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Physikalisch-chemische Eigenschaften |
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Calcium
ist im reinen Zustand ein silbergrau glänzendes Leichtmetall, das
an der Luft infolge einer Oxidation jedoch dunkelgrau anläuft. Es
ist weich und dehnbar.
Calcium besitzt ein sehr negatives Normalpotential und ist ein sehr unedles Metall. In seinen chemischen Eigenschaften zeigt es Verwandtschaft mit Strontium und Barium. Bei höheren Temperaturen verbrennt es an der Luft zu Calciumoxid und Calciumnitrid: 2 Ca + O2 
2 CaO DHR
= -1270 kJ/mol
3 Ca + N2
Ca3N2 DHR
= -433 kJ/mol
Mit Wasserstoff reagiert das Calcium zu Calciumhydrid: Ca + H2
CaH2 DHR
= -186 kJ/mol
Mit Wasser entsteht unter Wasserstoffbildung Calciumhydroxid: Ca + 2 H2O
Ca(OH)2 + H2
DHR
= -986 kJ/mol
Das dabei entstehende Calciumhydroxid ist eine Lauge und bleibt teilweise im Wasser gelöst. Die Lösung ist auch unter dem Namen Kalkwasser bekannt. Die Lauge ist jedoch nicht so stark wie die Natronlauge, die bei der Reaktion von Natrium mit Wasser entsteht. Auch mit den meisten Säuren löst sich Calcium unter Bildung von Wasserstoff und der entsprechenden Salze rasch auf. Calciumionen spielen im Stoffwechsel der Lebewesen und auch im natürlichen Kalkkreislauf eine bedeutende Rolle. Der Gehalt von Calciumionen im Wasser wird zur Bestimmung der Wasserhärte herangezogen. Das Vorhandensein von Calciumionen bei Verbrennungen führt zu einer hellroten Flammenfarbe, die in der Flammprobe zum Nachweis von Calciumionen dient.
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Physiologie |
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Calcium
ist für den Menschen und viele Tierarten ein bedeutendes Bioelement.
Die Knochen der Wirbeltiere bestehen
zu etwa zwei Dritteln aus mineralischer Substanz (Calciumphosphat und Calciumcarbonat)
und zu einem Drittel aus organischer Substanz (Gerüsteiweiße
und Fette). Letztere sind für die Elastizität der Knochen verantwortlich,
die Mineralsubstanz bewirkt die Druckfestigkeit. Die Zähne des Menschen
enthalten in ihrem Inneren eine knochenähnliche Substanz, während
der äußere Zahnschmelz aus dem härteren Apatit
gebildet wird. Die Schalen von Vogel- und Reptilieneiern bestehen zu 90%
aus Calciumcarbonat und ermöglichen ein perfektes System bei der Entwicklung
von Leben.
Beim Menschen spielen die Calciumionen bei der Blutgerinnung eine entscheidende Rolle. Die Skelett- und Herzmuskulatur funktioniert nur, wenn sich Calcium- und Magnesiumionen als Gegenspieler in einem Gleichgewicht befinden. In den Nervenzellen wirken sie als Regelelement. Ein Calciummangel kann durch chronischen Alkoholkonsum oder durch falsche Ernährung verursacht werden. Während der Schwangerschaft tritt ein erhöhter Bedarf auf. Als Symptome bei einem Mangel kommen Muskelkrämpfe und im fortgeschrittenen Stadium auch ein Abbau der Knochensubstanz vor. Milchprodukte, grüne Gemüse und Fische mit weichen Gräten wie Lachs gelten als besonders calciumreich. |
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Vorkommen |
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Mit
einem Massenanteil von 3,39 % steht das Calcium an 5. Stelle der Elementhäufigkeit
in der Erdhülle. In elementarer Form kommt es in der Natur aufgrund
der großen Reaktionsfähigkeit nicht vor. Es existieren jedoch
ca. 200 bekannte Minerale, die Calciumatome in chemisch gebundener Form
enthalten. Das Calciumcarbonat
CaCO3 zeigt eine Vielzahl an stofflichen Erscheinungsformen.
Die Minerale Calcit und Aragonit,
Gips, Fluorit
und diverse Feldspäte enthalten beispielsweise Calciumverbindungen.
Dolomit und Kalkstein bilden ganze
Gebirge. Aber auch in Lebewesen kommen
die Calciumverbindungen in Knochen, Zähnen, Eierschalen und Gehäusen,
sowie in verschiedenen Pflanzen vor. Die weltweiten Calciumreserven erscheinen
aufgrund der mannigfaltigen Erscheinungsformen nahezu unbegrenzt.
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Geschichte |
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Das
Element Calcium wurde im Jahre 1808 von Sir
Humphry Davy in London entdeckt und erstmals in verunreinigter Form
durch eine Elektrolyse aus Calciumhydroxid
dargestellt. Der von Davy gegebene Name leitete sich vom lateinischen Wort
calx ab, was soviel wie Kalkstein bedeutet. Fast zur gleichen Zeit
stellten die schwedischen Chemiker J.J.
Berzelius und Magnus Martin Pontin in Stockholm das Metall her. Die
Herstellung von reinem Calcium gelang erst H.F. Moissan im Jahre 1898 durch
eine Reduktion von wasserfreiem Calciumiodid mit Natrium.
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Herstellung |
| Bis
zum 2. Weltkrieg erfolgte die Herstellung durch eine Schmelzflusselektrolyse
aus Calciumchlorid, das als Nebenprodukt
bei der Sodaherstellung anfiel. Die
großtechnische Herstellung erfolgt heute jedoch durch eine Redoxreaktion
mit Aluminium und gebranntem
Kalk:
4 CaO + 2 Al
Ca[Al2O4] + 3 Ca
Das vorbereitete Gemisch wird in einer Retorte im Vakuum auf ca. 1200°C erhitzt. Der entstehende Calciumdampf wird abgeleitet und kondensiert im gekühlten Teil der Retorte. Man erhält Rohcalcium mit einem Reinheitsgrad von ca. 99%. Hochreines Calcium erhält man durch eine nachfolgende Vakuumdestillation. |
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Verwendung |
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Elementares
Calcium dient zur Herstellung von Metallen wie Chrom,
Vanadium, Plutonium
oder Uran aus Erzen. Die Oxide, Chloride und
Fluoride werden dabei durch das unedle Calcium reduziert. In der Metallindustrie
dienen Calciumlegierungen als Desoxidationsmittel und zur Entschwefelung
oder Entkohlung von Roheisen oder Stählen. Eine große Bedeutung
besitzen Calciumverbindungen wie Calciumcarbonat,
Calciumoxid (Branntkalk), Calciumhydroxid
(Löschkalk) oder Calciumchlorid.
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Calciumverbindungen im Portrait |
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| Copyright: Thomas Seilnacht |
Gefahr
