Készítette: Tóth Krisztián. Web: http://krissz.hu

Kálcium

20
40.08
2
Ca
4s2
Kálcium
Alapadatok
Név, vegyjel, rendszám kalcium, Ca, 20
Elemi sorozat alkáliföldfémek
Csoport, periódus, mező 2, 4, s
Megjelenés ezüstfehér
Atomtömeg 40,078(4) g/mol
Elektronszerkezet [Ar] 4s2
Elektronok héjanként 2, 8, 8, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot szilárd
Sűrűség (szobahőm.) 1,55 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on 1,378 g/cm³
Olvadáspont 1115 K
(842 °C, 1548 °F)
Forráspont 1757 K
(1484 °C, 2703 °F)
Olvadáshő 8,54 kJ/mol
Párolgáshő 154,7 kJ/mol
Moláris hőkapacitás (25 °C) 25,929 J/(mol·K)
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet köbös lapközéppontos
Oxidációs állapotok 2
(erősen bázikus oxid)
Elektronegativitás 1,00 (Pauling-skála)
Ionizációs energia 1.: 589,8 kJ/mol
Atomsugár 180 pm
Atomsugár (számított) 194 pm
Kovalens sugár 174 pm
Egyéb jellemzők
Mágnesség paramágneses
Fajlagos ellenállás 1,68·10-8 Ω·m
Hővezetési tényező (300 K) 201 W/(m·K)
Hőtágulási tényező (25 °C) 22,3 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd) (20 °C) 3810 m/s
Young-modulus 20 GPa
Nyírási modulus 7,4 GPa
Bulk modulusz 17 GPa
Poisson-arányszám 0,31
Mohs-keménység 1,75
Brinell-keménység 167 HB
CAS-szám 7440-70-2

A Kálcium bővebb leírása

A kalcium (nyelvújításkori magyar nevén: mészeny, latinul calcium) kémiai elem az elemek periódusos rendszerében. Vegyjele Ca, protonszáma 20. Moltömege 40,078 g/mol. Puha, könnyű fém, mely az alkáliföldfémek közé tartozik. A földkéregben előforduló elemek közül az ötödik leggyakoribb. Hevesen reagál oxigénnel és vízzel, ezért a természetben csak vegyületei fordulnak elő. Mint biogén elem, minden élő sejt egyik építőköve. Az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló fém a szervezetben. Latin nevét a mészről (latinul calx) kapta. A kalcium sói a lángot téglavörösre festik. A kalciumot Humphry Davy fedezte fel 1808-ban. A kalcium rendkívül fontos szerepet tölt be az élő szervezetekben, elsősorban a sejtfolyamatokban, így az egyik leggyakoribb fém az élő szervezetekben.

Fizikai-kémiai tulajdonságai

A kalcium lángfestése

Viszonylag könnyű, puha, reakcióképes fém, mely tulajdonságaival az alkálifémekre hasonlít, mint az alkáliföldfémek őt megelőző elemére a magnéziumra. Cseppfolyós ammóniában sötétkék színnel oldódik. A kalcium a jobb elektromos és hővezetők körébe tartozik. Az alkálifémeknél kisebb reakciókészségű, ennek ellenére petróleum alatt érdemes tárolni, hogy megakadályozzuk az oxidációját. A sói a lángot téglavörösre festik.

A természetben különböző sói fordulnak elő, melyekben a kalcium +2 oxidációs számmal szerepel (Ca2+). A laboratóriumban előállítható szuperbázisa, melyekben Ca2- anion fordulhat elő, ezen anion vegyületei azonban nagyon instabilak, a legerősebb redukálószerek közé tartoznak. A kalcium szobahőmérsékleten reagál oxigénnel kalcium-oxidot és vízzel kalcium-hidroxidot képezve. Hevítés hatására reagál nitrogénnel kalcium-nitridet (Ca3N2) képezve, illetve hidrogénnel kalcium-hidridet (CaH2) képezve. Sok egyéb elemmel és vegyülettel reagál.

Történeti áttekintése

A kalcium vegyületek az ókortól ismertek. A mészkő illetve a márvány égetésével már ekkoriban is és mind a mai napig égetett meszet (kalcium-oxidot, CaO) állítottak elő. Az égetett mész vízzel való reakciójakor kalcium-hidroxid, vagyis oltott mész keletkezik, ami fontos építési alapanyag (a cement és a habarcsok egyik alkotója), emellett fertőtlenítő hatással is bír, így fehér falfestékként is használják. A habarcsot az ókorban mészkő mellett gipszből (kalcium-szulfát dihidrát CaSO4.2 H2O) is készítették.

Míg az ókori Rómában főként mészkőből készítették a habarcsot, addig az ókori Egyiptomban főként gipszből, ezért az ókori Egyiptomi sírkövek és piramisok falburkolata általában tartalmaz gipszet is. A habarcskészítés munkálatairól írt a kis-ázsiai Dioszkoridész a Krisztus utáni 1. században. Dioszkoridész adta a kalcium-oxidnak az égetett mész nevet. A kalcium neve a latin calx szóból származik, amely meszet jelent.

A kalciumot elsőként sir Humphry Davy állította elő 1808-ban kalcium amalgám elektrolízisével, amelyet gyengén nedvesített kalcium-hidroxid elektrolízise során nyert higany katódon.

Előfordulása a természetben

Nagy reakciókészségének köszönhetően a kalcium csak vegyületei formájában fordul elő a természetben. Minden természetes vegyületében Ca2+ kation formában van jelen. Mint biogén elem, az egyike az élő szervezetbeli sejtek alapvető építőköveinek. A földkéreg igen nagy részét alkotják a kalciumtartalmú ásványok és kőzetek. A kalcium alkotja a földkéreg 3,4 - 4,2%-át, így az ötödik legnagyobb mennyiségben előforduló elem és a harmadik leggyakoribb fém a földkéregben, így helye a vas és a magnézium között helyezkedik el. A tengervízben a átlagos koncentrációja 0,4 g Ca/l, a világűrben egy Ca-atom jut félmillió hidrogénatomra.

A kalcium leggyakoribb kőzete a mészkő (főként kalcium-karbonát CaCO3 különböző formákban), melyet kalcit és aragonit (kémiailag azonos anyagok) ásványok alkotnak főleg. A mészkő igen gyakori kőzet, csaknem mindenütt előfordul, ahol nagyobb mennyiségű biológiai eredetű vagy őskori (elsősorban másodkori) tengeri lerakódásoknál képződött. Kettős karbonátja, melyet dolomitnak (kalcium-magnézium-karbonát (CaMg(CO3)2) neveznek, főként Kaliforniában, Kanadában, Mandzsúriában, Dél-Ausztráliában, Brazíliában, Európában pedig Stájerországban, Szlovákiában és Euboián fordul elő. Európában az egyik leggazdagabb ország kalciumforrásban Csehország.

Mészköves szirtfal Dover mellett


A kalciumásványok különleges típusát képezi a pórusos kréta, amely csaknem tiszta kalcium-karbonát, szinte fénylő fehér színű, mely főként a La Manche csatorna vagy a Rügen sziget partjai mentén fordul elő. Legnagyobb lelőhelyei a földtörténeti kréta korban keletkeztek az őstengerekben a karbonátok kicsapódásával és lerakódásával. Az ilyen lerakódások sok ősi élőlény vázát is megőrizték magukban. Neve utal rá, hogy egykor az iskolai krétát is ebből az ásványból készítették, azonban a mai kréta kalcium-szulfát (gipsz) alapú, melyet porának préselésével állítanak elő.

Cseppkő barlang

A mészkő legértékesebb származéka a márvány vagy travertin, melyet elsősorban dekorációs célokra használnak, épületek részeit és szobrokat készítenek belőle. A márvány a mészkőből nagy nyomáson és hőmérsékleten átkristályosodás során képződik, ezért metamorf (átalakulási) kőzetnek tekintjük. A márvány végső színe függ a mészkőben jelenlévő színezőanyagoktól. Az egyik leghíresebb márványfajta az Appenini-félszigeten található carrarai fehér márvány.

Mészkő fosszíliákkal

A mészkőképződés egyik fontos geológiai jelensége a karsztosodás. A karbonát (CaCO3 vízben gyakorlatilag nem oldódik) és hidrogén-karbonát (Ca(HCO3)2 vízben jól oldódik) között átalakulás játszódhat le. A karsztosodás lényege, hogy amennyiben a föld alatti, kalcium-hidrogén-karbonát tartalmú víz mélyebb rétegekben lassan elveszíti víztartalmát és karbonát formájában kiválik. Ezen folyamat során játszódik le a cseppkőképződés. A cseppkőbarlangokban igen gazdag Szlovákia. A cseppkövek (3 fajtái a sztalaktit, a sztalagmit és a sztalagnát) növekedése rendkívül lassú folyamat.

Fluorit (lila) és kalcit (fehér) kristályai

Egyéb ásványok

  • Apatit Ca3(PO4)2.Ca(F, Cl)2 egy meglehetősen bonyolult összetételű kalcium-foszfát származék, a természetes kalcium-források egyik jelentős képviselője.
  • Fluorit egy ásvány, melynek kémiai összetétele CaF2 (kalcium-fluorid). Legjelentősebb lelőhelyei Kína, Amerikai Egyesült Államok, Anglia, Németország és Csehország. Mivel rendkívül különböző színekben fordul elő, így dekoratív kőként is használják, de emellett fluort is állítanak elő belőle.
  • Gipsz vagy szelenit kalcium-szulfát dihidrát CaSO4 · 2 H2O. Meglehetősen gyakori Közép-Európában (Csehország, Szlovákia, Németország, Ausztria) és az Egyesült Államokban.
  • Kevésbé ismert ásványai az anhidrit CaSO4, tachhidrid CaCl2.2 MgCl2.12 H2O, polihalit K2SO4.MgSO4.2 CaSO4.2 H2O, glauberit Na2S4.CaSO4, scheelit CaWO4, arzeniosziderit 6 CaO.3 As2O3.4 Fe2O3.9 H2O, wollasztonit Ca2[Si2O6] és sok egyéb nitrát, jodát, karbonát, foszfát, arzenát, borát és szilikát.

Előállítás

A fém kalciumot az iparban kalcium-klorid és kalcium-fluorid vagy kálium-klorid keverékének olvadék elektrolízisével állítják elő. Ezen elemi reakció másik terméke a klór vagy fluor, melyet iparilag dolgoznak fel. Az elektrolízishez grafit anódot használnak, melyen a klór vagy a fluor válik ki és vas katódot, melyen a kalcium válik ki.

Nagy tisztaságú kalcium állítható elő kalcium-klorid és alumínium reakciójával, amely során alumínium-klorid keletkezik, mely a reakció körülményei közötti magasabb hőmérsékleten folyékony. A reakció során keletkező fém kalciumot desztillációval nagy vákuum mellett tisztítható.

Kis mennyiségű elsősorban laboratóriumi előállításhoz használható a kalcium-azid bomlása nitrogénre és kalciumra.

Évente 1000 tonna kalciumot gyártanak.

Felhasználása

  • Az elemi kalcium igen erős redukálószer, a finoman szétoszlatott kalciumot szerves redukciókhoz használják, de fontos szerepet kap más fémek redukciójánál (például urán, cirkónium, tórium) is.
  • A fém kalcium nagy reaktivitását a metallurgiában a kén és oxigén kis mennyiségének eltávolítására használják a vas olvadékból az acélgyártás során.
  • A kalciumot használják mint adalékanyagot az üvegbe, illetve bizonyos ötvözetekbe. Ezen ötvözetek közé tartozik az ólomtartalmú csapágyfém, melynek német gyártmánya 0,7% kalciumot, 0,6% nátriumot és 0,04% lítiumot tartalmaz.
  • A mészkőből (kalcium-karbonát) készített égetett mészt (kalcium-oxid) és az ebből készített oltott mészt (kalcium-hidroxid) a mészgyártás művelete után már az őskortól az építészetben használják. Az oltott mész az építészetben mind a mai napig sok kötőelem alkotója mint a malter, vakolat stb. Az ő alkalmazásukkor a bázisos oltott mész reakcióba lép a levegő szén-dioxid tartalmával és ezen reakció során CaCO3 keletkezik:
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
  • A mész és gipsz együttes alkotói az egyik leggyakoribb építőipari alapanyagnak a cementnek. Ezt homokkal és vízzel keverve, a megkeményedés során erős és ellenálló anyagot, betont kapunk. A beton modern építőipari alapanyag, melyet a házépítésen kívül útépítéseknél is felhasználnak.
  • A kalcium-karbonátot építészeti és szobrászati felhasználásán kívül festékként, fogporok és krémek alkotójaként valamint az orvosi gyakorlatban kalcium pótlásra is használják.
Alabástrom Olaszországból
  • A gipszet (kalcium-szulfát dihidrát) elsősorban építészeti állagmegóvásban, öntőformák készítésében használják. A gipsz hőbontásával kalcium-szulfát hemihidrát (CaSO4 · ½ H2O) állítható elő, melyet ha vízzel keverünk, lassan ismét felveszi azt és újra fehér színű, kemény gipsz képződik belőle. Az építészeten kívül fontos szerepet kap lenyomatok készítésénél (például a fogakról). A gipsz készítésénél égetett gipszből a vízzel való keverésnek, száradási időnek és adalékanyagoknak a változtatásával különböző tulajdonságú gipszek állíthatók elő. A gipsz módosulatai a máriaüveg és az alabástrom, melyet burkolóanyagként használnak.
  • A kalcium-karbidot mint erős redukálószert használják. Korábban elsősorban a bányászat használta karbid lámpákba. Bennük a karbidra víz csepegett, aminek hatására a karbid vízzel reagált és acetilént (etint) valamint kalcium-hidroxidot képezett. Az acetilént pedig a bányákban világításra használták, mivel levegő jelenlétében ég. A karbidlámpáknál a víz csepegésével lehetett szabályozni az égést, vagyis az acetilén-felszabadulását.
  • A kalcium foszfátjait, például a CaHPO3-ot ipari műtrágyként használták, melyek a növényeknek mind kalciumot, mind foszfort adnak.

Vegyületei

lásd még: A kalcium vegyületei

Szervetlen vegyületek

Kalcium-karbonát
Kalcium-fluorid
Kalcium-hidroxid
  • Kalcium-hidrid (CaH2) egy fehér kristályos anyag. Előállítható fém kalcium elemi hidrogén atmoszférában való melegítésével. A melegítés során gyakran meggyullad a kalcium. A kalcium-hidrid erős redukálószer, amelyet magas ára miatt redukciókra általánosan nem használnak. Vízzel való reakciója során kalcium-hidroxid és hidrogén keletkezik:
CaH2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + 2 H2
  • Kalcium-oxid (CaO) vagyis égetett mész fehér porszerű anyag. Vízzel hevesen hőfejlődés közben reagál kalcium-hidroxid képződése mellett. A kalcium-oxid előállítható mészkő vagy kalcium-karbonát égetésével, vagy fém kalcium és oxigén reakciójával.
CaCO3 → CaO + CO2
  • Kalcium-hidroxid (Ca(OH)2) könnyű, fehér porszerű anyag, mely szinte alig oldódik vízben, melegítés hatására oldhatóság tovább csökken. Vizes szuszpenzióját mésztejnek nevezik. Égett mész és víz reakciója során keletkezik. Ezen reakció szerint nevezik oltott mésznek:
CaO + H2O → Ca(OH)2
  • Kalcium-peroxid (CaO2) fehér porszerű anyag, amely nehezen oldódik vízben. Nátrium-peroxid és kalcium-hidroxid reakciójával állítható elő.

Sói:
A kalcium sóinak nagyobb része vízben jól oldódik, de egy részük nehezen, vagy egyáltalán nem oldódik vízben. Sói fehér színűek vagy színtelenek (kivéve azokat, melyeknél az anion adja a színt: manganátok, kromátok). A kalcium sói jobban oldódnak, mint a magnéziuméi. A kalcium vegyületei könnyen képeznek kettős sókat és egyes esetben komplexeket is, ezek azonban sem a kalciumra, sem a többi alkáliföldfémre nem jellemzőek.

  • Kalcium-fluorid (CaF2) fehér, nagyon gyengén oldódó géles anyag. Kalcium vegyületek vizes oldatához fluorid anionokat tartalmazó oldatot adva a kalcium-fluorid kicsapódik, illetve előállítható kalcium-hidroxid vagy kalcium-karbonát és hidrogén-fluorid reakciójával.
  • Kalcium-klorid (CaCl2) fehér kristályos anyag, mely vízben jól oldódik. Kristályát két vízmolekulát tartalmazó kristályvízzel képezi, ez a kalcium-klorid dihidrát (CaCl2 · 2 H2O). Ez a kristály hevítve elveszíti kristályvizét és egy fehér porszerű anyag keletkezik (vízmentes kalcium-klorid), amelyet a preparatív szerves kémia használ gázok és folyadékok szárítószereként. Télen az utakat és járdákat szórják vele, hogy a víz fagyáspontját csökkentsék. Előállítható kalcium-karbonát vagy kalcium-hidroxid és sósav reakciójával vizes oldatban.
  • Kalcium-bromid (CaBr2) és kalcium-jodid (CaI2) fehér kristályos anyagok, melyek nagyon jól oldódnak vízben. A bromidot a fényképészetben és gyógyászatban használják. Vizes oldatban előállíthatók kalcium-karbonát vagy kalcium-hidroxid és hidrogén-bromid vagy hidrogén-klorid reakciójával.
  • Kalcium-nitrát (Ca(NO3)2) vagy mészsalétrom fehér kristályos anyag, mely nagyon jól oldódik vízben. Korábban műtrágyaként használták. Vizes oldatban előállítható kalcium-karbonát vagy kalcium-hidroxid salétromsavban történő oldásával.
  • Kalcium-karbonát (CaCO3) fehér kristályos anyag, mely vízben nagyon gyengén oldódik, oldhatósága a hőmérséklettel csökken. A természetben mint ásvány fordul elő hét stabil és egy nem stabil módosulatban. Előállítható kalcium kationokat tartalmazó oldatból karbonát anionokkal való kicsapatással vagy kalcium-hidroxid és szén-dioxid reakciójával, ami a malter megszilárdulásának is az alapja.
  • Kalcium-szulfát (CaSO4) fehér porszerű anyag, amely csak részlegesen oldódik a vízben (oldhatatlannak minősítik, de a karbonátnál jobban oldódik). Oldhatóság függ állapotától is. Az anhidrit nem tartalmaz semmilyen kristályvizet, vízben szinte egyáltalán nem oldódik. Kristályvizet tartalmazó formái, hemihidrátja és dihidrátja már jobban oldódnak. Oldhatóságuk a hőmérséklettől is függ, legjobb oldhatósága 40 °C körül várható. Savas esők esetében a mészkő és márvány köztéri szobrok felületén a savas eső hatására nagyrészt kalcium-szulfát képződik, melyet a további esők (mivel jobban oldódik, mint a karbonát) lassan lemosnak. Súlyosabb azonban, hogy a savas eső behatol a kőzet belsejébe és itt keletkezik kalcium-szulfát, amely nagyobb moltérfogatú mint a karbonát, ezért lassan szétfeszíti a szobrokat. A kalcium-szulfát a természetben gipsz ásványként fordul elő, de egyéb kristálymódosulatokban is vagy mint kőzetek alkotója. Előállítható vízben oldható kalcium-vegyület szulfát anionokkal való reakciójával.

Szerves vegyületek

A kalcium szerves vegyületei közé tartoznak a kalcium szerves savakkal alkotott sói, közülük jelentős a kalcium-oxalát, mely főképp a rebarbara leveleiben fordul elő oxálsavval együtt és a leveleinek mérgező voltát okozza. Emellett fontosak még a kalcium alkoholokkal alkotott sói a kalcium-alkoholátok, illetve a kalcium komplexei. Különleges csoportot alkotnak a kalcium fémorganikus vegyületei.

A kalcium élettani jelentősége

tengeri korall

A kalcium biogén elem, amely minden élő szervezet számára nélkülözhetetlen. A gerincesek testében a csontok és a fogak alapját alkotják a kalcium-sók. Előfordul azonban az izmokban, a vérben és más testnedvekben illetve szervekben.

Cornu aspersum (Müller O. F., 1774)

Az élőlények kemény vázait is általában kalcium alkotja, így a tojáshéjat, a csigaházat vagy a kagylóhéjat. A hatalmas és kiterjedt korallzátonyok, melyek évszázadokon át keletkeztek, az elpusztult korallok megmaradt kalcium-vázai.

Az emberi táplálkozásban is fontos szerepet tölt be a kalcium. Elsősorban gyermekkorban elengedhetetlen a csontváz és a fogak egészséges fejlődése szempontjából, így a gyerekek és fiatalok táplálkozásában fontos, hogy mindig jelen legyen a kalcium. A kalcium felvételét segíti a D-vitamin, amelyre a kalcium csontokban történő raktározódása szempontjából nagy szükség van. Ezen anyagok hiánya angolkórhoz (rachitisz) vezet. Idősebb korban a csontok csontszövete megritkul és ez csontritkuláshoz (osteoporózis) vezet. Ez a betegség is összefüggésbe hozható a csontok kalcium anyagcsere-zavarával. A betegséget gyakran későn ismerik fel, amikor már a csontok törnek a csont nagymértékű tömegvesztesége miatt. Ilyenkor a csonttörések nagyon nehezen gyógyulnak.

Ajánlott napi kalciumbevitel életkor szerint:[1]
Életkor Kalcium (mg/nap)
0–6 hónap 210
7–12 hónap 270
1–3 év 500
4–8 év 800
9–18 év 1300
19–50 év 1000
51+ év 1200

A kalcium napi mennyiségének 800 - 1000 mg között kellene lennie, kismamák esetében ennél 500 mg-mal több. A kalcium fő forrása az emberi szervezetben a tej és a tejtermékek. Nagymennyiségű kalcium fordul elő a növények leveleiben és magvaiban, a dióban, zabpehelyben és néhány ásványvízben. Bár néhány zöldségben is előfordul a kalcium, ez általában oxalát vagy fitát oldhatatlan kötött formában van jelen. A rostok általában ezen anyagok felhasználását megakadályozzák. Nagyon fontos, hogy az emberi étrend kiegyensúlyozott legyen, a kalcium mellett fontos a magnézium és a foszfor jelenléte is a szervezetben. A tej, a sajt és a többi tejtermék is fontos kalciumforrás. Azonban egyesek allergiásak a tejtermékekre. A nem indoeurópai származású emberek többsége laktózérzékeny, akik nem fermentált tejet csak nagyon kis mértékben képesek fogyasztani.