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20Ca 칼슘 Calcium |
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| 분류 | 알칼리 토금속 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 40.078 | 밀도 | 1.55 g/cm3 |
| 녹는점 | 842 °C | 끓는점 | 1484 °C |
| 용융열 | 8.54 kJ/mol | 증발열 | 154.7 kJ/mol |
| 원자가 | 2 | 이온화에너지 | 589.8, 1145.4, 4912.4 kJ/mol |
| 전기음성도 | 1 | 전자친화도 | 2.37 kJ/mol |
| 발견 | H. Davy (1808) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-70-2 | ||
| 이전 원소 | 칼륨 / 포타슘(K) | 다음 원소 | 스칸듐(Sc) |
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1. 개요
칼슘은 주기율표 2족에 속하는 알칼리 토금속 원소이다. 반응성이 커서 자연계에 순수하게 존재하지 않고 탄산염 또는 황산염 등의 화합물에 분포한다. 특히 인체에는 필수적인 무기염류이며 인산 이온(PO43-) 및 탄산 이온(CO32-)과 결합된 형태로 뼈나 이에 함유되어 있고 각종 생리작용에 참여한다.2. 발견
1808년 데이비는 소석회를 산화제이수은과 섞어서 전기분해로 얻은 '칼슘 아말감'에서, 여기에 포함된 수은을 증류제거해 분리하는 데 성공했다. 하지만 당시에 얻을 수 있었던 칼슘은 순수한 것이 아니었고, 순수한 칼슘을 얻은 것은 그로부터 100년 후에 공업제법이 개발된 후였다.3. 어원
Calcium의 어원은 라틴어로 석회를 뜻하는 calx에서 유래했다. 영어식 발음은 [|kælsiəm]으로 IPA-한글 전사로는 '캘시엄'이 된다. 그런데 한국어에서 '시'는 구개음화된 [ɕ]이기 때문에, 그냥 '시'라고 하면 [s]가 아닌 [ɕ]나 [ʃ]로 알아들을 수 있다. '사'를 발음할 때의 ' ㅅ'처럼 혀끝을 아랫니 뒤에 붙인 상태로 발음해야 [s]가 된다. 과거에는 구개음화되지 않은 [si]를 표기하기 위해 ' 싀'와 같은 표기를 사용하기도 하였다.4. 자연계 내 분포
지구상 대부분의 암석에 주로 포함되어 있다. 특히 석회(탄산칼슘) 기반의 암석인 석회암, 대리암 등에 풍부하다. 구체적인 예를 보자면, 석회암의 일종인 종유석은 지하수나 강수의 칼슘이온(Ca2+)와 탄산수소이온(HCO3-)이 침전된 탄산칼슘으로 형성되어 있다. 종유동굴에 있는 고드름처럼 내려온 종유석은 탄산칼슘이 돌출된 것이다. 참고로 진주는 칼슘의 결정과 유기질층이 교대로 쌓여 형성된 물질이다.5. 화학적 특성
금속 칼슘은 주기율표상 2족에 속하는 알칼리 토금속이므로 반응성이 굉장히 크다. 1족 알칼리 금속과 2족 알칼리 토금속은 물에 집어넣으면 반응하며 수소를 방출한다.[1] 2족 금속은 최외곽 전자껍질에 전자가 두 개밖에 없어 어떻게든 그 두 개를 반응을 통해 내어주고 안정적으로 되고 싶어하기 때문이다.[2] 일반적인 알칼리 금속이 그렇듯 금속 칼슘도 물과 격렬히 반응하는데 실제로 1998년에 있었던 포항시의 집중호우에 의해 저장 중이던 금속 칼슘이 침수되어 폭발한 사례가 있다. 목격자에 의하면 하늘이 붉게 물들고 굉장한 폭음이 들렸다고.6. 생체에서
6.1. 생체 내 분포
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| 칼슘의 인체 내 분포 |
어떤 상태로 분포하냐에 따라서 칼슘이 생체 내에서 하는 기능이 달라진다.
6.2. 기능
칼슘은 인체에서도 뼈나 치아의 성분으로 알려져 있으며 성인의 몸에는 약 1kg 존재한다. 뼈 속에 결정질 수화인산칼슘, 즉 수산화 인회석(Ca10(PO4)6(OH)2, Hydroxy Apatite; HA)형태로 존재한다. 이 물질은 원래부터 체내에 존재하기 때문에 생체친화성도 높고, 인공적으로 합성해 만들어내는 것도 가능하다. 그래서 인공뼈나 틀니 등 보철 재료 등에 사용되면서 주목을 받고 있다. 보통 칼슘이 뼈에만 중요하다고 오해하는데, 사실 칼슘은 신체 이곳저곳 안 쓰이는 곳이 없다. 발생, 근육 수축부터 각종 생체 내 신호전달까지 수많은 생리현상에 관여한다. 칼슘 때문에 암이 생길 수도 있고 부족할 경우 스트레스에 민감하게 된다고도 한다.[3]칼슘 이온(Ca2+)은 생체 내에서 상당히 중요한 이차 신호 전달자(secondary messenger) 역할을 한다. 가령, 근육의 수축 시 칼슘 이온이 유출되며 수축 경로를 증폭시킨다.
칼슘 이온의 또다른 용도는 혈액응고(blood coagulation) 과정에 관여하는 것으로, 칼슘은 아예 혈액응고인자의 일종인 '응고인자 4'로 명명되어 있고, 혈소판의 델타 과립 안에 보관되어 있다. 내피세포 밑에 부착된 혈소판 표면 인지질은 칼슘과 결합하여 응고인자 복합체 형성 과정을 개시할 준비를 하게 된다.
7. 섭취
일반 성인의 일일 칼슘 권장 섭취량은 600~700mg이다. 또 보통 폐경에 접어드는 50세 이상의 여자는 800mg를 권장한다. 나이가 들수록 칼슘은 좀 더 보충해 주는 것이 좋다. 한국의 조사에서는 대략 500mg을 섭취하고 있다고 한다. 외국, 특히 미국의 경우 1000mg까지 섭취하기를 권장하기도 한다.칼슘이 풍부한 대표적인 음식은 우유, 치즈, 요거트 등의 유제품과 멸치, 꽁치, 정어리, 뱅어포, 미꾸라지, 말린 새우 등 뼈째로 먹을 수 있는 생선이며, 두유, 두부, 비지 등의 콩류, 미역, 다시마 등의 해조류[4], 깻잎, 브로콜리, 케일, 상추 등의 녹황색 채소류도 칼슘 함유량이 높은 편이다. 한국인의 섭취 경로는 20대까지는 주로 우유, 30대 이상부터는 멸치가 주 섭취원으로 알려져 있다.
그러나 무턱대고 칼슘만 많다고 좋은 것이 아니다. 기존에는 우유나 치즈와 같은 유제품이 칼슘을 흡수하는 대표적인 음식으로 알려졌고 대중의 인식도 여전히 그렇지만 그동안의 많은 연구로 인해 실상은 이와 많이 다르다는 것이 밝혀졌다. 하버드 대학의 연구에 의하면 동물성 단백질에 들어있는 함황 아미노산은 체내의 골밀도를 낮출 수 있는 황산염을 생성한다는 연구 결과가 나왔으며, 또한 유제품에 들어있는 레티놀 성분은 칼슘의 흡수에 도움을 주는 비타민 D의 흡수를 억제한다. 그리고 녹황색 채소류의 경우 역시 안에 있는 옥살산염(수산염)이 칼슘의 흡수를 방해한다는 연구 결과가 있다.
그럼 대체 뭘 먹으라는 얘기가 나올 수 있다. 칼슘을 얻고 싶으면 칼슘에 목메기보다는 오히려 칼슘의 흡수를 도와주는 비타민 D를 섭취해야한다. 통계에 따르면 칼슘은 그리 모자라진 않지만 비타민 D는 많이 모자라다. 비타민 D를 식품으로 섭취하는 것도 가능하긴 하지만 그러기 어렵다면 비타민 D 보충제를 사용하는 것도 좋은 선택지다. 칼슘 없이 비타민 D만 섭취하는 건 오히려 뼈에 있는 칼슘을 빼내기 때문에 좋지 않으나, 대부분의 비타민 D 보충제는 칼슘도 이미 포함되어있으므로 성분만 잘 확인하면 크게 걱정하진 않아도 된다.
예전에는 의사, 약사들이 칼슘 보충제를[5] 사람들에게 많이 권장했으나, 긴 시간에 걸쳐서 연구를 진행해보니 칼슘 보충제를 과다하게 섭취하는 집단은 그렇지 않은 집단에 비해서 혈관이 굳어버리는 병( 뇌졸중, 심혈관계질환, 협심증, 심근경색, 동맥경화, 결석, 폐 석회화, 전립선암)의 발병률이 유의미하게 높게 나타나는 것으로 조사되었다. 그래서 근래 들어서는 칼슘 보충제를 추천하는 전문가가 별로 없다. 일부러 칼슘을 보충해야 한다면 보통 칼슘 흡수율을 높히는(?) 비타민 D 보충제를 칼슘이 많은 식품인 멸치 등과 함께 먹는 것을 권장하는 편. 다만 보충제와 자연식 간의 논쟁이 으레 그렇듯 이것도 연구 과정이 의심스럽다는 둥 갑론을박은 좀 있는듯 하다.
어쨌든 칼슘은 과다 섭취해도 요로결석 등이 찾아올 수 있기 때문에 상기했듯 권장 섭취량 내외에서 적절히 섭취할 필요가 있다. 참고로 Elkoushy 등에 따르면 1년간 결석으로 내원한 환자의 80%에서 비타민 D 결핍이나 부족(calcifediol ≤30 ng/mL)이 관찰되었고 National Health and Nutritional Examination Survey (NHANES III)에서도 787명의 결석 과거력이 있는 성인에서 calcifediol이 29 ng/mL로 정상에 비해 낮았다. #
8. 용도
비교적 대량으로 싸게 구할 수 있어서 화학공업에도 많이 사용되는데 주로 석회암의 주성분인 탄산칼슘, 생석회라고 불리는 산화 칼슘, 소석회라 불리는 수산화 칼슘, 석고라고 불리는 황산칼슘 등의 형태로 대량으로 사용되고 있다. 시멘트도 주원료는 석회암이다.동위원소인 칼슘-48은 무거운 원소 개발에 자주 쓰인다. 원자번호가 높은 원소일수록 핵을 구성하는 데에 많은 중성자가 필요한데, 가벼운 원소들 중 Ca-48만큼 중성자 비율이 높은 핵종을 찾기 어렵기 때문. 또한 칼슘-48은 매직넘버로 인해 다른 중성자가 과다한 동위원소들과 달리 안정적이다. 이 또한 방사성 동위원소인 것으로 밝혀졌지만 반감기가 약 6400경 년이므로 사실상 안정 동위원소라고 봐도 된다. 중성자가 많은 동위원소 중에서는 상당히 안정적인 편에 속한다.
식물에 다량 원소로 작용하는데, 보통 액포 내에 Ca(OH)2 꼴로 존재하며 마찬가지로 주 역할은 2차 전달자이다. 결핍되면 어린 분열조직의 뿌리나 정아의 괴사를 유발하며 뿌리가 갈색이 되고 짧아지는 현상이 나타난다.
9. 기타
- 칼슘이 부족하면 골다공증이 올 수 있다고 흔히 알려져있지만, 사실 칼슘 섭취만으론 골다공증 예방에 한계가 있다고 한다. 그만큼 중요한 게 운동이다. 자세한 내용은 골다공증 문서 참조.
- 뼈가 중력을 지탱할 필요가 없는 무중력 환경에서 생활하면 뼈의 칼슘이 1개월에 1%씩 소변을 통해 빠져나간다. 무중력 환경에서 생활할 때 오는 우주 멀미나 심장 기능 약화 등의 다른 질환은 시간이 지날수록 비교적 정상화되는 것에 비해, 유독 뼈의 칼슘이 소변을 통해 빠져나가는 것만큼은 시간이 지나도 무중력 환경에서 벗어나지 않는 한 변함없이 지속된다. 따라서 우주와 같은 무중력 환경에서 오랫동안 머물렀던 사람들은 지구로 귀환 시 뼈의 약화로 인한 골절 위험에 특히 주의해야 한다.
[1]
단, 예외적으로
베릴륨은 물과 반응하지 않으며,
마그네슘은 고온의 물이나 수증기에만 반응한다.
[2]
단, 알칼리 토금속 중
마그네슘(Mg)은 뜨거운 물에만 반응한다.
[3]
여담으로, 6번째 맛의 후보 중 가장 오래전부터 거론된 맛이 바로 칼슘맛(
깊은맛)이다.
[4]
김은 인의 비율이 칼슘보다 높기 때문에 예외.
[5]
대표적으로
오스칼이 있다.
[6]
한국의 경우 2년마다 한 번씩 영양 섭취 권장량만큼 섭취하고 있는지에 대한 여부를 검사하는 데 칼슘은 몇 년간 권장량에 도달한 적이 한 번도 없다. 다만 이 경우에도 지나치게 칼슘 수치가 떨어진 환자에 한해, 800mg 이하 정도의 저용량 보충제를 주의 깊게 처방해야 한다는 입장이 많다.
[7]
유치원에서 5대 영양소를 배울 때 "무기질" 대신 "칼슘"을 적기도 한다.
[8]
터븀으로 공격할 수 있어서 사실상 한방단어다.