Kalzium kommt im Wasser natürlich vor. Meerwasser enthält etwa 400 ppm Kalzium. Einer der Hauptgründe für die große Menge an Kalzium im Wasser ist sein natürliches Vorkommen in der Erdkruste. Calcium ist auch ein Bestandteil von Korallen. Flüsse enthalten in der Regel 1-2 ppm Calcium, in Kalkgebieten können die Calciumkonzentrationen in Flüssen jedoch bis zu 100 ppm betragen.
Beispiele für Calciumkonzentrationen in Wasserorganismen: Seetang Luctuca 800-6500 ppm (feuchte Masse), Austern ca. 1500 ppm (Trockenmasse).
In einer wässrigen Lösung liegt Calcium hauptsächlich als Ca2+ (aq) vor, kann aber auch als CaOH+ (aq) oder Ca(OH)2 (aq) oder als CaSO4 im Meerwasser vorkommen.
Calcium ist ein wichtiger Bestimmungsfaktor für die Wasserhärte und fungiert aufgrund seiner Puffereigenschaften auch als pH-Stabilisator. Calcium verleiht dem Wasser auch einen besseren Geschmack.
Wie und in welcher Form reagiert Calcium mit Wasser?
Im Gegensatz zu Magnesium, das im Periodensystem direkt über Calcium steht, reagiert elementares Calcium bei Raumtemperatur mit Wasser nach folgendem Reaktionsmechanismus:
Ca (s) + 2H2O (g) -> Ca(OH)2 (aq) + H2 (g)
Diese Reaktion bildet Calciumhydroxid, das sich in Wasser als Soda löst, und Wasserstoffgas.
Weitere wichtige Reaktionsmechanismen von Calcium sind Erosionsreaktionen. Diese treten normalerweise auf, wenn Kohlendioxid vorhanden ist. Unter normalen Bedingungen ist Calciumcarbonat wasserunlöslich. Bei Anwesenheit von Kohlendioxid wird Kohlensäure gebildet, die die Calciumverbindungen angreift.
Löslichkeit von Calcium und Calciumverbindungen
Elementares Calcium reagiert mit Wasser. Calciumverbindungen sind mehr oder weniger wasserlöslich. Calciumcarbonat hat eine Löslichkeit von 14 mg/L, die sich in Gegenwart von Kohlendioxid verfünffacht. Die Löslichkeit von Calciumphosphat liegt bei 20 mg/L, die von Calciumfluorid bei 16 mg/L. Die Löslichkeit von Calciumchromat beträgt 170 g/L, die von Calciumhypochlorat bei 0oC 218 g/L. Die Löslichkeit anderer Kalziumverbindungen liegt zwischen den Werten dieser Beispiele, z. B. Kalziumarsenat 140 mg/L, Kalziumhydroxid 1,3 g/L und Kalziumsulfat 2,7-8,8 g/L.
Warum ist Kalzium im Wasser vorhanden?
Kalzium ist von Natur aus im Wasser vorhanden. Es kann sich aus Gesteinen wie Kalkstein, Marmor, Calcit, Dolomit, Gips, Fluorit und Apatit lösen. Calcium bestimmt die Wasserhärte, da es im Wasser als Ca2+-Ionen vorkommt. Magnesium ist der andere Härtebestimmer.
Kalzium ist in verschiedenen Baumaterialien wie Zement, Ziegelkalk und Beton enthalten. Es ist in Batterien enthalten und wird in Gips als Calciumsulfat verwendet. Das Metall wird für die Herstellung von Zirkonium und Thorium verwendet. In der Stahlindustrie wird Calcium als Löschmittel verwendet und Aluminium-, Kupfer- und Bleilegierungen zugesetzt. Calcium kann Schwefeldioxid aus Industrieabgasen extrahieren und Schwefelsäuren vor der Einleitung neutralisieren. Weitere Beispiele für die Verwendung von Kalzium sind Kalziumhypochlorid als Bleichmittel und zur Desinfektion, Kalziumphosphat in der Glas- und Porzellanindustrie, Kalziumpolysulfid und -hydroxid als Flockungsmittel in der Abwasserbehandlung und Kalziumfluorid als Trübungsmittel in der Emailleindustrie, in der UV-Spektroskopie und als Rohstoff für die Herstellung von Flüssigsäuren. Kalzium kann auch zur Entfernung von Kohlenstoff und Schwefel aus Eisen und Eisenlegierungen sowie zur Entwässerung von Öl verwendet werden. Kalkstein wird als Papierfüllstoff verwendet, um Papier weißer zu machen, und in Kunststoffen zur Verbesserung der Stabilität.
Kalk wirkt sich häufig positiv auf die Bodenqualität aus, und verschiedene Verbindungen werden als Düngemittel eingesetzt. Im Gartenbau werden zum Beispiel CaCl2- oder Ca(NO)3-Lösungen eingesetzt. Kalziumoxid ist ein austrocknendes Molluskizid.
Welche Auswirkungen hat Kalzium im Wasser auf die Umwelt?
Kalzium ist für alle Organismen mit Ausnahme einiger Insekten und Bakterien lebensnotwendig. Kalziumkarbonat ist ein Baustein des Skeletts der meisten Meeresorganismen und der Augenlinsen. Kalziumphosphat wird für den Knochenbau und die Zähne von Landlebewesen benötigt. Pflanzen enthalten hauptsächlich Kalziumoxalat. Der Kalziumvorrat in Pflanzen beträgt etwa 1 % der Trockenmasse.
Kalzium ist weitgehend für die Wasserhärte verantwortlich und kann die Toxizität anderer Verbindungen negativ beeinflussen. Elemente wie Kupfer, Blei und Zink sind in weichem Wasser wesentlich giftiger.
In gekalkten Böden kann Calcium Eisen immobilisieren. Dies kann zu Eisenmangel führen, selbst wenn im Boden reichlich Eisen vorhanden ist.
Die Wasserhärte beeinflusst die Metalltoxizität von Wasserorganismen. In weicherem Wasser ist die Membrandurchlässigkeit in den Kiemen erhöht. Außerdem konkurriert Kalzium mit anderen Ionen um Bindungsstellen in den Kiemen. Folglich schützt hartes Wasser Fische besser vor direkter Metallaufnahme. pH-Werte von 4,5 bis 4,9 können Lachseiern und ausgewachsenen Lachsen schaden, wenn der Kalzium-, Natrium- und Chlorgehalt niedrig ist.
Verschiedene Kalziumverbindungen können toxisch sein. Die LD50 von Ratten für Calciumarsenit beträgt 20 mg/ kg Körpergewicht. Kalziumkarbid bildet bei Kontakt mit Wasser brennbares Ethin und gilt daher als gefährlich.
Zu den Umweltauswirkungen der Wasserhärte gehört die Verhärtung von Haushaltsgeräten, da hohe Temperaturen Karbonathärte verursachen. Dies kann die Lebensdauer der Geräte drastisch verkürzen und führt zu einer Zunahme der Haushaltsabfälle. Kalziumkarbonat geht Wechselwirkungen mit Wasch- und Reinigungsmitteln ein. Die Bildung von Komplexen führt zu einer Verringerung der Waschmitteleffizienz, so dass mehr Waschmittel eingesetzt und mehr Enthärter gekauft werden müssen (siehe auch Magnesium und Wasser).
Die Enthärtung erfolgt häufig mit Hilfe von Ionenaustauschern. Diese müssen mit Kochsalz regeneriert werden und belasten daher das Abwasser.
Es gibt sechs stabile Calciumisotope. Heute kennt man acht instabile Calciumisotope. 45Ca ist hochradioaktiv und giftig.
Welche gesundheitlichen Auswirkungen hat Calcium im Wasser?
Calcium ist ein Nahrungsmineral, das im menschlichen Körper in Mengen von etwa 1,2 kg vorhanden ist. Kein anderes Element ist im Körper so häufig vorhanden. Kalziumphosphat ist eine Stützsubstanz und bewirkt zusammen mit Vitamin D das Wachstum von Knochen und Zähnen. Kalzium ist auch im Muskelgewebe und im Blut vorhanden. Es wird für die Entwicklung der Zellmembranen und die Zellteilung benötigt und ist teilweise für die Muskelkontraktionen und die Blutgerinnung verantwortlich. Calcium reguliert die Membranaktivität, unterstützt die Übertragung von Nervenimpulsen und die Hormonausschüttung, stabilisiert den pH-Wert des Körpers und ist ein wesentlicher Bestandteil der Empfängnis. Um diese Körperfunktionen zu stimulieren, wird für Erwachsene eine tägliche Zufuhr von etwa 1000 mg Kalzium empfohlen. Dies kann durch den Verzehr von Milchprodukten, Getreide und grünem Gemüse erreicht werden.
Calciumcarbonat wirkt als Magensäuremittel und kann bei Verdauungsstörungen eingesetzt werden. Kalziumlaktat kann dem Körper in Zeiten des Kalziummangels helfen, und Kalziumchlorid ist ein harntreibendes Mittel.
Hartes Wasser kann wegen seines hohen Kalziumgehalts zur Stärkung von Knochen und Zähnen beitragen. Es kann auch das Risiko von Herzkrankheiten verringern. Die Härte des Trinkwassers muss über 8,4 odH liegen. Kalziumkarbonat wirkt sich positiv auf Bleiwasserleitungen aus, da es eine schützende Blei(II)karbonatschicht bildet. Diese verhindert, dass sich Blei im Trinkwasser auflöst und somit in den menschlichen Körper gelangt.
Wenn man große Mengen an Kalzium aufnimmt, kann dies die menschliche Gesundheit negativ beeinflussen. Die tödliche Dosis bei oraler Aufnahme liegt bei etwa 5-50 mg/ kg Körpergewicht. Metallisches Kalzium ätzt die Haut, wenn es mit Haut, Augen und Schleimhäuten in Berührung kommt.
Welche Wasserreinigungstechnologien können zur Entfernung von Kalzium aus dem Wasser eingesetzt werden?
Die Entfernung von Kalzium- und Magnesiumionen aus dem Wasser erfolgt durch Wasserenthärter. Dabei handelt es sich um Ionenaustauscher, die in der Regel Na+-Ionen enthalten, die freigesetzt und durch Ca2+- und Mg2+-Ionen ersetzt werden.
Kalziumverbindungen können bei der Abwasserbehandlung eingesetzt werden. Der pH-Wert und die Härte des Trinkwassers können mit Hilfe von Kalziumkarbonat und Kalziumhydroxid verändert werden.
Literatur und die anderen Elemente und ihre Wechselwirkung mit Wasser