最終更新日：2025年12月1日

カルシウム：骨の建築家と山の彫刻家

カルシウムの発見の歴史

カルシウム化合物は古代から使用されてきましたが、元素自体の存在は疑われていませんでした。ローマ人は、石灰岩を加熱してモルタルやセメントを作るために生石灰（酸化カルシウム、CaO）を生産しました。 1808年、ハンフリー・デイビー（1778-1829）は、ナトリウムとカリウムを単離した数か月後、湿った酸化カルシウムと酸化水銀の混合物の電気分解によって金属カルシウムを単離することに成功しました。デイビーはこの新しい金属をカルシウムと名付けました。これはラテン語のcalx（石灰）に由来し、ローマ人が焼成石灰岩を指すために使用していた用語です。しかし、純粋な金属カルシウムはその高い反応性のために入手や保存が困難でした。1898年になって、アンリ・モアッサン（1852-1907）が溶融塩化カルシウムの電気分解による単離プロセスを改良し、比較的純粋なカルシウムを得ることが可能になりました。

構造と基本的な性質

カルシウム（記号Ca、原子番号20）は周期表の2族に属するアルカリ土類金属です。その原子は20個の陽子、20個の電子、および最も豊富な同位体（\(\,^{40}\mathrm{Ca}\)）では通常20個の中性子を持っています。 6つの安定同位体が存在します：カルシウム-40（\(\,^{40}\mathrm{Ca}\)）、カルシウム-42（\(\,^{42}\mathrm{Ca}\)）、カルシウム-43（\(\,^{43}\mathrm{Ca}\)）、カルシウム-44（\(\,^{44}\mathrm{Ca}\)）、カルシウム-46（\(\,^{46}\mathrm{Ca}\)）、およびカルシウム-48（\(\,^{48}\mathrm{Ca}\)）。
室温では、カルシウムは固体の銀白色金属で、比較的柔らかい（ナイフで切ることができる）です。密度≈1.54 g/cm³。カルシウムの融点：1,115 K（842 °C）。沸点：1,757 K（1,484 °C）。金属カルシウムは中程度の反応性を持ちます。空気中でゆっくりと酸化し、酸化物と窒化物の層を形成し、部分的に保護されます。室温で水と反応し（アルカリ金属よりも遅い）、水酸化カルシウムと水素ガスを生成します。カルシウムは空気中で赤橙色の強い炎で燃え、主に酸化カルシウム（CaO）と窒化カルシウム（Ca₃N₂）を生成します。

カルシウムの同位体表

カルシウムの同位体（主要な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
カルシウム-40 — \(\,^{40}\mathrm{Ca}\,\)	20	20	39.962591 u	≈ 96.94 %	安定	超優勢同位体；カリウム-40の崩壊生成物。
カルシウム-44 — \(\,^{44}\mathrm{Ca}\)	20	24	43.955482 u	≈ 2.09 %	安定	2番目に豊富な同位体；生物医学研究に使用されます。
カルシウム-42 — \(\,^{42}\mathrm{Ca}\)	20	22	41.958618 u	≈ 0.647 %	安定	少数の安定同位体。
カルシウム-48 — \(\,^{48}\mathrm{Ca}\)	20	28	47.952534 u	≈ 0.187 %	4.3 × 10¹⁹ 年（理論値）	放射性（二重β\(^-\)崩壊）、しかし半減期が非常に長いため、実用上は安定とみなされます。超重元素の合成に使用されます。
カルシウム-43, 46 — \(\,^{43}\mathrm{Ca}\), \(\,^{46}\mathrm{Ca}\)	20	23, 26	42.958767 u, 45.953693 u	≈ 0.135 %, 0.004 %	安定	カルシウムの希少な安定同位体。
カルシウム-41 — \(\,^{41}\mathrm{Ca}\)	20	21	40.962278 u	宇宙線起源の微量	103,000 年	電子捕獲により放射性、カリウム-41を生成します。古代の地下水の年代測定に使用されます。
その他の同位体 — \(\,^{34}\mathrm{Ca}\) から \(\,^{60}\mathrm{Ca}\)	20	14 — 40	—（可変）	非天然	ミリ秒から数日	人工的に生成された不安定同位体；実験核物理学で使用されます。

化学的反応性

カルシウムは反応性の高い金属で、主に酸化状態+IIのイオン化合物を形成します。酸素と反応して酸化カルシウム（CaO）を、水と反応して水酸化カルシウム（Ca(OH)₂、消石灰）を生成し、酸と反応して水素ガスを放出します。カルシウムは高温で窒素（Ca₃N₂を形成）、硫黄（CaSを形成）、炭素（CaC₂を形成）、およびハロゲンと反応します。カルシウムの主な化合物には、炭酸カルシウム（CaCO₃、石灰岩、チョーク、大理石）、硫酸カルシウム（CaSO₄、石膏、パリ石膏）、リン酸カルシウム（Ca₃(PO₄)₂、アパタイト）、塩化カルシウム（CaCl₂）、および水酸化カルシウム（Ca(OH)₂）が含まれます。炭酸カルシウムは溶存二酸化炭素を含む水に溶解し、溶解性の炭酸水素カルシウムCa(HCO₃)₂を形成します。これは石灰岩洞窟の形成と水の硬度に関する基本的なプロセスです。

カルシウムの産業および技術的応用

世界で最も広く使用されている建設材料であるポルトランドセメントの生産;
建設で使用される生石灰（CaO）と消石灰（Ca(OH)₂）の製造;
製鋼における脱酸剤および脱硫剤;
金属合金の機械的特性の向上;
アセチレンを生成するために使用されるカルシウムカーバイド（CaC₂）の生産;
トリウム、ウラン、ジルコニウムなどの他の金属の抽出のための還元剤;
農業における酸性土壌の中和（石灰散布）;
飲料水の処理（pH調整、硬度除去）;
食品添加物（固化剤、酸度調整剤、E170）;
サプリメントおよび医薬品（骨粗鬆症の予防）;
建設および医療で使用される半水和硫酸カルシウム（石膏）の製造;
吸湿剤（無水塩化カルシウム）;
紙およびパルプの加工;
プラスチックおよびポリマーの生産;
道路の融雪剤（塩化カルシウム）;
ガラスおよびセラミック産業;
石鹸および洗剤の製造;
強い光源（歴史的に劇場で使用されたカルシウムフレア）。

基本的な生物学的役割

カルシウムは人間の体内で5番目に豊富な元素であり、不可欠な生物学的役割を果たします。体内カルシウムの約99％は、骨と歯にヒドロキシアパタイト（Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）として存在し、骨格の主要な鉱物成分であり、剛性と機械的強度を提供します。骨格はまた、体のカルシウム貯蔵庫としても機能します。残りの1％は量的には少ないですが、絶対的に不可欠です：イオン化カルシウム（Ca²⁺）は、筋肉収縮、神経インパルス伝達、神経伝達物質放出、血液凝固、ホルモン分泌、酵素活性化、および遺伝子発現調節に関与する普遍的な細胞内メッセンジャーです。血中カルシウム濃度（通常2.2-2.6 mmol/L）のわずかな変動でも重大な結果をもたらす可能性があります：低カルシウム血症はけいれん、テタニー、および心臓障害を引き起こし、高カルシウム血症は混乱、不整脈、および組織の石灰化を引き起こす可能性があります。海洋生物では、カルシウムは貝殻、外骨格、およびサンゴ礁の構築に使用されます。植物は、細胞壁の構造およびストレス応答における第二メッセンジャーとしてカルシウムを使用します。

主要な地質学的重要性

カルシウムは地殻で5番目に豊富な元素（質量で約3.4％）です。多くの岩石の主要な構成要素です：石灰岩（純粋または不純な炭酸カルシウム）、大理石（変成石灰岩）、チョーク（生物起源石灰岩）、ドロマイト（カルシウムとマグネシウムの二重炭酸塩）、石膏（水和硫酸カルシウム）。石灰岩は大陸の表面の約10％を占め、主に数百万年にわたって海洋生物の骨格や貝殻が蓄積して形成されました。カルシウムのサイクルは炭素のサイクルと密接に関連しています：大気中のCO₂は雨水に溶解し、炭酸を形成し、石灰岩を溶解し、カルシウムは海洋に運ばれ、再び生物学的または化学的炭酸塩として沈殿します。この大気中CO₂の調節プロセスは地質学的な時間スケール（数百万年）で行われ、地球の気候の安定化に重要な役割を果たします。石灰岩洞窟、鍾乳石、および石筍は、炭酸カルシウムのゆっくりとした溶解と再沈殿によって形成されます。硬水の源には、石灰岩の溶解から生じた溶解カルシウムが含まれています。

天体物理学および核合成における役割

カルシウムは、超新星爆発直前の深い層でのケイ素の融合中に大質量星で生成されます。カルシウム-40は主要な同位体であり、主に地殻中の放射性カリウム-40の崩壊から生じます。超新星は星間物質をカルシウムで豊かにし、それが新しい世代の星や惑星に組み込まれます。カルシウムは多くの星や星雲で分光学的に検出されています。イオン化カルシウム（Ca II HおよびK、393.3および396.8 nm）の吸収線は、星のスペクトルで最も強いものの一つであり、星の組成や性質を決定するために使用されます。中性子に非常に豊富なカルシウム-48同位体は、核物理学で超重元素（元素114-118）を他の重い核との融合によって合成するために使用されます。カルシウム-アルミニウムに富む隕石（CAI包有物）は、45億6700万年前の初期太陽系で形成された最初の固体の一つです。

N.B.：
ドーバーの白い崖は、イングランドの自然のシンボルであり、完全にカルシウムで構成されています。これらの印象的な白亜の地質学的形成は、約9000万年前の白亜紀に温かい海の底で、単細胞海藻であるココリスフォアの微小な殻が徐々に蓄積して形成された純粋な炭酸カルシウム（CaCO₃）でできています。これらの崖の1センチメートルごとに、数千年の堆積と数十億の化石微生物が含まれています。これらの崖は最大110メートルの高さに達し、波と風化作用により年間約1センチメートルの速度で侵食されています。これらは、微小な生物の活動から巨大な地質学的景観を構築するカルシウムの役割を、膨大な地質学的時間スケールで劇的に証明しています。