Calcium is een gewoonlijk bestanddeel van natuurlijke wateren. Zo bevat zeewater ongeveer 400 ppm van dit element. Een belangrijke reden hiervoor is dat calcium een van de meest voorkomende elementen in de aardkorst is en bovendien een belangrijk bestanddeel van koralen. Het calciumgehalte in rivieren ligt over het algemeen bij circa 1-2 ppm, waarbij deze waarde in kalkgebieden zelfs bij 100 ppm kan liggen. Voorbeelden voor calciumconcentraties in waterorganismen zijn het zeewier luctuca met circa 800-6500 ppm (vochtige stof gehalte) en oesterweefsel met rond 1500 ppm (drogestofgehalte).
Calcium is in waterige oplossing vooral als Ca2+(aq) aanwezig, maar komt ook in vorm van CaOH+(aq) of Ca(OH)2(aq) en in zeewater ook als CaSO4 voor.
Calcium is een belangrijk onderdeel van de hardheid van het water en functioneert als stabilisator voor de pH-waarde, omdat het een bufferende werking heeft. Bovendien is het verantwoordelijk voor een betere smaak van het water.
Elementair calcium reageert, in tegenstelling tot magnesium dat in het periodiek systeem direct boven calcium staat, ook bij kamertemperatuur met water. De reactievergelijking is dan als volgt:
Ca(s) + 2H2O(g) -> Ca(OH)2(aq) + H2(g)
Bij deze reactie ontstaat dus calciumhydroxide dat als loog in het water opgelost blijft, en waterstofgas.
Figuur: www.angelo.edu
Andere belangrijke reacties wat betreft calcium en water zijn verweringsreacties. Deze vinden meestal in aanwezigheid van koolstofdioxide plaats. Zo is bijvoorbeeld calciumcarbonaat in water normaal gesproken niet goed oplosbaar. Is daarentegen ook koolstofdioxide in het water opgelost, ontstaat koolzuur, waardoor deze calciumverbinding wel aangetast wordt.
De reactievergelijkingen voor deze koolzuurverwering zijn:
H2O + CO2 -> H2CO3 en CaCO3 + H2CO3 -> Ca(HCO3)2
of voor de totale reactie:
CaCO3(s) + CO2(g) + 2H2O(l) -> Ca2+(aq) + 2 HCO3-(aq)
Het product is zo te zien calciumhydrogeencarbonaat.
Calcium in zijn elementaire vorm reageert met water. Zijn verbindingen kunnen daarentegen min of meer goed oplosbaar zijn in water. Calciumcarbonaat heeft een oplosbaarheid van 14 mg/L die bij aanwezigheid van koolstofdioxide (zie boven) met een factor vijf vermenigvuldigd kan worden. Ook calciumfosfaat is tot slechts 20 mg/L oplosbaar en calciumfluoride tot 16 mg/L. Calciumchromaat daarentegen heeft een oplosbaarheid van 170 g/L in water en de oplosbaarheid van calciumhypochloriet bij 0oC ligt zelfs bij 218 g/L. Andere calciumverbindingen hebben oplosbaarheden die tussen deze gebieden liggen, namelijk bijvoorbeeld calciumarsenaat met 140 mg/L, calciumhydroxide met 1,3 g/L en calciumsulfaat met 2,7-8,8 g/L.
Oplosbaarheid en waardoor deze beïnvloed kan worden Calcium is van nature in wateren aanwezig. Het kan uit gesteentes zoals kalksteen, marmer, calciet, dolomiet, gips, fluoriet en apatiet opgelost worden. Calcium maakt een onderdeel uit van de hardheid van water, omdat het naast Mg2+ opgelost als Ca2+ in water te vinden is.
Calcium wordt in verschillende bouwmaterialen, bijvoorbeeld cement, metselkalk of beton, gebruikt, is in batterijen te vinden en wordt in vorm van calciumsulfaat voor gipsverbanden gebruikt. Het metaal wordt bij de productie van zirkonium en thorium toegepast. In de staalindustrie kan calcium als vloeimiddel van nut zijn en het wordt toegevoegd aan aluminium-, koper- en loodlegeringen. Bovendien kan calcium zwaveldioxide uit industriële uitlaatgassen extraheren en zwavelhoudende zuren neutraliseren voordat zij in het milieu terechtkomen. Andere voorbeelden voor toepassingen van calciumverbindingen zijn calciumhypochloride als bleekmiddel en voor desinfectie, calciumfosfaat in de glas- en porseleinindustrie en de suikerreiniging, calciumpolysulfide en calciumhydroxide als vlokmiddel in de afvalwaterbehandeling en calciumfluoride als vertroebelingmiddel in de emailindustrie, de UV-spectroscopie en als grondstof voor de productie van vloeizuur. Bovendien kan calcium worden ingezet bij de verwijdering van koolstof en zwavel uit ijzer en ijzerlegeringen en de ontwatering van olie. Kalksteen wordt als vulstof voor papier gebruikt dat op deze manier duidelijk witter wordt, en in plastic om de sterkte en stabiliteit te verbeteren.
Calcium heeft vaak een positief effect op de bodemkwaliteit en wordt in verschillende verbindingen als meststof gebruikt. Bij de fruitteelt worden bijvoorbeeld CaCl2- of Ca(NO)3-oplossing gespoten. Calciumoxide is bovendien een uitdrogend molluscicide.
Behalve voor enkele insecten en bacteriën is calcium een essentieel element voor alle organismen. Calciumcarbonaat is de bouwstof voor het skelet van de meeste marine organismen en de lenzen van ogen. Calciumfosfaat daarentegen wordt voor de opbouw van botten en tanden van landbewoners benodigd. In plantaardige organismen komt vooral calciumoxalaat voor. Het calciumgehalte van planten ligt bij ongeveer 1% (drogestofgehalte).
Omdat calcium voor een groot deel verantwoordelijk is voor de hardheid van water, kan het een positieve invloed hebben wat betreft de toxiciteit van andere stoffen. Elementen zoals koper, lood of zink hebben in zacht water een giftigere werking.
Aan de ander kant vindt in kalkrijke bodems vaak een immobilisering van ijzer plaats. Dit kan leiden tot een ijzertekort, ook al is de eigenlijke ijzerconcentratie van de grond ruim voldoende.
De hardheid heeft ook invloed op aquatische organismen wat betreft de giftigheid van metalen. Bij zachter water wordt de doorlatendheid van de kieuwmembranen verhoogd. Bovendien concurreert calcium met andere kationen om de bindingsmogelijkheden aan het oppervlak van de kieuwen. In hard water zijn vissen vandaar beter beschermd voor de directe opname van metaalionen. pH-waardes van 4,5-4,9 kunnen schadelijk zijn voor zalmeieren en volwassene dieren, als tegelijkertijd het gehalte aan Ca2+, Na+ en Cl- heel laag is.
Verschillende calciumverbindingen kunnen voor organismen heel giftig zijn. De LD50-waarde die aangeeft bij welke hoeveelheid van een stof de helft van een populatie sterft, is bijvoorbeeld van calciumarseniet bij de rat 20 mg per kilogram lichaamsgewicht. Calciumcarbid vormt in aanwezigheid van water ontvlambaar ethyn en is daarom als gevaarlijk te beschouwen.
Andere milieu-invloeden die indirect uit de hardheid van water resulteren, zijn bijvoorbeeld de verkalking van de gloeispiraal van huishoudelijke apparaten bij heel hard water, omdat bij hoge temperaturen de zogenoemde carbonaathardheid ontstaat. Hierdoor kan de leefduur van de apparaten duidelijk worden verkort waardoor meer afval aanvalt. Ook bestaat een wisselwerking van calciumcarbonaat met was- en reinigingsmiddelen. Er worden complexen gevormd waardoor het wasmiddel niet meer kan functioneren en op die manier het verbruik aan wasmiddel en ontharder stijgt. (zie ook Magnesium en water)
Vaak wordt water met behulp van ionenwisselaars onthard. Deze moeten met keukenzout geregenereerd worden en belasten op deze manier het afvalwater.
Er zijn zes natuurlijke calciumisotopen die allemaal stabiel zijn. Inmiddels zijn er nog acht instabiele isotopen bijgekomen. Zo valt bijvoorbeeld 45Ca in de radiotoxiciteitsklas “hoog”.
Calcium is een voor de mens essentieel element dat met een totale hoeveelheid van circa 1,2 kg in het menselijke lichaam vertegenwoordigd is. Geen ander element komt in grotere hoeveelheden in de mens voor. Hier werkt het in vorm van calciumfosfaat als steunsubstantie, omdat het in samenwerking met vitamine D botten en tanden vormt. Bovendien is calcium in spierweefsel en bloed te vinden. Het is voor de vorming van celmembranen en de celdeling nodig en medeverantwoordelijk voor spiercontracties en de bloedstolling. Ook reguleert het membraanactiviteiten, helpt het bij de overdracht van zenuwimpulsen, regelt het de productie van hormonen, houdt het de pH-waarde in het lichaam stabiel en is het essentieel voor de bevruchting. Om deze lichaamsfuncties werkende te houden wordt een dagelijkse calciuminname van 800-1000 mg bij volwassenen aanbevolen. Dit kan door de consumptie van zuivel, granen en groene groentesoorten bereikt worden.
Calciumcarbonaat heeft de werking van een maagzuurmiddel en kan bij storingen van de spijsvertering ingezet worden. Calciumlactaat is goed geschikt om een tekort aan calcium tegen te werken en calciumchloride heeft een diuretische werking.
Ook hard water helpt door zijn hoog gehalte aan calcium om sterke botten en tanden op te bouwen en het verlaagt de kans op hartziektes. De hardheid van drinkwater kan beter niet lager zijn dan 8,4odH. Een indirect positief effect op de gezondheid heeft calcium, omdat het in waterleidingen van lood een beschermende laag van lood(II)carbonaat vormt. Dit voorkomt dat het lood in het drinkwater opgelost wordt en op deze manier in het menselijke lichaam terechtkomt.
Natuurlijk kan calcium in grote hoeveelheden ook negatieve invloeden op de gezondheid hebben. De letale dosis bij een orale inname ligt gemiddeld bij 5-50 mg/kg lichaamsgewicht. Calcium in metaalvorm heeft een invretende werking bij contact met huid, slijmvliezen en ogen.
Om calcium- en magnesiumionen uit water te verwijderen gebruikt men waterontharders. Hierbij gaat het om ionenwisselaars die vaak Na+-ionen bevatten, deze vrijlaten en in plaats daarvan Ca2+ en Mg2+ aan zich binden.
Ook calciumverbindingen zelf kunnen voor waterbehandeling worden gebruikt. Zo kan drinkwater met behulp van calciumcarbonaat en calciumhydroxide ontzuurt en harder gemaakt worden.
Literatuurverwijzingen
Terug naar het periodiek systeem der elementen
Terug naar de overzicht van elementen en water | | | | |
