Periodensystem: Calcium

Calcium ist im reinen Zustand ein silbrig glänzendes Leichtmetall, das an der Luft infolge einer Oxidation relativ schnell dunkelgrau anläuft. Es ist weich und dehnbar. Calcium ist ein sehr unedles Metall. In seinen chemischen Eigenschaften zeigt es Verwandtschaft mit Strontium und Barium. Nach dem Zünden mit einem Brenner verbrennt es an der Luft unter Funkensprühen zu Calciumoxid, gleichzeitig entsteht mit dem Stickstoff der Luft auch Calciumnitrid. Dieses wirkt stark reizend auf die Atemwege.

Granuliertes Calcium verbrennt an der Luft

Nach dem Zünden mit einem Brenner verbrennt das Calcium mit roter Flamme.

Mit Wasserstoff reagiert Calcium zu Calciumhydrid CaH₂. Mit Wasser entsteht unter Wasserstoffbildung Calciumhydroxid Ca(OH)₂. Die alkalische Lösung ist unter dem Namen Kalkwasser bekannt. Auch mit den meisten Säuren löst sich Calcium unter Bildung von Wasserstoff und der entsprechenden Salze rasch auf.

Calcium-Ionen spielen im Stoffwechsel der Lebewesen und auch im natürlichen Kalkkreislauf eine bedeutende Rolle. Der Gehalt an Calcium-Ionen im Wasser wird zur Bestimmung der Wasserhärte herangezogen. Das Vorhandensein der Ionen bei Verbrennungen führt zu einer hellroten Flammenfarbe, die in der Flammprobe zum Nachweis von Calciumsalzen dient.

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 Prozent aus Calciumcarbonat und ermöglichen ein perfektes System bei der Entwicklung von Leben.

Beim Menschen spielen die Calcium-Ionen bei der Blutgerinnung eine entscheidende Rolle. Die Skelett- und Herzmuskulatur funktioniert nur, wenn sich Calcium- und Magnesium-Ionen 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.

Häufigkeit sehr häufig

Mit einem Massenanteil von 3,4 Prozent steht Calcium an 5. Stelle der Elementhäufigkeit in der Erdhülle. In elementarer Form kommt es in der Natur aufgrund der großen Reaktionsfähigkeit nicht vor. Calciumminerale sind in der Natur sehr häufig vertreten: Es existieren mindestens 1400 bekannte Minerale, die Calcium-Atome in chemisch gebundener Form enthalten [Lit 119]. Das Calciumcarbonat CaCO₃zeigt viele 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.

Kalksteine waren dem Menschen schon in der Steinzeit bekannt. Die Höhlenmaler wussten, dass das Sickerwasser aus der Felswand ihre Farbkunstwerke konservierten. Das darin gelöste Calciumhydrogencarbonat zersetzt sich beim Verdunsten des Wassers zu Kohlenstoffdioxid und Kalk. Dieser bildet einen Kalksinter, der das Kunstwerk dauerhaft konserviert. Die Römer stellten aus Muscheln oder Kalkstein gebrannten Kalk her. Beim Löschen des Branntkalks mit Wasser und Sand entsteht ein Mörtel, der als Bindemittel für Mauersteine geeignet ist. Bei der Reaktion des gelöschten Kalks mit dem Kohlenstoffdioxid aus der Luft härtet das Bindemittel aus; dabei entsteht wieder Kalk. Von dem lateinischen Wort calx („Kalkstein“) ist das deutsche Wort für Kalk abgeleitet.

Die Alchemisten des Mittelalters glaubten, dass die Wärmeabgabe beim Kalklöschen darauf zurückzuführen ist, dass der Branntkalk die zugeführte Wärme beim Erhitzen als inneres Feuer speichert und diese Hitze beim Kalklöschen wieder abgegeben wird. Sie bezeichneten den Prozess des Kalkbrennens als Calcination. Dieser Begriff wurde auf alle chemischen Vorgänge ausgedehnt, bei denen durch Einwirkung von Feuer ein neuer Stoff entstand. [Lit. 12]

Einen ersten Hinweis auf das im Kalk enthaltene Element findet sich 1789 bei Lavoisier: In seiner berühmten Tabelle mit den „substances simples“ ist Chaux („Kalk“) unter den salzbildenden und erdigen Substanzen aufgeführt. Lavoisier konnte mit den damaligen Methoden aber kein Calcium aus dem Kalk gewinnen.

Sir Humphry Davy war der erste, der 1808 in London erstmals Calcium darstellen konnte. Bei der Schmelzflusselektrolyse von Calciumhydroxid erhielt er zunächst ein Calciumamalgam, das Quecksilber enthielt, weil er Quecksilberelektroden verwendete. Durch vorsichtiges Erhitzen konnte er das Quecksilber abdampfen, so dass er Calcium in verunreinigter Form erhielt. Der von Davy vergebene Name leitete sich vom lateinischen Wort calx für Kalk ab. Fast zur gleichen Zeit stellten die schwedischen Chemiker J.J. Berzelius und Magnus Martin Pontin in Stockholm das Metall her. Die Herstellung von relativ reinem Calcium gelang erst H.F. Moissan im Jahr 1898 durch eine Reduktion von wasserfreiem Calciumiodid mit Natrium.

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:

Das vorbereitete Gemisch wird in einer Retorte im Vakuum auf etwa 1200 °C erhitzt. Der entstehende Calciumdampf wird abgeleitet und kondensiert im gekühlten Teil der Retorte. Man erhält Rohcalcium mit etwa 99 Prozent Reinheit. Hochreines Calcium erhält man durch eine nachfolgende Vakuumdestillation.

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.