Calcium (Ca) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Calcium ist buchstäblich ein Baustein des Lebens. Das chemische Element mit dem Symbol Ca und der Ordnungszahl 20 verleiht unseren Knochen und Zähnen Stabilität, bildet die Grundlage von Muschelschalen und Korallenriffen und steckt in einigen der wichtigsten Baustoffe unserer Zivilisation. Ob Kalkstein, Marmor, Gips oder Zement – Calciumverbindungen begegnen uns nahezu überall. Doch Calcium kann weit mehr, als feste Strukturen aufzubauen: Als gelöstes Ion steuert es lebenswichtige Vorgänge in Nerven- und Muskelzellen.

Calcium im Periodensystem – die wichtigsten Daten

Im blume Online-Periodensystem steht Calcium in der zweiten Hauptgruppe zwischen Magnesium und Strontium. Innerhalb der vierten Periode folgt es unmittelbar auf Kalium. Obwohl beide Elemente Metalle sind, unterscheiden sie sich durch die Anzahl ihrer Außenelektronen und ihre chemische Reaktivität.

Was ist Calcium?

Calcium gehört zu den Erdalkalimetallen. Seine Atome besitzen zwei Elektronen in der äußersten Elektronenschale. Bei chemischen Reaktionen gibt Calcium diese beiden Elektronen vergleichsweise leicht ab und bildet zweifach positiv geladene Calciumionen (Ca²⁺).

Die Elektronenabgabe lässt sich vereinfacht darstellen:

Ca → Ca²⁺ + 2 e⁻

Diese Eigenschaft erklärt, weshalb Calcium in der Natur nahezu ausschließlich in chemischen Verbindungen vorkommt. Elementares Calcium ist reaktiv und reagiert mit Sauerstoff, Wasser und anderen Stoffen. Calciumionen dagegen sind Bestandteile zahlreicher Minerale und für lebende Organismen unverzichtbar.

Der Name Calcium leitet sich vom lateinischen Wort calx für Kalk ab. Schon lange bevor das Metall selbst entdeckt wurde, nutzten Menschen calciumhaltige Gesteine und Mineralien als Baustoffe.

Welche Eigenschaften hat Calcium?

Ein silbrig weißes, reaktionsfreudiges Metall

Reines Calcium ist ein relativ weiches, silbrig weißes Metall. Frisch angeschnitten besitzt es einen metallischen Glanz, der an der Luft allmählich verschwindet. Ursache ist die Reaktion mit Bestandteilen der Luft, insbesondere Sauerstoff und Feuchtigkeit.

Calcium ist mit einer Dichte von ungefähr 1,54 g/cm³ ein vergleichsweise leichtes Metall. Es ist jedoch deutlich dichter als die Alkalimetalle Natrium und Kalium.

Sein Schmelzpunkt liegt bei etwa 842 °C. Damit schmilzt Calcium erst bei wesentlich höheren Temperaturen als beispielsweise Kalium.

Wie reagiert Calcium mit Wasser?

Calcium reagiert mit Wasser unter Bildung von Calciumhydroxid und Wasserstoff:

Ca + 2 H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

Die Reaktion verläuft bei Raumtemperatur normalerweise deutlich weniger heftig als bei Kalium oder Natrium. Dabei können sich Gasblasen bilden und die Lösung wird durch das entstehende Calciumhydroxid alkalisch.

Calciumhydroxid ist auch als gelöschter Kalk bekannt. Es spielt unter anderem in der Bauchemie und bei der Wasseraufbereitung eine wichtige Rolle.

Welche Flammenfarbe hat Calcium?

Calciumverbindungen erzeugen bei der Flammenprobe eine charakteristische ziegelrote bis orangerote Flammenfärbung. Sie entsteht durch die Lichtemission angeregter Atome und anderer calciumhaltiger Teilchen in der Flamme.

Die Flammenfärbung ist ein klassisches Hilfsmittel der chemischen Analytik. Sie ermöglicht eine erste Unterscheidung verschiedener Metalle anhand ihres Emissionsverhaltens.

Wie wurde Calcium entdeckt?

Calcium wurde 1808 vom britischen Chemiker Humphry Davy als Metall dargestellt. Davy beschäftigte sich intensiv mit der Elektrolyse und hatte bereits 1807 die Alkalimetalle Kalium und Natrium isoliert.

Für die Gewinnung von Calcium verwendete er ein Gemisch aus Kalk und Quecksilberoxid, das er elektrolytisch behandelte. Dabei entstand zunächst ein Calciumamalgam, also eine Legierung von Calcium mit Quecksilber. Durch anschließende Entfernung des Quecksilbers konnte Davy metallisches Calcium gewinnen.

Die Entdeckung war ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der modernen Chemie. Sie zeigte, dass Kalk und andere scheinbar einfache mineralische Stoffe Verbindungen eines zuvor unbekannten Metalls enthalten.

Die Verwendung von Kalk selbst reicht dagegen Jahrtausende zurück. Bereits in der Antike wurden Kalkmörtel, Gips und kalkhaltige Baustoffe eingesetzt.

Wo kommt Calcium in der Natur vor?

Calcium zählt zu den häufigsten Elementen der Erdkruste. Es ist in zahlreichen Mineralen enthalten und spielt eine zentrale Rolle bei der Bildung von Gesteinen, Böden und biologischen Hartstrukturen.

Kalkstein, Kreide und Marmor

Besonders bekannt ist Calciumcarbonat (CaCO₃). Diese Verbindung bildet den Hauptbestandteil vieler Kalksteine, von Kreide und Marmor.

Kalkstein kann durch die Ablagerung calciumcarbonathaltiger Sedimente entstehen. Dazu gehören auch die Überreste von Muscheln, Korallen und anderen Meeresorganismen.

Marmor entsteht, wenn Kalkstein unter erhöhtem Druck und hoher Temperatur umgewandelt wird. Dabei verändert sich die Kristallstruktur des Gesteins, während die chemische Hauptzusammensetzung weitgehend erhalten bleibt.

Gips und andere Calciumminerale

Gips (CaSO₄ · 2 H₂O) ist ein wasserhaltiges Calciumsulfat. Das Mineral wird unter anderem für Baustoffe, Gipsplatten und medizinische Gipsverbände verwendet.

Weitere wichtige Calciumminerale sind:

• Calcit (CaCO₃): ein häufiges Mineral in Kalkstein und Marmor.

• Aragonit (CaCO₃): eine andere Kristallform des Calciumcarbonats, die unter anderem in Muschelschalen vorkommt.

• Fluorit (CaF₂): Calciumfluorid, auch Flussspat genannt.

• Apatit: eine Mineralgruppe calciumhaltiger Phosphate, die unter anderem für Knochen und Zähne von Bedeutung ist.

Die unterschiedlichen Eigenschaften dieser Minerale zeigen, wie stark die Struktur einer chemischen Verbindung ihre Erscheinungsform bestimmt.

Warum bestehen Muschelschalen und Korallen aus Calcium?

Viele Meeresorganismen nutzen gelöste Calciumionen aus dem Wasser, um feste Schutz- und Stützstrukturen aufzubauen.

Muscheln, Schnecken und zahlreiche andere Weichtiere bilden Schalen, die überwiegend aus Calciumcarbonat bestehen. Dabei wird das Mineral in einer biologisch kontrollierten Struktur abgeschieden und mit organischen Bestandteilen kombiniert.

Korallen verwenden Calciumcarbonat, um ihre Skelette aufzubauen. Über lange Zeiträume können aus den Kalkskeletten vieler Korallen ausgedehnte Riffstrukturen entstehen.

Was haben Korallenriffe mit dem Kohlenstoffkreislauf zu tun?

Die Bildung von Calciumcarbonat ist eng mit dem chemischen Gleichgewicht zwischen gelöstem Kohlenstoffdioxid, Hydrogencarbonat, Carbonat und Calciumionen verbunden.

Vereinfacht lässt sich die Ausfällung von Calciumcarbonat so darstellen:

Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃

Steigt die Konzentration von gelöstem Kohlenstoffdioxid im Meerwasser, verändern sich die chemischen Gleichgewichte. Dadurch kann die Verfügbarkeit von Carbonationen abnehmen, was die Kalkbildung bestimmter Meeresorganismen erschwert.

Calcium verbindet somit die Geologie der Erde mit der Biologie der Ozeane und dem globalen Kohlenstoffkreislauf.

Wie entstehen Tropfsteine in Höhlen?

Tropfsteine gehören zu den eindrucksvollsten natürlichen Erscheinungsformen von Calciumcarbonat.

Regenwasser nimmt beim Versickern Kohlenstoffdioxid auf und kann dadurch Kalkstein langsam lösen. Dabei entsteht gelöstes Calciumhydrogencarbonat.

Eine vereinfachte Reaktionsgleichung lautet:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻

Gelangt das Wasser in eine Höhle, kann Kohlenstoffdioxid wieder entweichen. Dadurch verschiebt sich das Gleichgewicht und Calciumcarbonat fällt erneut aus.

Über viele Jahre können so Stalaktiten an der Höhlendecke und Stalagmiten am Höhlenboden wachsen. Die Wachstumsgeschwindigkeit hängt von den örtlichen Bedingungen ab und kann stark variieren.

Wie wird Calcium gewonnen?

Elementares Calcium wird industriell unter anderem durch die Elektrolyse geeigneter geschmolzener Calciumsalze oder durch metallothermische Reduktionsverfahren gewonnen.

Bei der Schmelzflusselektrolyse werden Calciumionen an der Kathode zu metallischem Calcium reduziert:

Ca²⁺ + 2 e⁻ → Ca

Die Herstellung erfordert hohe Temperaturen und besondere technische Bedingungen, da Calcium sehr reaktiv ist.

Wirtschaftlich wesentlich bedeutender als das reine Metall sind jedoch Calciumverbindungen. Kalkstein wird in großen Mengen abgebaut und beispielsweise zur Herstellung von Branntkalk, Zement und anderen Baustoffen verwendet.

Calcium in Knochen und Zähnen

Der menschliche Körper enthält bei einem Erwachsenen ungefähr ein Kilogramm Calcium, wobei die tatsächliche Menge unter anderem von Körpergröße, Körperzusammensetzung und Alter abhängt.

Etwa 99 % des Calciums befinden sich in Knochen und Zähnen. Dort liegt es überwiegend in Form calciumhaltiger Phosphatminerale vor, insbesondere als biologischer Apatit.

Diese Mineralbestandteile verleihen dem Knochen Druckfestigkeit. Gleichzeitig sorgt die organische Knochenmatrix, insbesondere Kollagen, für eine gewisse Elastizität.

Knochen sind keine unbeweglichen Mineralblöcke. Sie werden fortlaufend umgebaut: Spezialisierte Zellen bauen Knochengewebe ab, während andere neues Gewebe bilden. Calcium spielt dabei eine entscheidende Rolle.

Ist Calcium allein für starke Knochen ausreichend?

Calcium ist wichtig, aber nicht der einzige Faktor für gesunde Knochen. Auch Vitamin D, ausreichende körperliche Bewegung, eine geeignete Ernährung und hormonelle Prozesse beeinflussen den Knochenstoffwechsel.

Vitamin D unterstützt unter anderem die Aufnahme von Calcium im Darm. Ein langfristig unzureichendes Angebot an Calcium und anderen wichtigen Nährstoffen kann die Knochengesundheit beeinträchtigen.

Welche Aufgaben hat Calcium im menschlichen Körper?

Calcium ist nicht nur ein Baustoff. Als Calciumion (Ca²⁺) gehört es zu den wichtigsten Signalstoffen lebender Zellen.

Muskelkontraktion

Wenn ein Muskel aktiviert wird, steigt in den Muskelzellen kurzfristig die Konzentration freier Calciumionen im Zellinneren.

Diese Calciumionen ermöglichen über spezifische Regulationsproteine die Wechselwirkung der Muskelproteine Aktin und Myosin. Dadurch kann sich der Muskel zusammenziehen.

Wird Calcium anschließend wieder aus dem Bereich der kontraktilen Proteine entfernt, kann der Muskel erschlaffen.

Nervenfunktion und Signalübertragung

An vielen chemischen Synapsen löst der Einstrom von Calciumionen in die Nervenendigung die Freisetzung von Neurotransmittern aus.

Diese Botenstoffe übertragen Informationen auf nachgeschaltete Nervenzellen, Muskeln oder Drüsen.

Calcium ist damit entscheidend an der Kommunikation zwischen Zellen beteiligt.

Blutgerinnung

Calciumionen sind außerdem an mehreren Schritten der Blutgerinnung beteiligt. Sie unterstützen die Bindung bestimmter Gerinnungsfaktoren an Zellmembranen und ermöglichen dadurch wichtige Reaktionen innerhalb der Gerinnungskaskade.

Die vielfältigen Funktionen zeigen, weshalb der Calciumspiegel im Blut durch Hormone und andere Regulationsmechanismen eng kontrolliert wird.

Welche Lebensmittel enthalten Calcium?

Besonders bekannte Calciumquellen sind Milch und Milchprodukte. Doch auch verschiedene pflanzliche Lebensmittel und calciumreiche Mineralwässer können zur Versorgung beitragen.

Zu den Calciumquellen gehören beispielsweise:

• Milch, Joghurt und Käse

• Grünkohl und einige andere grüne Gemüsearten

• Sesam und bestimmte Nüsse

• Mit Calcium hergestellte Tofuprodukte

• Calciumreiche Mineralwässer

• Mit Calcium angereicherte Lebensmittel

Wie gut Calcium aufgenommen wird, hängt nicht nur vom Gesamtgehalt eines Lebensmittels ab. Auch andere Inhaltsstoffe beeinflussen die Aufnahme. Beispielsweise kann Oxalsäure in bestimmten Gemüsesorten die Verfügbarkeit von Calcium verringern.

Für Erwachsene liegt der D-A-CH-Referenzwert für die Calciumzufuhr bei 1.000 mg pro Tag. Für bestimmte Altersgruppen, insbesondere Jugendliche, gelten andere Referenzwerte.

Eine ausgewogene Ernährung kann den Bedarf häufig decken. Nahrungsergänzungsmittel sollten nicht pauschal, sondern bei entsprechendem Bedarf eingesetzt werden.

Wofür wird Calcium verwendet?

Kalk, Zement und Beton

Calciumverbindungen gehören zu den wichtigsten Rohstoffen der Bauindustrie.

Wird Calciumcarbonat stark erhitzt, zerfällt es unter Freisetzung von Kohlenstoffdioxid zu Calciumoxid:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Calciumoxid wird als Branntkalk bezeichnet.

Durch Reaktion mit Wasser entsteht Calciumhydroxid, der sogenannte gelöschte Kalk:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Kalk wird unter anderem für Mörtel, Putze und zahlreiche industrielle Prozesse verwendet.

Auch bei der Herstellung von Zement spielen calciumhaltige Rohstoffe eine zentrale Rolle. Beton entsteht anschließend aus Zement, Wasser und Gesteinskörnungen.

Calcium in der Metallurgie

Metallisches Calcium kann in bestimmten metallurgischen Prozessen als Reduktionsmittel sowie zur Entfernung unerwünschter Begleitstoffe eingesetzt werden.

Dabei nutzt man seine hohe chemische Reaktivität und seine Fähigkeit, stabile Verbindungen mit bestimmten Nichtmetallen zu bilden.

Calcium in Landwirtschaft und Umweltschutz

Kalkhaltige Materialien werden eingesetzt, um saure Böden zu neutralisieren und ihre chemischen Eigenschaften zu beeinflussen.

Calciumverbindungen finden außerdem Verwendung in der Wasseraufbereitung, bei der Abgasreinigung und in weiteren industriellen Verfahren.

Warum bildet sich Kalk im Wasserkocher?

Hartes Wasser enthält größere Mengen gelöster Calcium- und Magnesiumionen. Beim Erhitzen können sich die chemischen Gleichgewichte so verändern, dass Calciumcarbonat ausfällt.

Der dabei entstehende feste Belag wird umgangssprachlich als Kalk bezeichnet.

Eine vereinfachte Reaktion lautet:

Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Kalkablagerungen sind besonders in Wasserkochern, Kaffeemaschinen und Warmwasseranlagen sichtbar.

Dasselbe Calciumcarbonat, das in der Natur ganze Gebirge und Tropfsteinhöhlen bilden kann, setzt sich somit auch im Haushalt als dünne Schicht ab.

Welche Isotope besitzt Calcium?

Natürliches Calcium besteht aus mehreren stabilen Isotopen. Das mit Abstand häufigste ist Calcium-40 (⁴⁰Ca), das ungefähr 96,9 % des natürlichen Calciums ausmacht.

Weitere stabile Isotope sind Calcium-42, Calcium-43, Calcium-44 und Calcium-46. Das natürlich vorkommende Calcium-48 ist extrem langlebig, aber radioaktiv: Es unterliegt einem sehr seltenen doppelten Betazerfall.

Calciumisotope werden unter anderem in der Geochemie, Geologie und biomedizinischen Forschung untersucht. Unterschiede in ihren Isotopenverhältnissen können Hinweise auf natürliche Prozesse liefern.

Ist Calcium gefährlich?

Die Sicherheit hängt stark davon ab, in welcher chemischen Form Calcium vorliegt.

Metallisches Calcium ist reaktiv und kann bei Kontakt mit Wasser Wasserstoff freisetzen. Besonders fein verteiltes Calcium erfordert geeignete Schutzmaßnahmen.

Calciumoxid reagiert unter starker Wärmeentwicklung mit Wasser und kann schwere Verätzungen verursachen. Auch Calciumhydroxid ist alkalisch und kann Haut und Augen schädigen.

Calciumionen in Lebensmitteln sind dagegen lebensnotwendig. Allerdings kann sowohl ein zu niedriger als auch ein zu hoher Calciumspiegel im Blut gesundheitliche Probleme verursachen.

Entscheidend ist daher stets die Unterscheidung zwischen dem Element, seinen Verbindungen und ihrer jeweiligen Anwendung.

Fünf interessante Fakten über Calcium

1. Calcium ist das häufigste Metall im menschlichen Körper. Der größte Teil befindet sich in Knochen und Zähnen.

2. Muscheln bauen mit Calcium ihre eigenen Schutzschalen. Viele Arten verwenden dafür Calciumcarbonat in unterschiedlichen Kristallformen.

3. Tropfsteine und Kalkablagerungen beruhen auf verwandten chemischen Prozessen. In beiden Fällen spielt die Löslichkeit von Calciumcarbonat eine entscheidende Rolle.

4. Calcium ermöglicht Muskelbewegungen. Ohne kurzfristige Änderungen der Calciumkonzentration könnten sich unsere Muskeln nicht normal zusammenziehen.

5. Kalkstein ist ein wichtiger Rohstoff für Zement. Calciumverbindungen sind damit wesentlich an der Herstellung moderner Gebäude und Infrastruktur beteiligt.

Calcium im Periodensystem verstehen

Calcium ist ein anschauliches Beispiel dafür, wie die Stellung eines Elements im Periodensystem seine chemischen Eigenschaften erklärt. Die zwei Außenelektronen führen dazu, dass Calcium bevorzugt zweifach positiv geladene Ionen bildet.

Im Vergleich zum benachbarten Alkalimetall Kalium reagiert Calcium weniger heftig mit Wasser. Gleichzeitig zeigt der Vergleich mit Magnesium, dass Elemente derselben Gruppe viele Gemeinsamkeiten besitzen.

Calcium verbindet außerdem scheinbar weit voneinander entfernte Bereiche: Es ist Bestandteil von Gesteinen, Korallenriffen, Muschelschalen, Knochen, Baustoffen und biologischen Signalsystemen.

Weitere Informationen zu Calcium, seiner Elektronenkonfiguration und den anderen Elementen finden Sie im blume Online-Periodensystem.

Literatur und wissenschaftliche Quellen

Buchquellen

Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5.

Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9.

Wissenschaftliche Referenzen

• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodic Table of the Elements. https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/

• Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights (CIAAW): Standard Atomic Weights – Calcium. https://ciaaw.org/

• Royal Society of Chemistry: Periodic Table – Calcium. https://www.rsc.org/periodic-table/element/20/calcium

• National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomic Spectra Database. https://www.nist.gov/

• Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE): Referenzwerte für die Calciumzufuhr. https://www.dge.de/