Рассмотрение экологических вопросов требует, наряду с традиционными биологическими, географическими, социальными и другими аспектами, химического подхода. В основе процессов жизнедеятельности, как и в основе изменения химического состава окружающей среды, лежит превращение веществ. Для описания экологических систем и управления ими в условиях нарастающего возмущения этих систем деятельностью человека необходимо знание химических механизмов взаимодействия между человеком, средой его обитания и отдельными экологическими подсистемами. С другой стороны, химия и химическое производство как неотъемлемые составные части процесса развития цивилизации ответственны за многие экологические проблемы, без них человек не может полноценно существовать на земле, а также эффективно преодолевать негативные последствия своей деятельности.

Интеграционные процессы в химии и экологии находят свое отражение в образовании. При моделировании учебных курсов использован вариативный подход к построению их содержания. Для углубления общеэкологических знаний в курсе химии преобладает биосферная концепция. В курсе химии для усиления экологической компоненты стоит расставить акценты на проблеме загрязнения окружающей среды, превращении веществ под воздействием внешних факторов, отраслевые концепции и критерии, и физико-химические методы очистки природных сред, особого внимания заслуживает элемент кальций.

1.3 Кальций и его распространенность в природе

Кальций (Calcium) Ca – химический элемент периодической системы элементов Д.И. Менделеева с порядковым номером 20 и атомной массой 40,08 а.е.м. Природный кальций образован 6 стабильными изотопами: кальций – 40 (96,94%), кальций – 44 (2,09%), кальций – 42 (0,067%), кальций – 48 (0,187%), кальций – 43 (0,135%), кальций – 46 (0,003%). Основные характеристики атома кальция таковы: строение внешнего энергетического уровня 4 s2, степень окисления +2, очень редко +1, электороотрицательность по Полингу 1,0; атомный радиус 0,197 нм [5].

Металлический кальций был впервые получен в 1808 году Г. Дэви методом электролиза; название элемента кальция происходит от латинского «калькс» – мел, мрамор, известняк и т.п.

По распространенности в земной коре кальций занимает пятое место – его содержание составляет 3,38% по массе. Кальций встречается только в виде соединений, чаще всего солей кислородсодержащих кислот. Известно около 400 минералов, содержащих данный элемент. Наиболее распространенны различные силикаты и алюмосиликаты, в частности анортит Ca3[Al2Si2O8], диопсид CaMg[SiO6], волластонид Ca[Si3O9], также промышленное значение имеют кальцит (известняк, мрамор, мел)CaCO3, доломит CaMg(CO3)2 фосфорит Ca5(PO4)3(OH, CO3), апатиты Ca5(PO4)3(F, Cl), гипс CaSO4 ∙ 2 H2O, флюорит CaF2 и др. Значительное количество кальция находится в природных водах вследствие существования глобального карбонатного равновесия между практически нерастворимым карбонатом кальция, хорошо растворимым гидрокарбонатом кальция и находящимся в воде и воздухе диоксиде углерода. Заметное количество кальция содержится в организме человека и животных, в частности, гидроксилапатит – в костной ткани позвоночных, карбонат кальция – в раковинах моллюсков, яичной скорлупе.

Применение кальция основано на следующих моментах: при металлотермическом получении урана, тория, циркония, цезия, рубидия и некоторых лантаноидов из их соединений, для удаления примесей кислорода, азота, серы, фосфора из сталей, бронз и других сплавов, для обезвоживания многих органических жидкостей, очистки аргона от примесей азота, в качестве геттер в вакуумных устройствах, легирующего элемента для алюминиевых сплавов и модифицирующей добавки для магниевых сплавов. Сплавы кальция со свинцом являются антифрикционными материалами в производстве подшипников. Еще большее применение нашли соединения кальция. Например, карбонат кальция применяют в качестве антацидного средства, при повышенной кислотности желудочного сока, хлорид кальция организму необходим для осуществления передачи нервных импульсов, сокращения сердечных и скелетных мышц, для формирования костной ткани, свертывания крови и нормальной деятельности других органов и систем.

1.4 Метаболизм кальция в организме человека

Метаболизм кальция.

К функциям кальция в организме относятся:

· структурная (кости, зубы);

· сигнальная (внутриклеточный вторичный мессенджер-посредник);

· ферментативная (кофермент факторов свертывания крови);

· нейромышечная (контроль возбудимости, выделение нейротрансмиттеров, инициация мышечного сокращения).

Главная роль в метаболизме кальция в организме человека принадлежит костной ткани. В костях кальций представлен фосфатами – Са3(РО4)2 (85%), карбонатами – СаСО3 (10%), солями органических кислот – лимонной и молочной (около 5%). Вне скелета кальций содержится во внеклеточной жидкости и практически отсутствует в клетках. В состав плотного матрикса кости, наряду с коллагеном, входит фосфат кальция – кристаллическое минеральное соединение, близкое к гидроксилапатиту Са10(РО4)6(ОН)2. Часть ионов Са2+ замещена ионами Mg2+, незначительная часть ионов ОН- – ионами фтора, которые повышают прочность кости. Минеральные компоненты костной ткани находятся в состоянии химического равновесия с ионами кальция и фосфата сыворотки крови. Клетки костной ткани могут ускорять отложение или, наоборот, растворение минеральных компонентов при локальных изменениях рН, концентрации ионов Са2+, НРО42-, хелатообразующих соединений [6]. В организме взрослого человека содержится 1–2 кг кальция, 98% которого находится в составе скелета [А. Уайт и соавт., 1981]. Он составляет около 2% массы тела (примерно 30 моль). В крови уровень кальция – 9–11 мг/100 мл (2,2–2,8 ммоль/л), во внеклеточной жидкости – около 20 мг/100 мл. Регуляция обмена кальция между вне- и внутриклеточной жидкостью осуществляется паратгормоном, кальцитонином, 1,25 – диоксихолекальциферолом. При уменьшении концентрации ионов кальция возрастает секреция паратиреотропного гормона (ПТГ), и остеокласты увеличивают растворение содержащихся в костях минеральных соединений. ПТГ увеличивает одновременно реабсорбцию ионов Са2+ в почечных канальцах. В итоге повышается уровень кальция в сыворотке крови. При увеличении содержания ионов кальция секретируется кальцитонин, который снижает концентрацию ионов Са2+ за счет отложения кальция результате деятельности остеобластов. В процессе регуляции участвует витамин D, он требуется для синтеза кальцийсвязывающих белков, необходимых для всасывания ионов Са2+ в кишечнике, реабсорбции его в почках. Постоянное поступление витамина D необходимо для нормального течения процессов кальцификации. Изменение уровня кальция в крови могут вызывать тироксин, андрогены, которые повышают содержание ионов Са2+, и глюкокортикоиды, снижающие его. Ионы Са2+ связывают многие белки, в том числе некоторые белки системы свертывания крови. В белках системы свертывания содержатся кальций-связывающие участки, образование которых зависит от витамина К.