Calcium ist ein üblicher Bestandteil aller natürlicher Gewässer. So befinden sich etwa in Meerwasser 400 ppm dieses Elements, was wohl auch damit zusammenhängt, dass es eines der am meisten vorkommenden Elemente in der Erdkruste ist und zudem ein wichtiger Bestandteil von Korallen. Der Calciumgehalt in Flusswasser liegt im Allgemeinen bei etwa 1-2 ppm, wobei der Wert in Kalkgebieten auf sogar 100 ppm ansteigen kann. Beispiele für Calciumkonzentrationen in Wasserorganismen sind die Meeresalge Luctuca mit etwa 800-6500 ppm (auf die Feuchtmasse bezogen) und Austergewebe mit circa 1500 ppm (auf die Trockenmasse bezogen).
Calcium ist in wässriger Lösung vor allem als Ca2+(aq) vorhanden, kommt jedoch auch in Form von CaOH+(aq) oder Ca(OH)2(aq) und in Meerwasser auch als CaSO4 vor.
Calcium ist ein wichtiger Bestandteil der Wasserhärte und wirkt als Stabilisator für den pH-Wert des Wassers, weil es eine puffernde Wirkung hat. Außerdem führt es zu einer Geschmacksverbesserung des Wassers.
Calcium reagiert, im Gegensatz zu Magnesium, das im Periodensystem direkt über Calcium steht, in elementarer Form auch bei Raumtemperatur mit Wasser. Die Reaktionsgleichung ist dann wie folgt:
Ca(s) + 2H2O(g) -> Ca(OH)2(aq) + H2(g)
Es entstehen also Calciumhydroxid, das als Lauge im Wasser gelöst bleibt, und Wasserstoffgas.
Abbildung: www.angelo.edu Andere Reaktionen, die wichtig sind, wenn es um Calcium und Wasser geht, sind einige Verwitterungsreaktionen, die zumeist in Anwesenheit von Kohlenstoffdioxid stattfinden. So ist etwa Calciumcarbonat in Wasser normalerweise nicht gut löslich. Ist jedoch Kohlenstoffdioxid in Wasser gelöst, entsteht Kohlensäure, wodurch die Calciumverbindung sehr wohl angegriffen wird.
Die Reaktionsgleichungen für diese Kohlensäureverwitterung sind:
H2O + CO2 -> H2CO3 und CaCO3 + H2CO3 -> Ca(HCO3)2
oder für die Gesamtreaktion:
CaCO3(s) + CO2(g) + 2H2O(l) -> Ca2+(aq) + 2 HCO3-(aq)
Es entsteht folglich Calciumhydrogencarbonat.
Calcium, in elementarer Form, reagiert mit Wasser. Seine Verbindungen können hingegen mehr oder weniger gut wasserlöslich sein. Calciumcarbonat besitzt eine Löslichkeit von 14 mg/L, die bei Anwesenheit von Kohlendioxid (siehe oben) jedoch verfünffacht werden kann. Auch Calciumphosphat ist zu nur etwa 20 mg/L löslich und Calciumfluorid zu 16 mg/L. Calciumchromat hingegen besitzt eine Wasserlöslichkeit von 170 g/L und die Löslichkeit von Calciumhypochlorit bei 0oC beträgt sogar 218 g/L. Andere Calciumverbindungen besitzen Wasserlöslichkeiten, die zwischen diesen Bereichen liegen, so etwa Calciumarsenat mit 140 mg/L, Calciumhydroxid mit 1,3 g/L und Calciumsulfat mit 2,7-8,8 g/L.
Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann Von Natur aus befindet sich Calcium, welches aus verschiedenen Gesteinen gelöst werden kann, in Gewässern. So sind etwa Kalkstein, Marmor, Kalzit, Dolomit, Gips, Fluorit und Apatit wichtige calciumhaltige Mineralien. Calcium ist Bestandteil der Wasserhärte, da es neben etwa auch Mg2+ im Wasser als Ca2+ gelöst vorliegt.
Calcium wird in verschiedenen Baustoffen verwendet, wie etwas Zement, Beton oder Mörtel, ist in Batterien enthalten und wird in Form von Calciumsulfat für Gipsverbände benutzt. Das Metall dient auch der Produktion von Zirkonium und Thorium. In der Stahlindustrie kann Calcium hilfreich sein als Flussmittel und es wird Aluminium-, Kupfer- und Bleilegierungen hinzugefügt. Außerdem kann Calcium Schwefeldioxid aus industriellen Abgasen absorbieren und schwefelhaltige Säuren neutralisieren, bevor sie in die Umwelt gelangen. Auch die chemische Industrie findet Verwendung für dieses Element. Calciumhypochlorit wurde früher als Bleichmittel und zur Desinfektion genutzt, Calciumphosphat in der Glas- und Porzellanherstellung und der Zuckerreinigung, Calciumpolysulfid und Calciumhydroxid als Flockungsmittel in der Abwasserbehandlung und Calciumfluorid als Trübungsmittel in der Emailindustrie, in der UV-Spektroskopie und als Rohstoff für die Herstellung von Flusssäure. Des weiteren kann Calcium für die Entkohlung und Entschwefelung von Eisen und dessen Legierungen und für die Entwässerung von Öl benutzt werden.
Kalkstein wird als Füllstoff für Papier verwendet, das auf die Weise viel weißer wird, und in Plastik, wie etwa PVC, um die Stärke und Stabilität zu verbessern.
Calcium hat oft einen positiven Effekt auf die Bodenqualität und wird in verschiedenen Verbindungen für Kalkdüngung verwendet. Im Obstanbau werden beispielsweise CaCl2- oder Ca(NO)3-Lösung gespritzt. Calciumoxid ist außerdem auch ein austrocknendes Molluskizid.
Außer für einige Insekten und Bakterien ist Calcium ein essentielles Element für alle Organismen. Calciumcarbonat ist der Baustoff für die Skelette der meisten marinen Lebewesen und die Linsen in Augen. Calciumphosphat hingegen wird für den Aufbau von Knochen und Zähnen von Landlebewesen benötigt. In pflanzlichen Organismen kommt vor allem Calciumoxalat vor. Der Calciumgehalt von Pflanzen liegt bei etwa 1% (auf die Trockenmasse bezogen).
Da Calcium zum Groβteil verantwortlich ist für die Wasserhärte, kann es einen positiven Einfluss haben, was die Toxizität anderer Stoffe angeht. Elemente wie Kupfer, Blei oder Zink haben in weichem Wasser eine giftigere Wirkung. Andererseits findet auf kalkreichen Böden oft eine Immobilisierung von Eisen statt. Dies kann zu Eisenmangelerscheinungen führen, auch wenn die eigentliche Eisenkonzentration des Bodens vollkommen ausreichend ist.
Auch auf aquatische Organismen hat die Wasserhärte Einfluss was die Giftigkeit von Metallen angeht. Bei weicherem Wasser wird die Durchlässigkeit der Kiemenmembranen erhöht. Außerdem steht Calcium in Konkurrenz mit anderen Kationen um die Bindungsmöglichkeiten an der Oberfläche der Kiemen. In hartem Wasser sind Fische daher besser geschützt vor der direkten Aufnahme von Metallionen. pH-Werte von 4,5-4,9 können schädlich für Lachseier und erwachsene Lachse sein, wenn zusätzlich der Gehalt an Ca2+, Na+ und Cl- sehr niedrig ist.
Verschiedene Calciumverbindungen können für Organismen sehr giftig sein. Der LD50-Wert, der angibt, bei welcher Menge eines Stoffs die Hälfte einer Population stirbt, ist zum Beispiel für Calciumarsenit bei der Ratte 20 mg pro kg Körpergewicht. Calciumcarbit bildet in Anwesenheit von Wasser das brennbare Ethin und ist deswegen als gefährlich einzustufen.
Andere Umwelteinflüsse, die indirekt aus der Wasserhärte resultieren, sind etwa die Verkalkung der Heizstäbe verschiedener Haushaltsgeräte bei sehr hartem Wasser, da bei hohen Temperaturen die sogenannte Carbonathärte ausfällt, wodurch die Lebensdauer dieser verkürzt wird. Außerdem tritt Calcium in Wechselwirkung mit Wasch- und Reinigungsmitteln. Es werden Kalkseifen gebildet, wodurch etwa der Waschmittelverbrauch steigt und Wasserenthärter zugegeben werden müssen (siehe auch Magnesium und Wasser).
Oft wird Wasser mit Hilfe von Ionenaustauschern enthärtet. Diese müssen mit Kochsalz regeneriert werden und belasten auf diese Weise das Abwasser.
Es gibt sechs natürliche Calciumisotope, die alle stabil sind. Inzwischen sind acht instabile Isotope hinzugekommen. So fällt etwa 45Ca in die Radiotoxizitätsklasse „hoch“.
Calcium ist ein für den Menschen essentielles Element, das mit einer Gesamtmenge von etwa 1,2 kg im menschlichen Körper vorhanden ist. Kein anderes Element kommt in größeren Mengen im Menschen vor. Hier macht es, vor allem in Form von Calciumphosphat, einen Großteil der Stützsubstanzen, wie Knochen und Zähne, aus, die in Zusammenarbeit mit Vitamin D gebildet werden. Außerdem ist es in Muskelgewebe und Blut zu finden. Calcium wird zur Bildung von Zellmembranen und zur Zellteilung benötigt und ist für Muskelkontraktionen und Blutgerinnung mitverantwortlich. Es reguliert Membranaktivitäten, hilft bei der Weiterleitung von Nervenimpulsen, löst die Freisetzung von Hormonen aus, hält den pH-Wert im Körper stabil und ist essentiell für die Befruchtung. Um diese Körperfunktionen in Stand zu halten wird eine tägliche Calciumaufnahme von 800-1000 mg beim Erwachsenen empfohlen, die durch den Konsum von Milchprodukten, Getreide und grünem Gemüse erreicht werden kann.
Calciumcarbonat hat die Wirkung eines Magensäuremittels und kann bei Verdauungsstörungen eingesetzt werden, Calciumlactat ist bei Calciummangel am besten geeignet und Calciumchlorid wirkt harntreibend.
Auch hartes Wasser hilft durch seinen hohen Calciumanteil starke Knochen und Zähne aufzubauen und senkt das Risiko auf Herzkrankheiten. Trinkwasser sollte einen Härtegrad von 8,4odH nicht unterschreiten. Einen indirekten positiven Effekt auf die Gesundheit hat Calcium, weil es in Wasserleitungen aus Blei eine Schutzschicht aus Blei(II)carbonat bildet, die verhindert, dass das Blei im Wasser gelöst wird und in den menschlichen Körper gelangt.
Natürlich kann Calcium in großen Mengen auch negative Effekte auf die Gesundheit haben. Die letale Dosis bei oraler Einnahme liegt durchschnittlich bei 5-50 mg/kg Körpergewicht. Calcium in Metallform wirkt stark ätzend auf Haut, Schleimhäute und Augen.
Um Calcium- und Magnesiumionen aus Wasser zu entfernen, benutzt man Wasserenthärter. Hierbei handelt es sich um Ionenaustauscher, die oft Na+-Ionen enthalten, diese loslassen und dafür Ca2+ und Mg2+ an sich binden.
Auch Calciumverbindungen selbst können für Wasseraufbereitung genutzt werden. So kann Trinkwasser mit Hilfe von Calciumcarbonat und Calciumhydroxid entsäuert und aufgehärtet werden.
Quellenangaben
Zum Periodensystem der Elemente
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