Calcio

El calcio (del latín calx, calis, cal) es un elemento químico, de símbolo Ca y de número atómico 20. Su masa atómica es 40,078 u. El calcio es un metal blando, grisáceo, y es el quinto más abundante en masa de la corteza terrestre. También es el ion más abundante disuelto en el agua de mar, tanto como por su molaridad y como por su masa, después del sodio, cloruros, magnesio y sulfatos.​

Potasio ← Calcio → Escandio
20 Ca
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Información general
Nombre, símbolo, número	Calcio, Ca, 20
Serie química	Metales alcalinotérreos
Grupo, período, bloque	2, 4, s
Masa atómica	40,078 u
Configuración electrónica	[Ar] 4s2
Dureza Mohs	1,75
Electrones por nivel	2, 8, 8, 2 (imagen)
Apariencia	Blanco plateado
Propiedades atómicas
Radio medio	180 pm
Electronegatividad	1,00 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc)	194 pm (radio de Bohr)
Radio covalente	176 pm
Estado(s) de oxidación	2
Óxido	Base fuerte
1.ª energía de ionización	589,8 kJ/mol
2.ª energía de ionización	1145,4 kJ/mol
3.ª energía de ionización	4912,4 kJ/mol
Líneas espectrales
Propiedades físicas
Estado ordinario	Sólido (diamagnético)
Densidad	1550 kg/m3
Punto de fusión	1115 K (842 °C)
Punto de ebullición	1757 K (1484 °C)
Entalpía de vaporización	153,6 kJ/mol
Entalpía de fusión	8,54 kJ/mol
Presión de vapor	254 Pa a 1112 K
Varios
Estructura cristalina	Cúbica centrada en las caras
Calor específico	0,632 J/(kg·K)
Conductividad eléctrica	29,8·106 S/m
Conductividad térmica	201 W/(m·K)
Velocidad del sonido	3810 m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del calcio
iso AN Periodo MD Ed PD MeV 40Ca 96,941 % Estable con 20 neutrones 41Ca Sintético 103.000 a ε 0,421 41K 42Ca 0,647 % Estable con 22 neutrones 43Ca 0,135 % Estable con 23 neutrones 44Ca 2,086 % Estable con 24 neutrones 46Ca 0,004 % Estable con 26 neutrones 48Ca 0,187 % > 4·1019 a β- 4,272 48Ti
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.

Se encuentra en el medio interno de los organismos como ion calcio (Ca²⁺) o formando parte de otras moléculas; en algunos seres vivos se halla precipitado en forma de esqueleto interno (huesos de los vertebrados) o externo (concha de los moluscos). Los iones de calcio actúan de cofactor en muchas reacciones enzimáticas, intervienen en el metabolismo del glucógeno y, junto al potasio y el sodio, regulan la contracción muscular. El porcentaje de calcio en los organismos es variable y depende de las especies, pero por término medio representa el 2,45 % en el conjunto de los seres vivos; en los vegetales, solo representa el 0,007 %.

En el habla vulgar se utiliza la voz calcio para referirse a sus sales por ejemplo, esta agua tiene mucho calcio; en las tuberías se deposita mucho calcio, etc.

Características principales

El calcio es un metal alcalinotérreo, arde con llama roja formando óxido de calcio. Las superficies recientes son de color blanco plateado pero presenta un cambio físico rápidamente, cambiando a un color levemente amarillo expuestas al aire y en última instancia grises o blancas por la formación de hidróxido al reaccionar con la humedad ambiental. Reacciona violentamente con el agua en su estado de metal (proveniente de fábrica) para formar hidróxido de calcio (Ca(OH)₂) desprendiendo hidrógeno.

Isótopos

El calcio tiene seis isótopos estables, de los cuales el ⁴⁰Ca es el más abundante (97 %). El ⁴⁰Ca y el ⁴⁰Ar son productos de la desintegración del ⁴⁰K, pero mientras que el segundo se ha usado para la datación en geología, la prevalencia del isótopo ⁴⁰Ca en la naturaleza ha impedido hacer lo mismo con el calcio.

A diferencia de otros isótopos cosmogénicos producidos en la atmósfera terrestre, el ⁴¹Ca se produce por activación neutrónica del ⁴⁰Ca, de este modo se sintetiza en las capas más superficiales del suelo, en las que el bombardeo de neutrones es suficientemente intenso. Además de esto, el ⁴¹Ca ha recibido la atención de los científicos porque se desintegra en ⁴¹K, un indicador crítico de las anomalías del sistema solar.

Historia

El calcio fue descubierto en 1808 por Humphry Davy mediante electrólisis de una amalgama de mercurio y cal. Davy mezcló cal humedecida con óxido de mercurio que colocó sobre una lámina de platino, el ánodo, y sumergió una parte del mercurio en el interior de la pasta para que hiciera de cátodo; por electrólisis obtuvo una amalgama que, destilada, dejó un residuo sólido muy oxidable, aunque ni siquiera el mismo Davy estaba muy seguro de haber obtenido calcio puro; con posterioridad Bunsen en 1854 y Matthiessen en 1856 obtuvieron el metal por electrólisis del cloruro de calcio, y Henri Moissan obtuvo calcio con una pureza del 99 % por electrólisis del yoduro. A principios del siglo XX el calcio solo se obtenía en laboratorio.

Abundancia y obtención

Es el quinto elemento en abundancia en la corteza terrestre (3,5 % en peso) pero no se encuentra solo, sino formando compuestos con gran interés industrial como los carbonatos (minerales como calcita y dolomita o rocas como el mármol, la caliza y la dolomía) o el sulfato cálcico (yeso, alabastro) a partir de los cuales se obtienen la cal viva, la escayola, el cemento, etc.; otros minerales que lo contienen son fluorita (CaF₂) y apatito (fosfato).

El metal se aísla por electrólisis del cloruro de calcio (CaCl₂, subproducto del proceso Solvay) fundido:

• cátodo: ${\ce {Ca^2+ + 2e- -> Ca}}$
• ánodo: ${\ce {2Cl- -> Cl2(g) + 2e-}}$

Aplicaciones

El calcio es un agente reductor en la extracción de otros metales como el uranio, circonio y torio, también es un desoxidante, desulfurizador, o decarburizador para varias aleaciones ferrosas y no ferrosas, es un agente de aleación utilizado en la producción de aluminio, berilio, cobre, plomo y magnesio y tiene aplicaciones en muchos productos lácteos o medicamentos para el refuerzo de los huesos. La falta de calcio en los huesos humanos facilita la aparición de enfermedades como la osteoporosis.

El óxido de calcio (CaO) se produce por descomposición térmica de la caliza, roca rica en carbonato de calcio, en altos hornos, aplicando un proceso de lecho continuo. El óxido, llamado cal viva, es ampliamente usado en la construcción. También se utiliza en arcos de luz de alta intensidad (luz de cal) a causa de sus características espectrales poco usuales y como agente deshidratante industrial. La industria metalúrgica hace amplio uso del óxido durante la reducción de aleaciones ferrosas.

El hidróxido de calcio (Ca(OH)₂), llamado cal apagada, tiene muchas aplicaciones en donde el ion hidroxilo es necesario. En el proceso de apagado del óxido de calcio, el volumen de cal apagada se expande al doble que la cantidad de cal viva inicial, hecho que lo hace útil para romper roca o madera.

Función biológica

Además de su función en la construcción y mantenimiento de huesos y dientes, el calcio también tiene numerosas funciones metabólicas. Afecta la función de transporte de las membranas celulares, actuando como un estabilizador de la membrana. También influye en la transmisión de iones a través de las membranas, y la liberación de neurotransmisores. Se requiere calcio en la trasmisión nerviosa y en la regulación de los latidos cardíacos. El equilibrio adecuado de los iones de calcio, sodio, potasio y magnesio mantiene el tono muscular y controla la irritabilidad nerviosa.

El calcio actúa como mediador intracelular cumpliendo una función de segundo mensajero; por ejemplo, el ion Ca²⁺ interviene en la contracción de los músculos y es imprescindible para la coagulación de la sangre.​ El principal almacén de calcio dentro de las células es el retículo endoplasmático.​​ También está implicado en la regulación de algunas enzimas quinasas que realizan funciones de fosforilación, por ejemplo la proteína quinasa C (PKC), y realiza unas funciones como cofactor enzimático similares a las del magnesio en procesos de transferencia de fosfato (por ejemplo, la enzima fosfolipasa A₂). Además, diversos estudios apuntan a que el calcio también podría ser una señal de apoptosis, a través de la excesiva recaptación del ion en la mitocondria y, por tanto, dando lugar a una generación de estrés oxidativo.​​​

Algunas de sus sales son bastante insolubles, por ejemplo el sulfato (CaSO₄), carbonato (CaCO₃), oxalato, etc. y forma parte de distintos biominerales. Así, en el ser humano, está presente en los huesos como hidroxiapatito cálcico (Ca₁₀(OH)₂(PO₄)₆). El calcio interviene en la formación de las placas de algunas arteriosclerosis.

Calcio esquelético

El calcio esquelético, es decir, el almacenado en los huesos, tiene un componente relativamente no intercambiable, que es estable, y un componente rápidamente intercambiable, el cual participa en las actividades metabólicas. El componente intercambiable puede considerarse una reserva que se acumula cuando la dieta proporciona una ingesta adecuada de calcio. Se almacena principalmente en los extremos de los huesos largos y se moviliza para satisfacer el aumento de las necesidades de crecimiento, del embarazo y de la lactancia. En ausencia de dicha reserva, el calcio debe sustraerse de la misma reserva ósea; si la ingesta inadecuada de calcio se prolonga resulta en una estructura ósea deficiente. El calcio se presenta en los huesos bajo la forma de hidroxiapatita, una estructura cristalina que consiste de fosfato de calcio que se organiza alrededor de una matriz orgánica de proteína colagenosa para proporcionar fuerza y rigidez. Muchos otros iones se presentan, como flúor, magnesio, Zinc y sodio. Los iones minerales se difunden dentro del líquido extracelular, bañando los cristales y permitiendo el depósito de nuevos minerales. Los mismos tipos de cristales se presentan en el esmalte y la dentina de los dientes, allí hay poco intercambio de minerales y el calcio no está disponible con facilidad para los periodos de deficiencia.

En el proceso de formación y remodelación ósea participan las células osteclásticas (células de resorción ósea) y los osteoblastos (células formadoras), controladas a su vez, por diversas hormonas sistémicas (parathormona y calcitonina), el estado nutricional de vitamina D y factores reguladores de crecimiento. (El calcio también ayuda a fortalecer los huesos con micro-fracturas )

Calcio sérico

Este calcio consta de tres fracciones distintas: calcio libre o ionizado, calcio aniónico que se une a fosfatos y calcio unido a proteínas, principalmente albúmina o globulina. El calcio ionizado es el que realiza la mayoría de funciones metabólicas. Su concentración está controlada principalmente por la parathormona, la calcitonina y la vitamina D. El calcio sérico se mantiene en niveles muy estrechos de 8,8 a 10,8 mg/dL.

Absorción y excreción

El calcio se absorbe a lo largo del tracto gastrointestinal, principalmente en el duodeno. La absorción ocurre por dos métodos principales: un sistema de transporte saturable, activo, ocurre en duodeno y yeyuno proximal y controlado mediante la acción de la vitamina D3 (vitamina D activa), que actúa como una hormona y aumenta la captación de calcio en el cepillo de las células de la mucosa intestinal al estimular la producción de una proteína que se une al calcio intracelularmente llamada calbindina que lleva del extremo luminal al baso lateral el calcio manteniendo las concentraciones internas bajas, aumenta también la exposición de canales luminares TRPV 5/6 (de calcio) y basolateralmente contratransportadores activos secundarios de Na/ca llamados NCX, así como la bomba activa primaria de calcio PMCK 1b que bombea basalmente, calcio. Estudios indican que favorece el pasaje paracelular de calcio, demostrándose que en presencia de vitamina D se absorbe un 65 % más de calcio (estudios realizados en número igual de pacientes medicados con y sin vitamina D).

Un segundo mecanismo de transporte es pasivo, no saturable e independiente de la vitamina D, ocurre a lo largo de todo el intestino. El calcio solo se absorbe si está en una forma hidrosoluble y no se precipita por otro componente de la dieta como los oxalatos.

Diversos factores influyen de manera favorable en la absorción de calcio, entre ellos: la vitamina D en su forma activa, pH ácido, la lactosa (azúcar de la leche). Existen otros que disminuyen la absorción como la carencia de vitamina D, el ácido oxálico (contenido en el ruibarbo, espinaca, acelgas), el ácido fítico (compuesto que contiene fósforo y se encuentra en las cáscaras de los granos de cereales), la fibra dietética, medicamentos, malabsorción de grasas y el envejecimiento.

Normalmente la mayor parte del calcio que se ingiere se excreta en las heces y la orina en cantidades iguales aproximadamente. La excreción urinaria del calcio varía a través del ciclo vital y con la velocidad del crecimiento esquelético. El calcio fecal se correlaciona con la ingesta. La ingesta de cafeína y teofilina también se relacionan con la excreción de calcio, pero sobre todo se excreta calcio por un excesivo consumo de proteínas. Las pérdidas cutáneas ocurren en la forma de sudor y exfoliación de la piel. La pérdida de calcio en el sudor es de aproximadamente 15 mg/día. La actividad física extenuante con sudoración aumenta las pérdidas, incluso en las personas con bajas ingestas. La inmovilidad del cuerpo por reposo en cama por tiempo prolongado también aumenta las pérdidas de calcio en respuesta a la falta de tensión sobre los huesos.

Deficiencia de calcio

Cuando la deficiencia es a largo plazo y desde etapas tempranas de la vida, puede causar entre otras consecuencias:

• Deformidades óseas: entre ellas la osteomalacia, raquitismo y osteoporosis. La osteoporosis es un trastorno metabólico en el que la masa ósea se reduce con cambios en la composición corporal, conduciendo a un riesgo incrementado para fracturas con la más mínima tensión. Los factores de riesgo son diversos incluyendo deficiente captación de calcio, o poca ingesta de calcio durante los periodos máximos de crecimiento, poca actividad física, alto consumo de café, bebidas gaseosas tipo cola y cigarrillos entre otros. La osteomalacia suele relacionarse con una deficiencia de vitamina D y un desequilibrio coincidente en la captación de calcio y fósforo. Se caracteriza por una incapacidad para mineralizar la matriz ósea. Lo que resulta en una reducción del contenido mineral del hueso. La deficiencia de calcio también puede conducir al raquitismo, una enfermedad relacionada con la malformación de los huesos en niños, debido a una mineralización deficiente de la matriz orgánica. Los huesos raquíticos no pueden sostener el peso y tensión ordinaria, que resultan en un aspecto de piernas arqueadas, rodillas confluentes, tórax en quilla y protuberancia frontal del cráneo.
• Tetania: niveles muy bajos de calcio en la sangre aumentan la irritabilidad de las fibras y los centros nerviosos, lo que resulta en espasmos musculares conocidos como calambres, una condición llamada tetania.
• Otras enfermedades: hipertensión arterial, hipercolesterolemia, cáncer de colon y recto.

Toxicidad

Una ingesta elevada de calcio y la presencia de un elevado nivel de vitamina D, puede constituir una fuente potencial de hipercalcemia, es posible que esto favorezca a la calcificación excesiva en huesos y tejidos blandos. También estas ingestas elevadas interfieren con la absorción de hierro, lo mismo para el zinc.

Requerimientos dietéticos humanos recomendados

Grupo de edad	Cantidad de calcio recomendada[cita requerida]
Lactantes-6 meses	400 mg
6-12 meses	600 mg
1-10 años	800-1200 mg
11-18 años	1200-1500 mg
25-30 años	1000 mg (mujeres) 800 mg (varones)
Mujeres posmenopáusicas	1000-1500 mg

Fuentes dietéticas

Los principales alimentos ricos en calcio son los productos lácteos, especialmente el queso, y los pescados pequeños (que algunas sociedades acostumbran a consumir enteros), como las sardinas, boquerones, chanquetes, incluidas sus vértebras y espinas, donde se encuentra la mayor concentración de calcio.​ Menores cantidades de calcio contienen algunas legumbres y vegetales de hoja verde oscura,​ como la col, el brócoli y el nabo fresco. La semilla de soja es rica en calcio y se absorbe de manera similar a la leche^{[cita requerida]}. El amaranto también es fuente importante de calcio.​
Se utilizan suplementos alimentarios de calcio, para aumentar su concentración intestinal y por tanto permitir una mayor absorción. La forma más frecuente de suplemento es el carbonato de calcio, que es relativamente insoluble. El citrato de calcio, que en comparación con el peso tiene menos calcio que el carbonato, es mucho más soluble.

El calcio en las plantas

Importancia

El calcio es un nutriente que interviene en una gran cantidad de procesos en la planta. Es esencial para el desarrollo de raíces (pelos radicales en densidad y longitud), forma parte de las estructuras celulares como estabilizador de la pared celular y de la membrana plasmática, y es vital en los procesos de división y elongación celular. Otras de sus funciones son la polimerización de proteínas, regulador enzimático, modulación de la acción de hormonas y señales, y contribuye al equilibrio iónico de la célula.

Deficiencias de calcio

Deficiencias de calcio provocan una pérdida en la integridad de membranas y paredes celulares, hasta ocasionar su ruptura. Las plantas con deficiencias pierden turgencia en la parte apical del fruto, que se desplaza en forma concéntrica hacia su base, ocasionando el daño conocido como Blossom End Rot (BER) o podredumbre apical del fruto. En cultivos bajo invernadero, en especial de especies con elevadas exigencias de calcio como el tomate, la probabilidad de que los frutos presenten daños es mayor.

Blossom End Rot (BER)

La podredumbre apical o Blossom End Rot (BER) del tomate es la fisiopatía responsable de cuantiosas pérdidas económicas. Su aparición se atribuye a alteraciones en la absorción y el transporte de calcio de las raíces a los frutos. Es provocada por cualquier factor que limite la absorción y transporte de calcio, y no necesariamente por la insuficiencia del elemento en el suelo o solución nutritiva. Alta salinidad del suelo o solución nutritiva, estrés hídrico, anoxia (ausencia de oxígeno) y daño a la raíz por agentes bióticos, son algunos de los factores asociados a esta fisiopatía en el fruto.

Otro de los factores asociados con la aparición de Blossom End Rot, son altas temperaturas en la atmósfera y el suelo, asociadas a una baja humedad relativa, que provocan un incremento importante en la transpiración de la planta. Cuando se presentan dichas condiciones, el calcio tiende a acumularse en hojas y poco o nada de este elemento se dirige a los frutos, esto debido a que el calcio viaja en la planta por el flujo de agua y al ser un elemento inmóvil, una vez que este es acumulado en hojas no puede dirigirse a los frutos en crecimiento. Frutos que se desarrollan bajo están condiciones muestran deficiencias de Ca y el daño final se traduce en la pudrición apical del mismo.

La aparición de Blossom End Rot en el tomate básicamente se debe a la falta de coordinación entre el transporte de asimilados por el floema, el calcio por el xilema y la rápida elongación celular en el tejido placentario apical del fruto. Es decir, se trata de una interacción entre la tasa de crecimiento del fruto y la tasa de adquisición del calcio en la parte apical del mismo.

Véase también

• Metabolismo del calcio
• Ciclo del calcio

Bibliografía

• Mahan, K. Escote S. Nutrición y dietoterapia de Krause, 1996.
• Dietary Supplement Fact Sheet: Calcium.
• Combs, G: "The Vitamins", page 161. Academic Press, 2008.
• Zhao, Y. et al: "Calcium bioavailability of calcium carbonate fortified soy milk is equivalent to cow's milk in young women", J. Nutr., 135(10):2379.
• Straub, DA: "Calcium supplementation in clinical practice: a review of forms, doses, and indications", Nutr. Clin. Pract., 22(3):286, 2007.

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Calcio.
• Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre calcio.

• Datos: Q706
• Multimedia: Calcium / Q706