钙

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]尽管钙因为会和空气中的氧气反应，在大多数作为导体的应用中不可用，但有人已考虑将其用于太空。[10]

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。[11]细碎的钙会在空气中自发燃烧，形成氮化物。大块的钙的反应性较低，会和空气中的水蒸气反应，但在湿度低于30%下可以无限期保存。[12]

${\displaystyle {\ce {2Ca + O2 -> 2CaO}}}$ 、 ${\displaystyle {\ce {3Ca + N2 -> Ca3N2}}}$

钙在空气中的缓慢氧化[13]

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。[14][15]

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。[16]

${\displaystyle {\ce {Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2}}}$

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[17]

钙的四种二卤化物都是已知的，[18]无水氯化钙可用作干燥剂，氟化钙是制取HF和F₂的原料[19]。 大多数碱土金属的盐类都难溶于水，碳酸钙（CaCO₃）和硫酸钙（CaSO₄）都是常见的矿物组成。[20]

${\displaystyle {\ce {CaCO3 -> CaO + CO2}}}$

钙的碳酸盐在受热时（1173 K）分解[21]

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。[22]钙会和含氧的螯合剂如EDTA和多磷酸盐形成螯合物，这个性质可用于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。[20][23]

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。[24][25][26][27][28]由于Yb²⁺（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。[29]

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(C₅H₅)₂只能由钙和二茂汞或是环戊二烯反应而成，而将C₅H₅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。[29]

存在于水合氯化钙中的[Ca(H₂O)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（⁴⁰Ca、⁴²Ca、⁴³Ca、⁴⁴Ca和⁴⁶Ca）和半衰期长到可以看作稳定的⁴⁸Ca（半衰期4.3 × 10¹⁹年）的混合物。钙是第一种有六个天然同位素的元素。[11]

在这六种同位素中，⁴⁰Ca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⁴⁰K的衰变也使⁴⁰Ca的数量不断增加。⁴⁰Ca捕获一个α粒子会产生不稳定的⁴⁴Ti，后者迅速发生两次电子捕获，生成稳定的⁴⁴Ca。它是第二常见的钙同位素，占了2.806%。[30][31]

剩下的四种同位素⁴²Ca、⁴³Ca、⁴⁶Ca和⁴⁸Ca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。⁴⁶Ca主要在“热”s-过程中，短寿的⁴⁵Ca捕获一个中子而成的，而⁴⁸Ca则是Ia超新星的r-过程产生的。[30][31]

在分别多出六个和八个中子的核素中，⁴⁶Ca和⁴⁸Ca是其中最轻的“稳定”核素。虽然⁴⁸Ca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⁴⁸Sc的过程因为自旋的严重失配而受到很大阻碍：⁴⁸Ca的自旋为0，而⁴⁸Sc的自旋为6+，所以衰变被角动量的转化所禁止。因此，⁴⁸Ca的衰变方式是双β衰变成⁴⁸Ti，它也是已知会双β衰变的同位素里最轻的。[32][33]

⁴⁶Ca理论上也可以双β衰变成⁴⁶Ti，但这个过程仍未被观察到。最轻也最常见的⁴⁰Ca的质子数和中子数也都是幻数，理论上可以双电子捕获成⁴⁰Ar，但这也一样仍未被观察到。⁴⁰Ca和⁴⁶Ca的半衰期下限分别为5.9 × 10²¹年和2.8 × 10¹⁵年。[32]

除开几乎稳定的⁴⁸Ca以外，钙最稳定的放射性同位素是⁴¹Ca。它通过电子捕获衰变成⁴¹K，半衰期约为十万年。自然界中存在痕量的⁴¹Ca，它们是由⁴⁰Ca中子活化而成的。[31]

其它从³⁵Ca到⁶⁰Ca的放射性钙同位素也是已知的，它们都比⁴¹Ca更短寿。在这之中最稳定的是⁴⁵Ca（半衰期163天）和⁴⁷Ca（半衰期4.54天）。比⁴²Ca轻的钙同位素会正β衰变成钾的同位素，而比⁴⁴Ca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。[32]

钙循环提供了地质构造运动、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
3），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）。[42]

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−
3）：

Ca2+
+ 2HCO−
3 → CaCO
3_(s) + CO
2 + H
2O

在海水的pH下，大部分溶解的CO₂都会立刻变成HCO−
3。该反应导致一分子CO₂从海洋或大气净传输到岩石圈。[43]反应的结果是化学风化释放的每个Ca²⁺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。[42][44]

钙是人体大量需要的生命元素。[5][6]Ca²⁺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][58]

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。[59]

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。[59]

钙是复合维生素的常见成分，[5]但在里面的是哪种钙化合物可能会影响其生物利用度。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、柠檬酸苹果酸钙和葡萄糖酸钙。[5]摄入的钙有约三分之一会以游离离子的形式被肠道吸收，然后由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]当血浆钙水平下降时，细胞表面受体会被激活并分泌甲状旁腺激素，然后通过从肾、肠和骨细胞中提取钙来刺激钙进入血浆。甲状旁腺激素的骨形成作用会被降钙素拮抗，其分泌随着血浆钙水平的增加而增加。[59]

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。[59]

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，进而产生易损斑块和血栓。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和心脏组织传导性的破坏。[59]

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和双膦酸盐来治疗。[5][6]钙、维生素D和磷酸盐摄入不足会导致骨质软化。[59]