Kalsiumia esiintyy vedessä luonnostaan. Merivesi sisältää noin 400 ppm kalsiumia. Yksi tärkeimmistä syistä kalsiumin runsauteen vedessä on sen luonnollinen esiintyminen maankuoressa. Kalsium on myös korallien ainesosa. Joet sisältävät yleensä 1-2 ppm kalsiumia, mutta kalkkialueilla joet voivat sisältää kalsiumpitoisuuksia jopa 100 ppm.
Esimerkkejä kalsiumpitoisuuksista vesieliöissä: merilevä luctuca 800-6500 ppm (kostea massa), osterit noin 1500 ppm (kuiva massa).
Vesiliuoksessa kalsium esiintyy pääasiassa Ca2+:na (aq), mutta se voi esiintyä myös CaOH+:na (aq) tai Ca(OH)2:na (aq) tai merivedessä CaSO4:na.
Kalsium on tärkeä veden valjaiden määräävä tekijä, ja se toimii myös pH:n stabiloijana puskuriominaisuuksiensa ansiosta. Kalsium antaa vedelle myös paremman maun.
Millä tavoin ja missä muodossa kalsium reagoi veden kanssa?
Korkeusjärjestyksessä suoraan kalsiumin yläpuolelle sijoitetusta magnesiumista poiketen alkeiskalsium reagoi veden kanssa huoneenlämmössä seuraavan reaktiomekanismin mukaisesti:
Ca (s) + 2H2O (g) -> Ca(OH)2 (aq) + H2 (g)
Tässä reaktiossa muodostuu kalsiumhydroksidia, joka liukenee veteen soodana, ja vetykaasua.
Muita tärkeimpiä kalsiumin reaktiomekanismeja ovat eroosio- eli syöpymisreaktiot. Nämä tapahtuvat yleensä hiilidioksidin läsnä ollessa. Normaaliolosuhteissa kalsiumkarbonaatti on veteen liukenematon. Hiilidioksidin läsnä ollessa muodostuu hiilihappoa, joka vaikuttaa kalsiumyhdisteisiin.
Kalsiumin ja kalsiumyhdisteiden liukoisuus
Elementaarinen kalsium reagoi veden kanssa. Kalsiumyhdisteet ovat enemmän tai vähemmän vesiliukoisia. Kalsiumkarbonaatin liukoisuus on 14 mg/l, joka viisinkertaistuu hiilidioksidin läsnä ollessa. Kalsiumfosfaatin liukoisuus on 20 mg/l ja kalsiumfluoridin 16 mg/l. Kalsiumkromaatin liukoisuus on 170 g/l ja kalsiumhypokloraatin liukoisuus 0oC:ssa 218 g/l. Muiden kalsiumyhdisteiden liukoisuus on näiden esimerkkien välillä, esimerkiksi kalsiumarsenaatin liukoisuus on 140 mg/l, kalsiumhydroksidin liukoisuus 1,3 g/l ja kalsiumsulfaatin liukoisuus 2,7-8,8 g/l.
Miksi kalsiumia on vedessä?
Kalsiumia on luonnostaan vedessä. Sitä voi liueta kivistä, kuten kalkkikivestä, marmorista, kalsiitista, dolomiitista, kipsistä, fluoriitista ja apatiitista. Kalsium on veden kovuuden määräävä tekijä, koska sitä esiintyy vedessä Ca2+-ioneina. Magnesium on toinen kovuuden määräävä tekijä.
Kalsiumia on erilaisissa rakennusmateriaaleissa, kuten sementissä, tiilikalkissa ja betonissa. Sitä on akuissa, ja sitä käytetään kipsissä kalsiumsulfaattina. Metallia käytetään zirkoniumin ja toriumin tuotannossa. Varastoteollisuudessa kalsiumia käytetään blotterina ja sitä lisätään alumiini-, kupari- ja lyijyseoksiin. Kalsiumilla voidaan poistaa rikkidioksidia teollisuuden pakokaasuista ja neutraloida rikkihappoja ennen niiden purkamista. Muita esimerkkejä kalsiumin käyttökohteista ovat kalsiumhypokloridi valkaisuaineena ja desinfioinnissa, kalsiumfosfaatti lasi- ja posliiniteollisuudessa, kalsiumpolysulfidi ja -hydroksidi flokkulantteina jätevedenpuhdistuksessa sekä kalsiumfluoridi sameudensäätöaineena emaliteollisuudessa, UV-spektroskopiassa ja nestemäisten happojen tuotannon raaka-aineena. Kalsiumia voidaan käyttää myös hiilen ja rikin poistamiseen raudasta ja rautaseoksista sekä öljyn vedenpoistoon. Kalkkikiveä käytetään paperin täyteaineena, jolloin paperi värjäytyy valkoisemmaksi, ja muoveissa stabiilisuuden parantamiseksi.
Kalsium vaikuttaa usein myönteisesti maaperän laatuun, ja erilaisia yhdisteitä käytetään lannoitteena. Esimerkiksi CaCl2- tai Ca(NO)3-liuoksia käytetään puutarhaviljelyssä. Kalsiumoksidi on kuivattava nilviäismyrkky.
Mitkä ovat kalsiumin ympäristövaikutukset vedessä?
Kalsium on kaikkien eliöiden ravintovaatimus joitakin hyönteisiä ja bakteereja lukuun ottamatta. Kalsiumkarbonaatti on useimpien meren eliöiden luurankojen ja silmälinssien rakennusaine. Kalsiumfosfaattia tarvitaan maaeliöiden luuston ja hampaiden rakenteeseen. Kasvit sisältävät pääasiassa kalsiumoksalaattia. Kalsiumia varastoituu kasveihin noin 1 % kuivamassasta.
Kalsium on suurelta osin vastuussa veden kovuudesta, ja se voi vaikuttaa kielteisesti muiden yhdisteiden myrkyllisyyteen. Kuparin, lyijyn ja sinkin kaltaiset alkuaineet ovat paljon myrkyllisempiä pehmeässä vedessä.
Kalkitussa maaperässä kalsium voi immobilisoida rautaa. Tämä voi aiheuttaa rautapulaa, vaikka maaperässä olisi runsaasti rautaa.
Veden kovuus vaikuttaa vesieliöihin metallien myrkyllisyyden osalta. Pehmeämmässä vedessä kalvojen läpäisevyys kiduksissa lisääntyy. Kalsium kilpailee myös muiden ionien kanssa kidusten sitoutumispaikoista. Näin ollen kova vesi suojaa kaloja paremmin suoralta metallien imeytymiseltä. pH-arvot 4,5-4,9 voivat vahingoittaa lohen mätimunia ja kasvatettuja lohia, kun kalsium-, natrium- ja klooripitoisuus on alhainen.
Erilaiset kalsiumyhdisteet voivat olla myrkyllisiä. Kalsiumarseniitin LD50-arvo rotilla on 20 mg/ kg ruumiinpainoa. Kalsiumkarbidi muodostaa syttyvää etydiä joutuessaan kosketuksiin veden kanssa ja sitä pidetään siksi vaarallisena.
Joitakin veden kovuuden ympäristövaikutuksia ovat muun muassa kodinkoneiden kovettuminen, koska korkeat lämpötilat aiheuttavat karbonaattikovettumista. Tämä voi lyhentää dramaattisesti laitteiden käyttöikää ja aiheuttaa kotitalousjätteen määrän kasvua. Kalsiumkarbonaatti on vuorovaikutuksessa pesu- ja puhdistusaineiden kanssa. Kompleksien muodostuminen aiheuttaa pesuaineiden tehokkuuden heikkenemistä, mikä johtaa pesuaineiden käytön lisäämisen ja pehmennysaineostojen vaatimukseen (ks. myös magnesium ja vesi).
Pehmennys toteutetaan usein ioninvaihtimien avulla. Nämä on regeneroitava keittiösuolalla, ja siksi ne kuormittavat jätevesiä.
Kalsiumin stabiileja isotooppeja on kuusi. Nykyään tunnetaan kahdeksan epävakaata kalsiumin isotooppia. 45Ca on erittäin radioaktiivinen ja myrkyllinen.
Mitkä ovat vedessä olevan kalsiumin terveysvaikutukset?
Kalsium on ravintokivennäisaine, jota on ihmiskehossa noin 1,2 kg. Mikään muu alkuaine ei ole elimistössä runsaampi. Kalsiumfosfaatti on tukiaine, ja se aiheuttaa luun ja hampaiden kasvua yhdessä D-vitamiinin kanssa. Kalsiumia on myös lihaskudoksessa ja veressä. Sitä tarvitaan solukalvojen kehittymiseen ja solujen jakautumiseen, ja se on osittain vastuussa lihassupistuksista ja veren hyytymisestä. Kalsium säätelee kalvojen toimintaa, se auttaa hermoimpulssien siirtoa ja hormonien vapautumista, vakauttaa elimistön pH:ta ja on olennainen osa hedelmöittymistä. Näiden elintoimintojen stimuloimiseksi aikuisille suositellaan noin 1000 mg kalsiumin päivittäistä saantia. Tämä voidaan saavuttaa nauttimalla maitotuotteita, viljaa ja vihreitä vihanneksia.
Kalsiumkarbonaatti toimii vatsahappolääkkeenä, ja sitä voidaan käyttää ruoansulatushäiriöiden ratkaisemiseen. Kalsiumlaktaatti voi auttaa elimistöä kalsiumin puutteen aikana, ja kalsiumkloridi on diureetti.
Kova vesi voi auttaa luiden ja hampaiden vahvistamisessa sen korkean kalsiumpitoisuuden vuoksi. Se voi myös vähentää sydänsairauksien riskiä. Juomaveden kovuuden on oltava yli 8,4 odH. Kalsiumkarbonaatilla on myönteinen vaikutus lyijyisiin vesiputkiin, koska se muodostaa suojaavan lyijy(II)karbonaattipinnoitteen. Tämä estää lyijyä liukenemasta juomaveteen ja estää siten lyijyn pääsyn ihmiskehoon.
Jos ihminen ottaa suuria määriä kalsiumia, se voi vaikuttaa kielteisesti ihmisen terveyteen. Suun kautta otettuna tappava annos on noin 5-50 mg/ ruumiinpainokilo. Metallinen kalsium syövyttää ihoa joutuessaan kosketuksiin ihon, silmien ja limakalvojen kanssa.
Mitä vedenpuhdistustekniikoita voidaan käyttää kalsiumin poistamiseksi vedestä?
Kalsium- ja magnesiumionien poistaminen vedestä tapahtuu vedenpehmentimillä. Nämä ovat ioninvaihtimia, jotka sisältävät yleensä Na+ -ioneja, jotka vapautuvat ja korvautuvat Ca2+- ja Mg2+ -ioneilla.
Kalsiumyhdisteitä voidaan käyttää jäteveden käsittelyssä. Juomaveden pH:ta ja kovuutta voidaan muuttaa kalsiumkarbonaatin ja kalsiumhydroksidin avulla.
Kirjallisuus ja muut alkuaineet ja niiden vuorovaikutus veden kanssa