Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Calcium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 197 pm — das entspricht 0,197 nm; etwa 2,54 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Calcium ist über einen Bereich von 642 K flüssig, von 1115 K bis 1757 K.
Die Geschichte
Calcium ist das Element, das Knochen, Muschelschalen und Zivilisationen aufbaut. Dieses silbrig glänzende Metall ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste und das häufigste Metall in Ihrem Körper – Über 2 Pfund davon stärken Ihr Skelett. Von den Kalksteinpyramiden der Antike bis zu modernen Betonlandschaften ist Calciumcarbonat seit Jahrtausenden das bevorzugte Baumaterial der Menschheit. Ihre Knochen lösen sich ständig auf und werden neu aufgebaut, wobei Calcium durch Ihren Blutkreislauf dorthin gelangt, wo es am dringendsten benötigt wird. Calcium dient jedoch nicht nur der Struktur – jede Muskelkontraktion, einschließlich Ihres Herzschlags, hängt davon ab, dass Calciumionen in die Muskelzellen einströmen. Ohne Calcium wären Ihre Muskeln gelähmt, Ihr Blut würde nicht gerinnen und Ihre Nerven könnten keine Signale übertragen. Stalaktiten und Stalagmiten in Höhlen sind die Kunstwerke des Calciums, die sich über Jahrtausende Tropfen für Tropfen gebildet haben.
Prähistorische Nutzung: Menschen verwendeten Calciumverbindungen seit über 10.000 Jahren, ohne es zu wissen. Antike Baumeister mischten zerkleinerten Kalkstein mit Wasser, um den ersten Mörtel herzustellen, ohne zu erkennen, dass sie mit einem der häufigsten Elemente der Erde arbeiteten.
Römische Ingenieurskunst: Die Römer vervollkommneten hydraulischen Zement, indem sie Vulkanasche (Puzzolan) mit Kalk (Calciumoxid) mischten. So entstanden Betonkonstruktionen wie die Kuppel des Pantheons, die nach 2.000 Jahren noch heute steht. Sie nannten ihn „calx viva“ (Branntkalk), weil er heftig mit Wasser reagiert.
Im Jahr 1808, nur wenige Monate nach seiner spektakulären Entdeckung von Kalium und Natrium, wandte Humphry Davy seine Aufmerksamkeit den geheimnisvollen „Erden“ zu – Stoffen wie Kalk, die allen bisherigen Versuchen zur Zersetzung widerstanden hatten.
Die Herausforderung: Calciumoxid (Kalk) unterschied sich bekanntermaßen von einfacher Erde, doch niemand konnte es in einfachere Bestandteile zerlegen. Frühere Chemiker wie Lavoisier vermuteten, dass es ein Metall enthalten könnte, verfügten jedoch nicht über die Werkzeuge, um dies zu beweisen.
Versuchsaufbau: Davy stellte eine Mischung aus Kalk (CaO) und Quecksilberoxid (HgO) her und setzte sie anschließend dem starken elektrischen Strom seiner leistungsfähigen Voltaschen Säule aus. Das Quecksilberoxid machte die Mischung leitfähig und schützte gleichzeitig das unbekannte Metall vor sofortiger Oxidation.
Der Moment der Entdeckung: An der Kathode erschienen winzige silbrige Kügelchen – kein Quecksilber, sondern etwas völlig Neues. Diese Metallkügelchen waren jedoch äußerst reaktiv: Sie liefen an der Luft sofort an und reagierten heftig mit Wasser.
Herausforderungen bei der Isolierung: Im Gegensatz zu Kalium und Natrium war Calcium noch schwieriger zu isolieren und zu untersuchen. Es erforderte eine inerte Atmosphäre und bildete sofort einen weißen Oxidüberzug, der eine Analyse nahezu unmöglich machte.
Physikalische Eigenschaften: Davy stellte fest, dass Calcium härter als Natrium oder Kalium war und im reinen Zustand eine charakteristische gelbe Farbe hatte. Es war weniger dicht als Wasser, aber dennoch äußerst reaktiv und musste unter Öl gelagert werden, um eine Entzündung zu verhindern.
Chemisches Verhalten: Das Metall reagierte explosionsartig mit Wasser und erzeugte gasförmigen Wasserstoff sowie Calciumhydroxid. Beim Erhitzen an der Luft brannte es mit einer leuchtend roten Flamme – eine Eigenschaft, die später bei Feuerwerkskörpern und Leuchtsignalen genutzt wurde.
Etymologie: Davy benannte das Element „calcium“ nach dem lateinischen „calx“, was Kalk bedeutet. Dies war umstritten, weil einige Chemiker es „calcium“ nennen wollten, passend zum Benennungsmuster anderer Metalle wie Natrium und Kalium.
Auswahl des Symbols: Das Symbol „Ca“ wurde allgemein akzeptiert und ist damit eines der wenigen Elementsymbole, die genau mit den ersten beiden Buchstaben ihres englischen Namens übereinstimmen.
Unmittelbare Anwendungen: Davys Entdeckung revolutionierte das Verständnis von Kalk und Kalkstein. Sie erklärte, warum Kalk im Bauwesen so nützlich war – das Calcium bildete starke chemische Bindungen mit anderen Materialien.
Wandel in der Stahlindustrie: Das Verständnis der Calciumchemie führte zu verbesserten Verfahren der Stahlherstellung. Die Zugabe von Kalk zur Entfernung von Verunreinigungen wurde zur Standardpraxis und ermöglichte den Bau von Eisenbahnen, Brücken und Wolkenkratzern.
Agrarrevolution: Die Erkenntnis über die Rolle von Calcium führte zum wissenschaftlich begründeten Einsatz von Kalk in der Landwirtschaft, um saure Böden zu neutralisieren, die Ernteerträge deutlich zu steigern und das Bevölkerungswachstum zu unterstützen.
Medizinisches Verständnis: Davys Arbeit weckte das Interesse an der biologischen Rolle von Calcium. In den 1850er-Jahren erkannten Wissenschaftler, dass Calcium für die Knochenbildung und Muskelfunktion unerlässlich ist, was zur modernen Ernährungswissenschaft führte.
Vermächtnis der Forschung: Die Isolierung von Calcium eröffnete neue Forschungswege in der Biochemie, Materialwissenschaft und Geochemie, die bis heute fortbestehen. Die moderne Calciumforschung umfasst seine Rolle bei der zellulären Signalübertragung, beim Klimawandel (Versauerung der Meere) und bei modernen Werkstoffen.
Anwendungen
Calciumverbindungen bilden das Rückgrat des modernen Bauwesens und sorgen für Festigkeit, Haltbarkeit und Vielseitigkeit in Baumaterialien, die die menschliche Zivilisation seit Jahrtausenden geprägt haben.
Herstellung von Zement: Die Produktion von Portlandzement beginnt mit dem Erhitzen von Kalkstein (CaCO₃) auf 1450°C in Drehöfen, wobei CO₂ ausgetrieben wird und Calciumoxid (Branntkalk) entsteht. Dieses wird anschließend mit Ton und anderen Materialien vermischt, um Calciumsilikate und -aluminate zu bilden – die aktiven Verbindungen, die Beton seine Festigkeit verleihen.
Betonchemie: Wenn Zement mit Wasser vermischt wird, bildet sich ein Calciumsilikathydratgel (C-S-H), das außergewöhnlich starke Bindungen erzeugt. Dieser Prozess setzt sich über Jahrzehnte fort, weshalb Beton mit der Zeit tatsächlich stärker wird. Calcium liefert das strukturelle Gerüst, das es Wolkenkratzern und Brücken ermöglicht, enorme Lasten zu tragen.
Stahlraffination: Calciumoxid (Kalk) ist für die Stahlherstellung unverzichtbar, da es als Flussmittel wirkt und Verunreinigungen wie Phosphor und Schwefel entfernt. In Hochöfen verbindet sich Kalk mit Siliciumdioxid-Verunreinigungen zu Calciumsilikatschlacke, die über dem geschmolzenen Eisen schwimmt und leicht entfernt werden kann.
Entschwefelung: Die Injektion von Calciumcarbid entfernt Schwefel aus geschmolzenem Stahl, verbessert seine Verarbeitbarkeit und verhindert Sprödigkeit. Dieser Prozess ermöglichte die Herstellung hochwertiger Stähle für Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie.
Papierherstellung: Calciumcarbonat dient bei der Papierherstellung sowohl als Füllstoff als auch als Beschichtungsmittel. Es erhöht Helligkeit, Opazität und Glätte und senkt gleichzeitig die Kosten. Gefälltes Calciumcarbonat (PCC) wird für verschiedene Papiersorten auf bestimmte Partikelgrößen eingestellt.
Kunststoff- und Polymerindustrie: Gemahlenes Calciumcarbonat (GCC) wirkt in Kunststoffen als verstärkender Füllstoff, verbessert die Schlagfestigkeit und senkt die Materialkosten. Es findet sich in allem, von PVC-Rohren bis zu Automobilteilen, wo es die mechanischen Eigenschaften verbessert und gleichzeitig das Gewicht reduziert.
Rauchgasentschwefelung: Kraftwerke verwenden calciumhaltige Sorptionsmittel, um Schwefeldioxid aus Emissionen zu entfernen. Kalksteinsuspension reagiert mit SO₂ zu Calciumsulfit, das anschließend zu Gips oxidiert wird – einem wertvollen Nebenprodukt, das bei der Herstellung von Gipskartonplatten verwendet wird.
Wasserenthärtung: Calciumhydroxid (gelöschter Kalk) stellt in Wasseraufbereitungsanlagen den pH-Wert ein und fällt unerwünschte Metalle aus. Das Kalk-Soda-Verfahren entfernt Calcium- und Magnesiumionen, die für die Wasserhärte verantwortlich sind, aus der kommunalen Wasserversorgung.
Herstellung von Calciummetall: Hochreines Calciummetall wird durch die Elektrolyse von geschmolzenem Calciumchlorid hergestellt. Dieses Metall dient als Reduktionsmittel zur Herstellung anderer reaktiver Metalle wie Uran, Thorium und Seltenerdelementen für elektronische Anwendungen.
Optische Materialien: Calciumfluoridkristalle (Fluorit) werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen Klarheit und geringen Dispersion in hochwertigen Kameraobjektiven und Teleskopoptiken verwendet. Diese Kristalle werden unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen gezüchtet, um optische Perfektion zu erreichen.
Woher es stammt
41500 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 97 % der Elemente
Calcium ist das 5. häufigste Element in der Erdkruste (4,15 Gewichtsprozent) und damit häufiger als Eisen sowie grundlegend für die geologische Struktur unseres Planeten. Diese Häufigkeit spiegelt die entscheidende Rolle von Calcium im Gesteinskreislauf und bei der Bildung der Kontinente der Erde wider.
Wichtige gesteinsbildende Minerale:
Ozeanisches Reservoir: Meerwasser enthält Über 400 Teile Calcium pro Million Teile Wasser. Dieser Wert wird durch ein komplexes Gleichgewicht zwischen dem Eintrag aus Flüssen (1,5 Milliarden Tonnen jährlich) und biologischen sowie chemischen Entfernungsprozessen aufrechterhalten.
Karbonatkompensationstiefe: Unterhalb von 4.000 Metern im Ozean löst sich Calciumcarbonat schneller auf, als es sich ansammelt. Dadurch entsteht eine natürliche „Schneelinie“ für Karbonatminerale. Diese Tiefe variiert je nach Meereschemie und Temperatur.
Korallenriffbildung: Tropische Korallenriffe sind gewaltige Produktionsstätten für Calciumcarbonat. Dort entnehmen Organismen Calcium- und Carbonationen aus dem Meerwasser, um ihre Skelette aufzubauen. Das Great Barrier Reef enthält schätzungsweise 2,9 Milliarden Tonnen Calciumcarbonat.
Bildung von Schalen und Skeletten: Meeresorganismen haben hochentwickelte Mechanismen zur Ausfällung von Calciumcarbonat entwickelt. Weichtiere steuern die Kristallbildung mithilfe spezialisierter Proteine und erzeugen Schalen, die zu 95 % aus Calciumcarbonat bestehen, aber doppelt so fest sind wie synthetische Materialien.
Biomineralisationsprozess: Organismen wie Foraminiferen und Coccolithophoriden entnehmen gelöste Calcium- und Carbonationen aus dem Meerwasser und konzentrieren sie in spezialisierten Zellkompartimenten, wo die Kristallisation unter biologischer Kontrolle stattfindet.
White Cliffs of Dover: Diese ikonischen Kreideklippen bestehen fast vollständig aus Calciumcarbonat mikroskopisch kleiner Meeresorganismen (Coccolithen), die vor 100 Millionen Jahren im Kreidemeer lebten.
Carlsbad Caverns, New Mexico: Gewaltige Kalksteinhöhlen, die über Millionen von Jahren durch leicht saures Grundwasser ausgehöhlt wurden, das Calciumcarbonat löste. Dieser Prozess dauert bis heute an; neue Formationen wachsen mit einer Rate von 1 Zoll pro 100 Jahre.
Himalaya: Enthält ausgedehnte Kalksteinformationen, die einst Teil des Meeresbodens des Tethysmeers waren und vor 50 Millionen Jahren während der Kollision zwischen Indien und Asien angehoben wurden.
McMurdo Dry Valleys, Antarktis: Enthalten einzigartige Calciumulfatablagerungen, die durch die Verdunstung hypersaliner Seen entstanden. Sie liefern Erkenntnisse über ähnliche Prozesse, die auf dem Mars stattgefunden haben könnten.
Stellare Nukleosynthese: Calcium-40 entsteht durch Siliciumbrennen in massereichen Sternen bei Temperaturen von über 3 Milliarden Kelvin. Der Prozess erfordert die schnelle aufeinanderfolgende Fusion von Silicium-28 mit drei Alphateilchen.
Supernovaproduktion: Calcium entsteht hauptsächlich bei Typ-Ia-Supernovae, bei denen explosive Kernfusion große Mengen mittelschwerer Elemente erzeugt. Diese kosmischen Explosionen reicherten das interstellare Medium mit Calcium an, aus dem schließlich unser Sonnensystem entstand.
Meteoritische Belege: Calcium-Aluminium-reiche Einschlüsse (CAIs) in Meteoriten gehören zu den ältesten festen Materialien unseres Sonnensystems (4,567 Milliarden Jahre alt). Sie entstanden in den heißen inneren Regionen des Sonnennebels.
Heiße Quellen: In vielen Geothermalgebieten fällt Calciumcarbonat (Travertin) aus, wenn heißes, calciumreiches Wasser abkühlt und CO₂ freisetzt. Die Mammoth Hot Springs im Yellowstone lagern täglich bis zu 2 Tonnen Travertin ab.
Mittelozeanische Rücken: Hydrothermale Quellen erzeugen calciumreiche Flüssigkeiten, die mit Meerwasser reagieren. Dabei bilden sich einzigartige Mineralgemeinschaften und es entstehen Lebensgemeinschaften, die auf Calciumcarbonatstrukturen angewiesen sind.
Handhabung
Risikostufe: NIEDRIG bis MITTEL – Calciumverbindungen sind im Allgemeinen sicher und für die menschliche Gesundheit unerlässlich, doch bestimmte Formen erfordern einen sorgfältigen Umgang.
Beim Umgang mit Calciummetall:
Für Calciumoxid (Kalk):
Calciummetall: Unter Mineralöl oder inertem gasförmigem Gas (Argon) in dicht verschlossenen Behältern lagern. Von Wasser, Säuren und Oxidationsmitteln fernhalten. Verschüttetes Material mit trockenem Sand aufnehmen, niemals mit Wasser.
Calciumoxid (Branntkalk): In trockenen, gut belüfteten Bereichen in feuchtigkeitsdichten Behältern lagern. Dieses Material erzeugt bei Nässe erhebliche Wärme – es kann Brände in organischen Materialien verursachen.
Calciumverbindungen: Die meisten sind stabil und können sicher unter normalen Bedingungen gelagert werden. In dicht verschlossenen Behältern aufbewahren, um Feuchtigkeitsaufnahme und Verklumpen zu verhindern.
Empfohlene tägliche Aufnahme:
Obergrenze: 2,500 mg/Tag für Erwachsene (übermäßiges Calcium kann die Aufnahme von Eisen und Zink beeinträchtigen und Nierensteine verursachen)
OSHA-Grenzwerte: Keine spezifischen Arbeitsplatzgrenzwerte für die Exposition gegenüber den meisten Calciumverbindungen (im Allgemeinen als sicher anerkannt)
Kontakt mit Calciumoxid:
Brand von Calciummetall: Feuerlöscher der Klasse D verwenden (Sand, Natriumchlorid oder spezielles Trockenlöschpulver). Niemals Wasser verwenden – dadurch wird der Brand verschlimmert.
Wärmeentwicklung: Die Reaktion von Calciumoxid mit Wasser erzeugt genug Wärme, um schwere Verbrennungen zu verursachen, und kann brennbare Materialien entzünden. Calciumoxid immer langsam in Wasser geben, niemals umgekehrt.
Staubkontrolle: Calciumoxid- und Carbonatstäube können die Atemwege reizen. Staubabsaugsysteme und, wenn möglich, Nassverfahren verwenden.
Lebensmittelqualität vs. Industriequalität: Für Ernährungszwecke ausschließlich Calciumverbindungen in Lebensmittelqualität verwenden. Industriequalitäten können schädliche Verunreinigungen enthalten.
Wechselwirkungen mit Arzneimitteln: Calciumpräparate können die Aufnahme bestimmter Medikamente beeinträchtigen, darunter Antibiotika, Schilddrüsenmedikamente und Bisphosphonate. Medikamente mindestens 2+ Stunden getrennt von Calciumpräparaten einnehmen.
Schnelle Antworten
Calcium (Symbol Ca) ist Element 20 im Periodensystem, ein Erdalkalimetall in der 4, Gruppe 2. Strukturelles Element von Knochen, Schalen und Zement: Calcium ermöglicht es dem Leben, harte Dinge zu bauen. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Ar] 4s²; sie ergibt 4 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 8, 2.Calcium schmilzt bei 1115 K (841.9 °C) und siedet bei 1757 K (1483.9 °C).
Die Standardatommasse von Calcium beträgt 40.078 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Calcium hat eine Dichte von 1.54 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Calcium ungefähr 1.5× schwerer.
Calcium hat eine Elektronegativität von 1 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Ein so niedriger Wert bedeutet, dass es seine Außenelektronen leicht abgibt und dabei positive Ionen bildet.
Calcium wurde 1808 von Humphry Davy entdeckt. Es ist nach lateinisch calx, „Kalk“ benannt.
Calcium macht Über 4.15 % der Erdkruste aus — es gehört zu den häufigsten Elementen überhaupt.