Le calcium est présent dans l’eau de façon naturelle. L’eau de mer contient environ 400 ppm de calcium. L’une des principales raisons de l’abondance du calcium dans l’eau est sa présence naturelle dans la croûte terrestre. Le calcium est également un constituant du corail. Les rivières contiennent généralement 1 à 2 ppm de calcium, mais dans les zones calcaires, les rivières peuvent contenir des concentrations de calcium allant jusqu’à 100 ppm.
Exemples de concentrations de calcium dans les organismes aquatiques : algue luctuca 800-6500 ppm (masse humide), huîtres environ 1500 ppm (masse sèche).
Dans une solution aqueuse, le calcium est principalement présent sous forme de Ca2+ (aq), mais il peut également se présenter sous forme de CaOH+ (aq) ou Ca(OH)2 (aq), ou sous forme de CaSO4 dans l’eau de mer.
Le calcium est un déterminant important du harnais de l’eau, et il fonctionne également comme un stabilisateur de pH, en raison de ses qualités de tampon. Le calcium donne également un meilleur goût à l’eau.
De quelle manière et sous quelle forme le calcium réagit-il avec l’eau ?
Contrairement au magnésium placé directement au-dessus du calcium dans le tableau périodique, le calcium élémentaire réagit avec l’eau à température ambiante, selon le mécanisme réactionnel suivant :
Ca (s) + 2H2O (g) -> Ca(OH)2 (aq) + H2 (g)
Cette réaction forme de l’hydroxyde de calcium qui se dissout dans l’eau sous forme de soude, et de l’hydrogène gazeux.
Les autres mécanismes réactionnels importants du calcium sont les réactions d’érosion. Celles-ci se produisent généralement en présence de dioxyde de carbone. Dans des conditions normales, le carbonate de calcium est insoluble dans l’eau. Lorsque le dioxyde de carbone est présent, de l’acide carbonique se forme, affectant les composés du calcium.
Solubilité du calcium et des composés du calcium
Le calcium élémentaire réagit avec l’eau. Les composés du calcium sont plus ou moins solubles dans l’eau. Le carbonate de calcium a une solubilité de 14 mg/L, qui est multipliée par un facteur cinq en présence de dioxyde de carbone. La solubilité du phosphate de calcium est de 20 mg/L, et celle du fluorure de calcium est de 16 mg/L. La solubilité du chromate de calcium est de 170 g/L, et à 0oC la solubilité de l’hypochlorate de calcium est de 218 g/L. La solubilité d’autres composés du calcium se situe entre les niveaux de ces exemples, par exemple l’arséniate de calcium 140 mg/L, l’hydroxyde de calcium 1,3 g/L et le sulfate de calcium 2,7-8,8 g/L.
Pourquoi le calcium est-il présent dans l’eau ?
Le calcium est naturellement présent dans l’eau. Il peut se dissoudre à partir de roches telles que le calcaire, le marbre, la calcite, la dolomite, le gypse, la fluorine et l’apatite. Le calcium est un déterminant de la dureté de l’eau, car il se trouve dans l’eau sous forme d’ions Ca2+. Le magnésium est l’autre déterminant de la dureté.
Le calcium est présent dans divers matériaux de construction, comme le ciment, la chaux des briques et le béton. Il est présent dans les piles, et est appliqué dans le plâtre sous forme de sulfate de calcium. Le métal est utilisé pour la production de zirconium et de thorium. Dans les industries de l’acier, le calcium est utilisé comme buvard et est ajouté aux alliages d’aluminium, de cuivre et de plomb. Le calcium peut extraire le dioxyde de soufre des gaz d’échappement industriels et neutraliser les acides sulfuriques avant leur rejet. D’autres exemples d’applications du calcium sont l’hypochlorure de calcium comme agent de blanchiment et pour la désinfection, le phosphate de calcium dans les industries du verre et de la porcelaine, le polysulfure et l’hydroxyde de calcium comme floculants dans le traitement des eaux usées, et le fluorure de calcium comme agent de turbidité dans les industries de l’émail, dans la spectroscopie UV, et comme matière première pour la production d’acide fluide. Le calcium peut également être utilisé pour éliminer le carbone et le soufre du fer et des alliages de fer, et pour déshydrater l’huile. Le calcaire est appliqué comme charge de papier, ce qui donne au papier une couleur plus blanche, et dans les plastiques pour améliorer la stabilité.
Le calcium a souvent un effet positif sur la qualité du sol et divers composés sont appliqués comme engrais. Par exemple, les solutions de CaCl2- ou Ca(NO)3 sont appliquées en horticulture. L’oxyde de calcium est un molluscicide déshydratant.
Quels sont les effets environnementaux du calcium dans l’eau ?
Le calcium est un besoin alimentaire pour tous les organismes à l’exception de certains insectes et bactéries. Le carbonate de calcium est une pierre de construction des squelettes de la plupart des organismes marins, et des lentilles oculaires. Le phosphate de calcium est nécessaire à la structure des os et des dents des organismes terrestres. Les plantes contiennent principalement de l’oxalate de calcium. Le stockage du calcium dans les plantes est d’environ 1% de la masse sèche.
Le calcium est en grande partie responsable de la dureté de l’eau, et peut influencer négativement la toxicité d’autres composés. Des éléments tels que le cuivre, le plomb et le zinc sont beaucoup plus toxiques dans une eau douce.
Dans les sols chaulés, le calcium peut immobiliser le fer. Cela peut provoquer des pénuries de fer, même lorsque le sol en contient beaucoup.
La dureté de l’eau influence les organismes aquatiques concernant la toxicité des métaux. Dans une eau plus douce, la perméabilité des membranes dans les branchies est augmentée. Le calcium est également en concurrence avec d’autres ions pour les points de fixation dans les branchies. Par conséquent, l’eau dure protège mieux les poissons de l’absorption directe de métaux. Des valeurs de pH de 4,5 à 4,9 peuvent nuire aux œufs de saumon et aux saumons adultes, lorsque la teneur en calcium, en sodium et en chlore est faible.
Divers composés de calcium peuvent être toxiques. La DL50 des rats pour l’arsénite de calcium est de 20 mg/ kg de poids corporel. Le carbure de calcium forme de l’éthyn inflammable lorsqu’il entre en contact avec l’eau et est donc considéré comme dangereux.
Certains effets environnementaux de la dureté de l’eau incluent le durcissement des équipements domestiques, car les températures élevées provoquent une dureté carbonatée. Cela peut réduire considérablement la durée de vie de l’équipement, et entraîne une augmentation des déchets domestiques. Le carbonate de calcium interagit avec les détergents et les agents nettoyants. La formation de complexes entraîne une diminution de l’efficacité des détergents, d’où la nécessité d’augmenter l’application de détergents et l’achat d’adoucisseurs (voir aussi magnésium et eau).
L’adoucissement est souvent effectué au moyen d’échangeurs d’ions. Ceux-ci doivent être régénérés avec du sel de cuisine, et grèvent donc les eaux usées.
Il existe six isotopes stables du calcium. Aujourd’hui, on connaît huit isotopes instables du calcium. Le 45Ca est hautement radioactif et toxique.
Quels sont les effets du calcium dans l’eau sur la santé ?
Le calcium est un minéral alimentaire qui est présent dans le corps humain en quantités d’environ 1,2 kg. Aucun autre élément n’est plus abondant dans le corps. Le phosphate de calcium est une substance de soutien, et il provoque la croissance des os et des dents, avec la vitamine D. Le calcium est également présent dans les tissus musculaires et dans le sang. Il est nécessaire au développement de la membrane cellulaire et à la division cellulaire, et il est partiellement responsable des contractions musculaires et de la coagulation du sang. Le calcium régule l’activité des membranes, facilite le transfert des impulsions nerveuses et la libération des hormones, stabilise le pH de l’organisme et joue un rôle essentiel dans la conception. Afin de stimuler ces fonctions corporelles, un apport quotidien d’environ 1000 mg de calcium est recommandé pour les adultes. On peut y parvenir en consommant des produits laitiers, des céréales et des légumes verts.
Le carbonate de calcium fonctionne comme un remède contre l’acidité de l’estomac et peut être appliqué pour résoudre les défaillances digestives. Le lactate de calcium peut aider le corps pendant les périodes de carence en calcium, et le chlorure de calcium est un diurétique.
L’eau dure peut aider à renforcer les os et les dents en raison de sa forte concentration en calcium. Elle peut également diminuer le risque de troubles cardiaques. La dureté de l’eau potable doit être supérieure à 8,4 odH. Le carbonate de calcium a un effet positif sur les conduites d’eau en plomb, car il forme un revêtement protecteur de carbonate de plomb (II). Cela empêche le plomb de se dissoudre dans l’eau potable, et donc de pénétrer dans le corps humain.
L’absorption de grandes quantités de calcium peut avoir une influence négative sur la santé humaine. La dose létale de l’absorption orale est d’environ 5-50 mg/ kg de poids corporel. Le calcium métallique corrode la peau lorsqu’il entre en contact avec la peau, les yeux et les muqueuses.
Quelles technologies de purification de l’eau peuvent être appliquées pour éliminer le calcium de l’eau ?
L’élimination des ions calcium et magnésium de l’eau est effectuée par les adoucisseurs d’eau. Ce sont des échangeurs d’ions qui contiennent généralement des ions Na+, qui sont libérés et remplacés par des ions Ca2+ et Mg2+.
Les composés de calcium peuvent être appliqués pour le traitement des eaux usées. Le pH et la dureté de l’eau potable peuvent être modifiés au moyen de carbonate de calcium et d’hydroxyde de calcium.
La littérature et les autres éléments et leur interaction avec l’eau
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