantes para mantener la diferencia de potencial a través de las membranas celulares excitables , la síntesis de proteínas y la formación ósea. [ 8 ] [ 9 ]

Características

Clasificación

Cristales de calcio almacenados en aceite mineral

El calcio es un metal plateado muy dúctil (a veces descrito como amarillo pálido) cuyas propiedades son muy similares a las de los elementos más pesados ​​de su grupo: estroncio , bario y radio . Un átomo de calcio tiene 20 electrones, con configuración electrónica [Ar]4s² . Al igual que los demás elementos del grupo 2 de la tabla periódica, el calcio tiene dos electrones de valencia en el orbital s más externo, que se pierden muy fácilmente en reacciones químicas para formar un ion dipositivo con la configuración electrónica estable de un gas noble , en este caso argón . [ 10 ]

Por lo tanto, el calcio es casi siempre divalente en sus compuestos, que suelen ser iónicos . Las hipotéticas sales monovalentes de calcio serían estables con respecto a sus elementos, pero no frente a la desproporción a las sales divalentes y al calcio metálico, porque la entalpía de formación de MX₂ es mucho mayor que la de las hipotéticas MX. Esto se debe a la energía reticular mucho mayor que proporciona el catión Ca²⁺, con mayor carga, en comparación con el hipotético catión Ca⁺ . [ 10 ]

El calcio, el estroncio , el bario y el radio siempre se consideran metales alcalinotérreos ; el berilio y el magnesio , más ligeros y también pertenecientes al grupo 2 de la tabla periódica, suelen incluirse también. Sin embargo, el berilio y el magnesio difieren significativamente de los demás miembros del grupo en su comportamiento físico y químico: se comportan más como el aluminio y el zinc, respectivamente, y presentan algunas de las características metálicas más débiles de los metales de postransición , razón por la cual la definición tradicional del término "metal alcalinotérreo" los excluye. [ 11 ]

Propiedades físicas

El calcio metálico se funde a 842  °C y hierve a 1494  °C; estos valores son superiores a los del magnesio y el estroncio, metales vecinos del grupo 2. Cristaliza en la estructura cúbica centrada en las caras , al igual que el estroncio y el bario; por encima de 443 °C (716 K) , cambia a una estructura cúbica centrada en el cuerpo . [ 4 ] [ 12 ] Su densidad de 1,526 g/cm³ ( a 20 °C) [ 4 ] es la más baja de su grupo. [ 10 ]    

El calcio es más duro que el plomo , pero se puede cortar con un cuchillo con esfuerzo. Si bien el calcio es un conductor de electricidad peor que el cobre o el aluminio en volumen, es un mejor conductor que ambos en masa debido a su muy baja densidad. [ 13 ] Aunque el calcio no es viable como conductor para la mayoría de las aplicaciones terrestres, ya que reacciona rápidamente con el oxígeno atmosférico, se ha considerado su uso como tal en el espacio. [ 13 ]

Propiedades químicas

Estructura del centro polimérico [Ca(H 2 O) 6 ] 2+ en cloruro de calcio hidratado, que ilustra el alto número de coordinación típico de los complejos de calcio.

La química del calcio es la de un metal alcalinotérreo pesado típico. Por ejemplo, el calcio reacciona espontáneamente con el agua más rápidamente que el magnesio, pero menos rápidamente que el estroncio, para producir hidróxido de calcio e hidrógeno gaseoso. También reacciona con el oxígeno y el nitrógeno del aire para formar una mezcla de óxido de calcio y nitruro de calcio . [ 14 ] Cuando está finamente dividido, arde espontáneamente en el aire para producir el nitruro. El calcio a granel es menos reactivo: forma rápidamente una capa de hidratación en aire húmedo, pero por debajo del 30 % de humedad relativa puede almacenarse indefinidamente a temperatura ambiente. [ 15 ]

Además del óxido simple CaO, el peróxido de calcio , CaO₂ , puede formarse por oxidación directa del calcio metálico bajo alta presión de oxígeno, y existe cierta evidencia de un superóxido amarillo Ca(O₂ ) ₂ . [ 16 ] El hidróxido de calcio, Ca(OH) ₂ , es una base fuerte, aunque no tan fuerte como los hidróxidos de estroncio, bario o los metales alcalinos. [ 17 ] Se conocen los cuatro dihaluros de calcio. [ 18 ] El carbonato de calcio (CaCO₃ ) y el sulfato de calcio (CaSO₄ ) son minerales particularmente abundantes. [ 19 ] Al igual que el estroncio y el bario, así como los metales alcalinos y los lantánidos divalentes europio e iterbio , el calcio metálico se disuelve directamente en amoníaco líquido para dar una solución azul oscuro. [ 20 ]

Debido al gran tamaño del ion calcio (Ca²⁺ ) , son comunes los números de coordinación altos, hasta 24 en algunos compuestos intermetálicos como CaZn₁₃ . [ 21 ] El calcio se compleja fácilmente con quelatos de oxígeno como EDTA y polifosfatos , que son útiles en química analítica y para eliminar iones calcio del agua dura . En ausencia de impedimento estérico , los cationes más pequeños del grupo 2 tienden a formar complejos más fuertes, pero cuando intervienen macrociclos polidentados grandes, la tendencia se invierte. [ 19 ]

compuestos organocálcicos

A diferencia de los compuestos organomagnésicos , los compuestos organocálcicos no son igualmente útiles, con una importante excepción: el carburo de calcio , CaC₂ . Este material, de gran importancia histórica, se prepara calentando óxido de calcio con carbono. Según la cristalografía de rayos X , el carburo de calcio puede describirse como un derivado de acetiluro, Ca²⁺ , aunque no es una sal. Anualmente se producen varios millones de toneladas de carburo de calcio. La hidrólisis produce acetileno , que se utiliza en soldadura y como precursor químico. La reacción con nitrógeno gaseoso convierte el carburo de calcio en cianamida de calcio . [ 22 ]

Un tema dominante en la química molecular de organocalcio es el gran radio del calcio, que a menudo conduce a altos números de coordinación . Por ejemplo, el dimetilcalcio parece ser un polímero tridimensional, [ 23 ] mientras que el dimetilmagnesio es un polímero lineal con centros tetraédricos de Mg. A menudo se requieren ligandos voluminosos para desfavorecer las especies poliméricas. Por ejemplo, el diciclopentadienilo de calcio , Ca(C5H5 ) 2 tiene una estructura polimérica y , por lo tanto , es no volátil e insoluble en disolventes. Reemplazar el ligando C5H5 con el más voluminoso C5 (CH3 ) 5 ( pentametilciclopentadienilo ) da un complejo soluble que se sublima y forma aductos bien definidos con éteres. [ 19 ] Los compuestos de organocalcio tienden a ser más similares a los compuestos de organoiterbio debido a los radios iónicos similares de Yb2 + (102 pm) y Ca2 + (100 pm). [ 24 ]  

Los compuestos organocálcicos han sido ampliamente investigados. Algunos de estos complejos exhiben propiedades catalíticas, [ 25 ] aunque ninguno ha sido comercializado.

isótopos

El calcio natural es una mezcla de cinco isótopos estables —⁴⁰Ca , ⁴²Ca , ⁴³Ca , ⁴⁴Ca y ⁴⁶Ca— y ⁴⁸Ca , cuya vida media de 4,3 × 10¹⁹ años es tan larga que puede considerarse estable a efectos prácticos. El calcio es el primer elemento (el más ligero) que tiene seis isótopos naturales. [ 14 ]   

El isótopo más común es, con diferencia, el 40Ca , que constituye el 96,941% del calcio natural. Se produce en el proceso de combustión del silicio mediante la fusión de partículas alfa y es el nucleido estable más pesado con igual número de protones y neutrones; su presencia también se ve incrementada lentamente por la desintegración del 40K primordial . La adición de otra partícula alfa da lugar al 44Ti inestable , que se desintegra mediante dos capturas electrónicas sucesivas hasta el 44Ca estable ; este constituye el 2,806% del calcio natural y es el segundo isótopo más común. [ 26 ] [ 27 ]

Los otros cuatro isótopos naturales, 42, 43, 46 y 48 Ca, son significativamente más raros, cada uno de los cuales comprende menos del 1% del calcio natural. Los cuatro isótopos más ligeros son principalmente productos de la combustión de oxígeno y silicio, mientras que los dos más pesados ​​se producen mediante captura de neutrones . El 46 Ca se produce principalmente en un proceso s "caliente" , ya que su formación requiere un flujo de neutrones bastante alto para permitir que el 45 Ca , de corta vida, capture un neutrón. El 48 Ca se produce por captura de electrones en el proceso r en supernovas de tipo Ia , donde un alto exceso de neutrones y una entropía suficientemente baja aseguran su supervivencia. [ 26 ] [ 27 ]

El 46Ca y el 48Ca son los primeros nucleidos "clásicamente estables" con un exceso de 6 u 8 neutrones, respectivamente. Aunque extremadamente rico en neutrones para un elemento tan ligero, el 48Ca es muy estable porque es un núcleo doblemente mágico , con 20 protones y 28 neutrones dispuestos en capas cerradas. Su desintegración beta a 48Sc se ve muy obstaculizada por la gran diferencia de espín nuclear : el 48Ca tiene espín nuclear cero, siendo par-par , mientras que el 48Sc tiene espín 6+, por lo que la desintegración está prohibida por la conservación del momento angular . Si bien dos estados excitados del 48Sc también están disponibles para la desintegración, también están prohibidos debido a sus altos espines. Como resultado, cuando el 48Ca se desintegra, lo hace mediante una doble desintegración beta a 48Ti , siendo el nucleido más ligero conocido que experimenta una doble desintegración beta . [ 28 ] [ 29 ]

El 46Ca también puede, en teoría, desintegrarse en doble beta para formar 46Ti , pero esto nunca se ha observado. El isótopo más común, el 40Ca , también es doblemente mágico y podría experimentar una doble captura electrónica para formar 40Ar , pero esto tampoco se ha observado. El calcio es el único elemento con dos isótopos primordiales doblemente mágicos. Los límites inferiores experimentales para las vidas medias del 40Ca y el 46Ca son 5,9 × 10²¹ años y 2,8 × 10¹⁵ años , respectivamente. [ 28 ]    

Excluyendo el 48Ca , el radioisótopo de calcio de mayor duración es el 41Ca . Se desintegra por captura electrónica a 41K estable con una vida media de aproximadamente 10⁵ años . Su existencia en el Sistema Solar primitivo como radionúclido extinto se ha inferido a partir de excesos de 41K . También existen trazas de 41Ca en la actualidad, ya que es un nucleido cosmogénico , producido continuamente mediante la activación neutrónica del 40Ca natural . [ 27 ]

Se conocen muchos otros radioisótopos de calcio, desde el 35Ca hasta el 60Ca . Todos ellos tienen una vida media mucho más corta que el 41Ca ; los más estables son el 45Ca (vida media de 163 días) y el 47Ca (vida media de 4,54 días). Los isótopos más ligeros que el 42Ca suelen sufrir desintegración beta positiva a isótopos de potasio, y los más pesados ​​que el 44Ca suelen sufrir desintegración beta negativa a escandio ; aunque cerca de las líneas de goteo nuclear , la emisión de protones y la emisión de neutrones también comienzan a ser modos de desintegración significativos. [ 28 ]

Al igual que otros elementos, diversos procesos alteran la abundancia relativa de los isótopos de calcio. [ 30 ] El proceso mejor estudiado es el fraccionamiento dependiente de la masa de los isótopos de calcio que acompaña a la precipitación de minerales de calcio como la calcita , la aragonita y la apatita a partir de una solución. Los isótopos más ligeros se incorporan preferentemente a estos minerales, dejando la solución circundante enriquecida en isótopos más pesados ​​en una magnitud de aproximadamente 0,025 % por unidad de masa atómica (uma) a temperatura ambiente. Las diferencias dependientes de la masa en la composición isotópica del calcio se expresan convencionalmente mediante la relación de dos isótopos (generalmente 44 Ca/ 40 Ca) en una muestra en comparación con la misma relación en un material de referencia estándar. La relación 44 Ca/ 40 Ca varía en aproximadamente 1–2‰ entre los organismos de la Tierra. [ 31 ]

Historia

Una de las estatuas de 'Ain Ghazal , hecha de yeso de cal.

Los compuestos de calcio se conocían desde hacía milenios, aunque su composición química no se comprendió hasta el siglo XVII. [ 32 ] La cal como material de construcción [ 33 ] y como yeso para estatuas se utilizaba ya en torno al 7000  a. C. [ 34 ] El primer horno de cal datado data del 2500  a. C. y se encontró en Khafajah , Mesopotamia . [ 35 ] [ 36 ]

Casi al mismo tiempo, se utilizaba yeso deshidratado (CaSO₄ · 2H₂O ) en la Gran Pirámide de Giza . Este material se usaría más tarde para el enlucido de la tumba de Tutankamón . Los antiguos romanos, en cambio, utilizaban morteros de cal elaborados calentando piedra caliza (CaCO₃ ) . El nombre «calcio» deriva de la palabra latina calx, que significa «cal». [ 32 ]

Vitruvio observó que la cal resultante era más ligera que la piedra caliza original, atribuyendo esto a la ebullición del agua. En 1755, Joseph Black demostró que esto se debía a la pérdida de dióxido de carbono , gas que los antiguos romanos no habían reconocido. [ 37 ]

En 1789, Antoine Lavoisier sospechaba que la cal podría ser un óxido de algún elemento. En su tabla periódica, Lavoisier enumeró cinco "tierras salificables" (es decir, minerales que podían reaccionar con ácidos para producir sales ( salis = sal, en latín): chaux (óxido de calcio), magnésie (magnesia, óxido de magnesio), baryte (sulfato de bario), alumine (alúmina, óxido de aluminio) y silice (sílice, dióxido de silicio)). Sobre estos "elementos", Lavoisier razonó:

Probablemente solo conocemos una parte de las sustancias metálicas existentes en la naturaleza, ya que todas aquellas que tienen mayor afinidad por el oxígeno que el carbono son incapaces, hasta ahora, de reducirse a un estado metálico y, por consiguiente, al presentarse únicamente en forma de óxidos, se confunden con las tierras. Es sumamente probable que la barita, que acabamos de clasificar junto con las tierras, se encuentre en esta situación, pues en numerosos experimentos exhibe propiedades muy similares a las de los metales. Incluso es posible que todas las sustancias que denominamos tierras sean en realidad óxidos metálicos, irreductibles mediante cualquier proceso conocido hasta la fecha. [ 38 ]

El calcio, junto con sus congéneres magnesio, estroncio y bario, fue aislado por primera vez por Humphry Davy en 1808. Siguiendo el trabajo de Jöns Jakob Berzelius y Magnus Martin de Pontin sobre electrólisis , Davy aisló el calcio y el magnesio colocando una mezcla de los óxidos metálicos respectivos con óxido de mercurio(II) sobre una placa de platino que se usó como ánodo, siendo el cátodo un alambre de platino parcialmente sumergido en mercurio. La electrólisis produjo amalgamas de calcio-mercurio y magnesio-mercurio, y la destilación del mercurio dio como resultado el metal. [ 32 ] [ 39 ] Sin embargo, el calcio puro no se puede preparar en grandes cantidades mediante este método y no se encontró un proceso comercial viable para su producción hasta más de un siglo después. [ 37 ]

Ocurrencia y producción

Terrazas de travertino en Pamukkale , Turquía

Con un 3%, el calcio es el quinto elemento más abundante en la corteza terrestre y el tercer metal más abundante después del aluminio y el hierro . [ 40 ] También es el cuarto elemento más abundante en las tierras altas lunares . [ 15 ] Los depósitos sedimentarios de carbonato de calcio impregnan la superficie terrestre como restos fosilizados de vida marina pasada; se presentan en dos formas, la calcita romboédrica (más común) y la aragonita ortorrómbica (que se forma en mares más templados). Los minerales del primer tipo incluyen piedra caliza , dolomita , mármol , tiza y espato de Islandia ; los lechos de aragonita forman las Bahamas , los Cayos de Florida y las cuencas del Mar Rojo . Los corales , las conchas marinas y las perlas están compuestos principalmente de carbonato de calcio. Entre los otros minerales importantes de calcio se encuentran el yeso (CaSO 4 ·2H 2 O), la anhidrita (CaSO 4 ), la fluorita (CaF 2 ) y la apatita ([Ca 5 (PO 4 ) 3 X], X = OH, Cl o F) [ 32 ]

Los principales productores de calcio son China (entre 10 000 y 12 000 toneladas anuales), Rusia (entre 6 000 y 8 000 toneladas anuales) y Estados Unidos (entre 2 000 y 4 000 toneladas anuales). Canadá y Francia se encuentran entre los productores menores. En 2005, se produjeron aproximadamente 24 000 toneladas de calcio; Estados Unidos utiliza cerca de la mitad del calcio extraído en el mundo, con un consumo anual de aproximadamente el 80 % de la producción. [ 13 ]

En Rusia y China, el método de electrólisis de Davy todavía se utiliza, pero se aplica al cloruro de calcio fundido . [ 13 ] Dado que el calcio es menos reactivo que el estroncio o el bario, el recubrimiento de óxido-nitruro que se forma en el aire es estable y el mecanizado en torno y otras técnicas metalúrgicas estándar son adecuadas para el calcio. [ 41 ]

En Estados Unidos y Canadá, el calcio se produce reduciendo la cal con aluminio a altas temperaturas. [ 13 ] En este proceso, se mezclan cal con alto contenido de calcio en polvo y aluminio en polvo, y se compactan en briquetas para lograr un alto grado de contacto. Estas briquetas se colocan en una retorta sellada , previamente evacuada y calentada a aproximadamente 1200 °C. [ 13 ] Las briquetas liberan vapor de calcio al vacío durante unas 8 horas, el cual se condensa en los extremos enfriados de las retortas para formar piezas de calcio metálico de 24 a 34 kg, además de algunos residuos de aluminato de calcio . [ 13 ] El calcio de alta pureza se puede obtener destilando calcio de baja pureza a altas temperaturas. [ 13 ]

Ciclo geoquímico

El ciclo del calcio establece un vínculo entre la tectónica , el clima y el ciclo del carbono . En términos sencillos, la formación de montañas expone rocas ricas en calcio, como el basalto y la granodiorita , a la meteorización química y libera iones Ca²⁺ en las aguas superficiales. Estos iones se transportan al océano, donde reaccionan con el CO₂ disuelto para formar caliza (CaCO₃ ) , que a su vez se deposita en el fondo marino y se incorpora a nuevas rocas. El CO₂ disuelto , junto con los iones carbonato y bicarbonato , se denomina " carbono inorgánico disuelto " (CID). [ 42 ]

La reacción real es más complicada e involucra al ion bicarbonato (HCO − 3 ) que se forma cuando el CO 2 reacciona con el agua al pH del agua de mar :

Ca 2+ + 2 HCO − 3 → CaCO 3 ↓ + CO 2 + H 2 O

Al pH del agua de mar , la mayor parte del CO₂ disuelto se convierte inmediatamente de nuevo en HCO₃⁻ . La reacción produce un transporte neto de una molécula de CO₂ desde el océano/atmósfera hacia la litosfera . [ 43 ] El resultado es que cada ion Ca²⁺ liberado por la meteorización química elimina finalmente una molécula de CO₂ del sistema superficial (atmósfera, océano, suelo y organismos vivos), almacenándola en rocas carbonatadas donde probablemente permanezca durante cientos de millones de años. La meteorización del calcio de las rocas, por lo tanto, elimina el CO₂ del océano y del aire, ejerciendo un fuerte efecto a largo plazo sobre el clima. [ 42 ] [ 44 ]

Aplicaciones

El principal uso del calcio metálico se da en la siderurgia , debido a su fuerte afinidad química por los calcógenos oxígeno y azufre . Sus óxidos y sulfuros, una vez formados, generan inclusiones de aluminato de cal líquida y sulfuro en el acero, las cuales flotan; tras el tratamiento, estas inclusiones se dispersan por todo el acero y se vuelven pequeñas y esféricas, mejorando la colabilidad, la limpieza y las propiedades mecánicas generales. El calcio también se utiliza en baterías de automóviles sin mantenimiento , donde el uso de aleaciones de plomo-calcio al 0,1 % en lugar de las habituales aleaciones de plomo- antimonio produce una menor pérdida de agua y una menor autodescarga. [ 45 ]

Debido al riesgo de expansión y agrietamiento, a veces también se incorpora aluminio a estas aleaciones. Estas aleaciones de plomo-calcio también se utilizan en la fundición, reemplazando a las aleaciones de plomo-antimonio. [ 45 ] El calcio también se utiliza para fortalecer las aleaciones de aluminio utilizadas en cojinetes, para el control del carbono grafítico en el hierro fundido y para eliminar las impurezas de bismuto del plomo. [ 41 ] El calcio metálico se encuentra en algunos limpiadores de desagües, donde funciona para generar calor e hidróxido de calcio que saponifica las grasas y licúa las proteínas (por ejemplo, las del cabello) que obstruyen los desagües. [ 46 ]

Además de en metalurgia, la reactividad del calcio se aprovecha para eliminar el nitrógeno del gas argón de alta pureza y como captador de oxígeno y nitrógeno. También se utiliza como agente reductor en la producción de cromo , circonio , torio , vanadio y uranio . Asimismo, puede utilizarse para almacenar hidrógeno gaseoso, ya que reacciona con él para formar hidruro de calcio sólido , del cual se puede extraer fácilmente el hidrógeno. [ 41 ]

El fraccionamiento de isótopos de calcio durante la formación de minerales ha dado lugar a diversas aplicaciones de los isótopos de calcio. En particular, la observación realizada en 1997 por Skulan y DePaolo [ 47 ] de que los minerales de calcio son isotópicamente más ligeros que las soluciones de las que precipitan constituye la base de aplicaciones análogas en medicina y paleoceanografía. En animales con esqueletos mineralizados con calcio, la composición isotópica del calcio en los tejidos blandos refleja la tasa relativa de formación y disolución del mineral esquelético. [ 48 ]

En humanos, se ha demostrado que los cambios en la composición isotópica del calcio en la orina están relacionados con cambios en el equilibrio mineral óseo. Cuando la tasa de formación ósea supera la tasa de resorción ósea, la proporción 44Ca / 40Ca en los tejidos blandos aumenta, y viceversa. Debido a esta relación, las mediciones isotópicas de calcio en orina o sangre pueden ser útiles para la detección temprana de enfermedades metabólicas óseas como la osteoporosis . [ 48 ]

Un sistema similar existe en el agua de mar, donde la relación 44Ca / 40Ca tiende a aumentar cuando la tasa de eliminación de Ca²⁺ por precipitación mineral supera el aporte de nuevo calcio al océano. En 1997, Skulan y DePaolo presentaron la primera evidencia de cambios en la relación 44Ca / 40Ca del agua de mar a lo largo del tiempo geológico, junto con una explicación teórica de estos cambios. Trabajos más recientes han confirmado esta observación, demostrando que la concentración de Ca²⁺ en el agua de mar no es constante y que el océano nunca se encuentra en un estado estacionario con respecto al aporte y la salida de calcio. Esto tiene importantes implicaciones climatológicas, ya que el ciclo del calcio marino está estrechamente ligado al ciclo del carbono . [ 49 ] [ 50 ]

Muchos compuestos de calcio se utilizan en alimentos, productos farmacéuticos y medicamentos, entre otros. Por ejemplo, el calcio y el fósforo se suplementan en los alimentos mediante la adición de lactato de calcio , difosfato de calcio y fosfato tricálcico . Este último también se utiliza como agente pulidor en pastas dentales y antiácidos . El lactobionato de calcio es un polvo blanco que se utiliza como agente suspensor en productos farmacéuticos. En panadería, el fosfato de calcio se utiliza como agente leudante . El sulfito de calcio se utiliza como blanqueador en la fabricación de papel y como desinfectante; el silicato de calcio se utiliza como agente reforzante en el caucho; y el acetato de calcio es un componente de la colofonia de cal y se utiliza para fabricar jabones metálicos y resinas sintéticas. [ 45 ]

El suplemento de calcio está en la Lista de Medicamentos Esenciales de la Organización Mundial de la Salud . [ 51 ]

Fuentes de alimentos

Los alimentos ricos en calcio incluyen productos lácteos como leche , yogur y queso , así como sardinas , salmón , productos de soja , col rizada y cereales de desayuno fortificados . [ 9 ]

Debido a la preocupación por los efectos secundarios adversos a largo plazo, incluida la calcificación de las arterias y los cálculos renales , tanto el Instituto de Medicina de los Estados Unidos (IOM) como la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) establecieron niveles máximos de ingesta tolerables (UL) para el calcio combinado de la dieta y los suplementos. Según el IOM, las personas de 9 a 18 años no deben exceder los 3  g/día de ingesta combinada; para las de 19 a 50 años, no deben exceder los 2,5  g/día; y para las de 51 años o más, no deben exceder los 2  g/día. [ 52 ] La EFSA estableció el UL para todos los adultos en 2,5  g/día, pero decidió que la información para niños y adolescentes no era suficiente para determinar los UL. [ 53 ]

Papel biológico y patológico

Ingesta global de calcio en la dieta de adultos (mg/día). [ 55 ]
  <400
  400–500
  500–600
  600–700
  700–800
  800–900
  900–1000
  >1000

Función

El calcio es un elemento esencial que se necesita en grandes cantidades. [ 8 ] [ 9 ] El ion Ca 2+ actúa como electrolito y es vital para la salud de los sistemas muscular, circulatorio y digestivo; es indispensable para la formación de los huesos en forma de hidroxiapatita ; y apoya la síntesis y función de las células sanguíneas. Por ejemplo, regula la contracción muscular , la conducción nerviosa y la coagulación sanguínea. Como resultado, los niveles de calcio intra y extracelular están estrictamente regulados por el cuerpo. El calcio puede desempeñar este papel porque el ion Ca 2+ forma complejos de coordinación estables con muchos compuestos orgánicos, especialmente proteínas ; también forma compuestos con un amplio rango de solubilidades, lo que permite la formación del esqueleto . [ 8 ] [ 56 ]

Vinculante

Los iones de calcio pueden formar complejos con proteínas mediante la unión a los grupos carboxilo de los residuos de ácido glutámico o ácido aspártico ; mediante la interacción con residuos de serina , tirosina o treonina fosforilados ; o mediante la quelación con residuos de aminoácidos γ-carboxilados. La tripsina , una enzima digestiva, utiliza el primer método; la osteocalcina , una proteína de la matriz ósea, utiliza el tercero. [ 57 ]

Algunas otras proteínas de la matriz ósea, como la osteopontina y la sialoproteína ósea, utilizan tanto el primer como el segundo mecanismo. La activación directa de enzimas mediante la unión al calcio es común; otras enzimas se activan por asociación no covalente con enzimas que se unen directamente al calcio. El calcio también se une a la capa de fosfolípidos de la membrana celular , anclando proteínas asociadas a la superficie celular. [ 57 ]

Solubilidad

Como ejemplo de la amplia gama de solubilidad de los compuestos de calcio, el fosfato monocálcico es muy soluble en agua, el 85% del calcio extracelular es como fosfato dicálcico con una solubilidad de 2,00 mM , y la hidroxiapatita de los huesos en una matriz orgánica es fosfato tricálcico con una solubilidad de 1000 μM. [ 57 ]  

Nutrición

El calcio es un componente común de los suplementos dietéticos multivitamínicos , [ 8 ] pero la composición de los complejos de calcio en los suplementos puede afectar su biodisponibilidad , la cual varía según la solubilidad de la sal involucrada: el citrato , el malato y el lactato de calcio son altamente biodisponibles, mientras que el oxalato lo es menos. Otras preparaciones de calcio incluyen carbonato de calcio , citrato malato de calcio y gluconato de calcio . [ 8 ] El intestino absorbe aproximadamente un tercio del calcio ingerido como ion libre , y el nivel de calcio plasmático es regulado posteriormente por los riñones . [ 8 ]

Regulación hormonal de la formación ósea y los niveles séricos

La hormona paratiroidea y la vitamina D promueven la formación ósea al permitir y potenciar la deposición de iones de calcio en el hueso, lo que permite una rápida renovación ósea sin afectar la masa ósea ni el contenido mineral. [ 8 ] Cuando los niveles de calcio en plasma disminuyen, se activan los receptores de la superficie celular y se produce la secreción de la hormona paratiroidea; esta estimula la entrada de calcio al plasma, extrayéndolo de células específicas del riñón, el intestino y el hueso. La acción osteogénica de la hormona paratiroidea es antagonizada por la calcitonina , cuya secreción aumenta con el incremento de los niveles de calcio en plasma. [ 57 ]

Niveles séricos anormales

La ingesta excesiva de calcio puede causar hipercalcemia . Sin embargo, debido a que el calcio se absorbe de forma bastante ineficiente en los intestinos, es más probable que los niveles elevados de calcio en suero se deban a una secreción excesiva de hormona paratiroidea (PTH) o posiblemente a una ingesta excesiva de vitamina D, ya que ambas facilitan la absorción de calcio. Todas estas condiciones dan como resultado el depósito de sales de calcio en exceso en el corazón, los vasos sanguíneos o los riñones. Los síntomas incluyen anorexia, náuseas, vómitos, pérdida de memoria, confusión, debilidad muscular, aumento de la micción, deshidratación y enfermedad ósea metabólica. [ 57 ]

La hipercalcemia crónica suele provocar calcificación de los tejidos blandos y graves consecuencias: por ejemplo, la calcificación puede causar pérdida de elasticidad de las paredes vasculares y alteración del flujo sanguíneo laminar, lo que puede derivar en la rotura de la placa y trombosis . Por el contrario, una ingesta insuficiente de calcio o vitamina D puede provocar hipocalcemia , a menudo causada también por una secreción inadecuada de la hormona paratiroidea o por receptores de PTH defectuosos en las células. Los síntomas incluyen excitabilidad neuromuscular, que puede provocar tetania y alteración de la conductividad en el tejido cardíaco. [ 57 ]

Enfermedad ósea

Dado que el calcio es esencial para el desarrollo óseo, muchas enfermedades óseas pueden atribuirse a la matriz orgánica o a la hidroxiapatita en la estructura molecular u organización del hueso. La osteoporosis es una reducción del contenido mineral del hueso por unidad de volumen y puede tratarse mediante la suplementación con calcio, vitamina D y bisfosfonatos . [ 8 ] [ 9 ] Cantidades insuficientes de calcio, vitamina D o fosfatos pueden provocar el ablandamiento de los huesos, denominado osteomalacia . [ 57 ]

Seguridad

calcio metálico

Debido a que el calcio reacciona exotérmicamente con el agua y los ácidos, el contacto del calcio metálico con la humedad corporal produce una irritación corrosiva grave. [ 59 ] Al ser ingerido, el calcio metálico tiene el mismo efecto en la boca, el esófago y el estómago, y puede ser mortal. [ 46 ] Sin embargo, no se conocen efectos adversos distintos por exposición prolongada. [ 59 ]

Referencias

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