Calcium

Eigenschaften
[Ar]4s2 20 Ca Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Calcium, Ca, 20
Serie	Erdalkalimetalle
Gruppe, Periode, Block	2, 4, s
Aussehen	silbrig weiß
Massenanteil an der Erdhülle	3,39 %
Atomar
Atommasse	40,078 u
Atomradius (berechnet)	180 (194) pm
Kovalenter Radius	174 pm
Van-der-Waals-Radius	pm
Elektronenkonfiguration	[Ar]4s2
Elektronen pro Energieniveau	2, 8, 8, 2
Austrittsarbeit	2,9 eV
1. Ionisierungsenergie	589,8 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1145,4 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert
Dichte	1,55 g/cm3
Mohshärte	1,75
Magnetismus	paramagnetisch
Schmelzpunkt	1115 K (842 °C)
Siedepunkt	1757 K (1484 °C)
Molares Volumen	26,20 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	153,6 kJ/mol
Schmelzwärme	8,54 kJ/mol
Dampfdruck	254 Pa bei 1112 K
Schallgeschwindigkeit	3810 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	632 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	29,8 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit	201 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	+2
Oxide (Basizität)	CaO (stark basisch)
Normalpotential	−2,87 V (Ca2+ + 2e− → Ca)
Elektronegativität	1,00 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 40Ca 96,941 % Stabil 41Ca {syn.} 103.000 a ε 0,421 41K 42Ca 0,647 % Stabil 43Ca 0,135 % Stabil 44Ca 2,086 % Stabil 45Ca {syn.} 162,61 d β- 0,257 45Sc 46Ca 0,004 % Stabil 47Ca {syn.} 4,536 d β- 1,992 47Sc 48Ca 0,187 % > 6 · 1018 a β-β- 4,272 48Ti
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 E fL bei B = 4,7 T in MHz 43Ca −7/2 1,8 · 107 0,0064 13,5
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I
F Leichtent- zündlich
R- und S-Sätze	R: 15
	S: (2-)8-24/25-43
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Calcium (fachsprachlich) bzw. Kalzium ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Ca und der Ordnungszahl 20.

Das glänzende silberweiße Metall begegnet uns in der Umwelt nur in gebundener Form als Bestandteil von Mineralien wie z. B. Kalkstein (auch als Calcit, Kalkspat oder Marmor), Kreide und Gips; außerdem ist es wesentlicher Bestandteil der Knochen.

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Geschichte

Der Name „Calcium“ leitet sich vom lateinischen calx ab. So bezeichneten die Römer Kalkstein, Kreide und daraus hergestellten Mörtel.

Elementares Calcium gewann erstmals Sir Humphry Davy 1808 durch Abdampfen des Quecksilbers aus elektrolytisch gewonnenem Calciumamalgam.

Vorkommen

Calcium ist das fünft-häufigste Element der Erdkruste. Aufgrund seiner chemischen Reaktivität kommt es nur chemisch gebunden natürlich vor. Calciumhaltige Minerale wie Calcit und Gips sind in großen Mengen vorhanden (z. B. bestehen die Alpen vorwiegend aus Kalkstein).

Als essentieller Bestandteil der belebten Materie ist es am Aufbau von Blättern, Knochen, Zähnen und Muscheln beteiligt. Neben K⁺, Na⁺ spielt Ca²⁺ eine wichtige Rolle bei der Reizübertragung in Nervenzellen. Aber auch in anderen Zellen spielen Calcium-Ionen eine wichtige Rolle bei der Signaltransduktion.

Eigenschaften

  Calcium ist weicher als Blei, lässt sich aber mit einem Messer nicht schneiden. In der Luft läuft es schnell an. Mit Wasser reagiert es heftig unter Bildung von Calciumhydroxid und Wasserstoff. An der Luft verbrennt es zu Calciumoxid und ein wenig Calciumnitrid. Fein verteiltes Calcium ist selbstentzündlich.

Calcium gehört zu den Erdalkalimetallen und liegt in chemischen Verbindungen fast nur in der Oxidationszahl +2 vor, d. h. Calcium-Ionen sind doppelt positiv geladen.

Herstellung

Das Metall wird unter Vakuum durch Reduktion von gebranntem Kalk (Calciumoxid) mit Aluminiumpulver bei 1200 °C (Pidgeon Prozess) hergestellt. Aluminium hat zwar eine geringere Reaktivität und Enthalpie als Calcium, so dass das Gleichgewicht der Reaktion

eigentlich fast völlig auf der linken Seite dieser Gleichung liegt. Trotzdem funktioniert dieser Herstellungsprozess, weil das entstehende Calcium bei dieser Temperatur ständig verdampft und so aus dem Gleichgewicht verschwindet. Eine Reinigung erfolgt durch Destillation des Calciums.

Verwendung

Metallisches Calcium dient als Reduktionsmittel in der Metallurgie zur Herstellung von Metallen wie Thorium, Vanadium, Zirconium, Yttrium und anderen Metallen der seltenen Erden, als Reduktionsmittel in der Stahl- und Aluminiumherstellung, als Legierungszusatz in Aluminium-, Beryllium-, Kupfer-, Blei- und Magnesiumlegierungen. Ausgangsstoff zur Herstellung von Calciumhydrid.

Die technische Nutzung des Calciums erfolgt überwiegend in gebundener Form.

Kalkstein ist einer der wichtigsten Rohstoffe der heutigen Industrie :

• Verschlackungsmittel in der Stahlherstellung. Der Verbrauch liegt bei 0,5 Tonnen Kalkstein pro Tonne Stahl
• Ausgangsstoff zur Herstellung von gebranntem Kalk
• Kreide als Füllstoff für Kunststoffe, zum Beispiel PVC. Ziel ist die Verbesserung der Steifigkeit und Schlagzähigkeit, sowie eine Verringerung der Schrumpfung. Die ebenfalls stark erhöhte thermische Leitfähigkeit erlaubt höhere Arbeitstakte beim Extrudieren.
• Feinkörniges Calciumcarbonat dient als Füllstoff von hochwertigem, holzfreiem Papier

Calciumsulfat (Gips) wird als Baustoff verwendet

Calciumcarbid dient als Ausgangsstoff für chemische Synthesen und zur Herstellung von Kalkstickstoff-Dünger

Calciumchlorid dient als Tau- und Trocknungsmittel sowie als Beton-Abbindebeschleuniger

Nachweis

Neben der bei Calcium orange-roten Flammenfärbung weist man Calcium-, Strontium- und Barium-Kationen mit Schwefelsäure oder Ammoniumsulfatlösung nach. Bei dieser Nachweisreaktion entstehen weiße, säure-unlösliche Niederschläge. Auch mit Carbonat-, Oxalat- und Dichromat-Anionen können Niederschläge unterschiedlich geringer Löslichkeit erzeugt werden. Deren genauere Untersuchung lässt dann eine Unterscheidung der Erdalkalimetall-Kationen zu (vgl. unter Kationentrenngang und Ammoniumcarbonatgruppe).

Funktionen im menschlichen Organismus

Calcium ist ein Mengenelement (Definition: Element mit mehr als 50 mg pro kg Körpergewicht) und gehört damit nicht zu den Spurenelementen. Mit einem Körperbestand von 1–1,1 kg ist Calcium der mengenmäßig am stärksten vertretene Mineralstoff im menschlichen Organismus. 99 % des im Körper vorkommenden Calciums befinden sich in Knochen und Zähnen – die calciumreiche Verbindung Hydroxylapatit (Ca₅(PO₄)₃(OH)) verleiht ihnen Stabilität und Festigkeit. Gleichzeitig dienen die Knochen als Speicher für Calcium – bei Calciummangel kann ein Teil davon aus den Knochen gelöst und für andere Aufgaben zur Verfügung gestellt werden. Die Knochenentkalkung, Osteoporose, kommt vor allem bei älteren Menschen vor. Calcium ist an der Blutgerinnung, an der Erregung von Muskeln und Nerven sowie an der Aktivierung einiger Enzyme und Hormone beteiligt. Wie erstmals Setsuro Ebashi nachwies, führt erst der Einstrom von Calcium-Ionen in die Muskelzellen zu einer Kontraktion der Muskulatur. Im Blut muss ständig eine Konzentration von 2,1–2,6 mmol/l Calcium gegeben sein. Sie wird durch die Hormone Calcitriol, Kalzitonin und Parathormon reguliert.

Ernährungsempfehlungen

Risikogruppen für eine unzureichende Calciumzufuhr sind junge Frauen, Schwangere, Stillende und Senioren.

Die empfohlene Tageszufuhr für Erwachsene liegt bei 1000 mg. Voraussetzung dafür, dass Calcium in größeren Mengen vom Körper aufgenommen werden kann, ist eine ausreichende Versorgung mit Vitamin D3. Durch die gleichzeitige Zufuhr von Oxalsäure, Phytinsäure und Ballaststoffen wird die Calciumaufnahme verringert. Ausgeschieden wird Calcium über den Harn und über den Stuhl, wobei unter anderem eine hohe Zufuhr von Eiweiß, Speisesalz, Kaffee oder Alkohol die Calciumausscheidung erhöht. Beim Eiweiß ist vor allem das tierische für eine erhöhte Calciumausscheidung verantwortlich. Dies liegt daran, dass das tierische Eiweiß viele Aminosäuren beinhaltet, in denen Schwefel enthalten ist. Der Schwefel bildet im Stoffwechsel Säuren, die eine Entmineralisierung der Knochen auslösen.

Jedoch ist die empfohlene Calciumaufnahme in vielen Ländern unterschiedlich, was die Unsicherheit über den tatsächlichen Bedarf widerspiegelt. Hinzu kommt noch, dass der menschliche Verdauungstrakt die Absorption dem jeweiligen Bedarf und der zur Verfügung stehenden Menge anpasst. So ist es schwierig, die untere Grenze des Calciumbedarfs festzulegen, da diese stark von der Lebens- und Ernährungsweise des jeweiligen Menschen abhängt. So kann es dazu kommen, dass der Mensch von 800 mg aufgenommenen Calciums nur ca. 15 % absorbiert. Im Allgemeinem geht man davon aus, dass ein durchschnittlicher Erwachsener etwa 30–40 % des aufgenommenen Calciums absorbiert. Bei Säuglingen oder auch bei Schwangeren bzw. stillenden Frauen erhöht sich dieser Wert auf bis zu 75 %.

ÖGN* = Österreichische Gesellschaft für Ernährung

Calciumgehalt einiger ausgewählter Lebensmittel

Lebensmittel (pro 100 g verzehrbaren Anteil) Calcium (mg)

• Samen
  • Mohn ca. 2500
  • Sesam ca. 780
  • Tofu ca. 500
  • Mandeln ca. 240
  • Haselnüsse ca. 230
  • Amaranth ca. 214
  • Paranüsse ca. 170
  • Sojabohnen, gekocht, ca. 70
  • Hafermehl ca. 50
  • Sonnenblumenkerne ca. 50

• Milchprodukte
  • Hartkäse 1100–1300
  • Schnittkäse 500–1100
  • Weichkäse 300–500
  • Milch (Rohmilch, Vollmilch, H-Milch, Buttermilch, Dickmilch, fettarme Milch (1.5% Fett)) 100–150
  • Joghurt, Kefir 100–150
  • Molke 70–100

• Gemüse
  • Brennnesseln ca. 360
  • Grünkohl ca. 210
  • Petersilie ca. 200
  • Brunnenkresse ca. 180
  • Löwenzahn ca. 160
  • Rucola ca. 160
  • Spinat ca. 160
  • Chinakohl ca. 150
  • Fenchel ca. 110
  • Brokkoli ca. 100
  • Meerrettich ca. 100
  • Bleichsellerie ca. 80
  • Rote Rüben ca. 20

• Früchte
  • Feigen, getrocknet ca. 250

• Brot
  • Vollkornbrot ca. 50

Verbindungen

• Apatit
• Calciumacetat
• Calciumbromid
• Calciumcarbid
• Calciumcarbonat, Kalkstein, Marmor
• Calciumcitrat
• Calciumchlorid
• Calciumfluorid
• Calciumgluconat (parentales Calcium)
• Calciumhydroxid, gelöschter Kalk
• Calciumlactat
• Calciumlactatgluconat
• Calciumnitrat
• Calciumoxid, gebrannter Kalk
• Calciumphosphat
• Calciumpropionat
• Calciumproprionat
• Calciumsilikat
• Calciumsulfat, Gips
• Calciumdinatriumethylendiamintetraacetat

Siehe auch

• Calciumkanal
• Calciumantagonist
• Calciummangel