A kalcium természetes módon fordul elő a vízben. A tengervíz körülbelül 400 ppm kalciumot tartalmaz. A vízben lévő kalcium bőségének egyik fő oka a földkéregben való természetes előfordulása. A kalcium a korallok alkotórésze is. A folyók általában 1-2 ppm kalciumot tartalmaznak, de a meszes területeken a folyók akár 100 ppm kalciumkoncentrációt is tartalmazhatnak.
Példák a vízi élőlények kalciumkoncentrációjára: tengeri moszat luctuca 800-6500 ppm (nedves tömeg), osztriga körülbelül 1500 ppm (száraz tömeg).
Vizes oldatban a kalcium elsősorban Ca2+ (aq) formájában van jelen, de előfordulhat CaOH+ (aq) vagy Ca(OH)2 (aq) formájában is, illetve a tengervízben CaSO4 formájában.
A kalcium fontos meghatározója a víz hámjának, és pufferelő tulajdonságai miatt pH-stabilizátorként is működik. A kalcium jobb ízt is ad a víznek.
Milyen módon és milyen formában reagál a kalcium a vízzel?
A periódusos rendszerben közvetlenül a kalcium fölé helyezett magnéziummal ellentétben az elemi kalcium szobahőmérsékleten a következő reakciómechanizmus szerint reagál a vízzel:
Ca (s) + 2H2O (g) -> Ca(OH)2 (aq) + H2 (g)
Ebben a reakcióban a vízben szódaként oldódó kalcium-hidroxid és hidrogéngáz keletkezik.
A többi fontos kalcium reakciómechanizmus az eróziós reakciók. Ezek általában szén-dioxid jelenlétében következnek be. Normál körülmények között a kalcium-karbonát vízben nem oldódik. Szén-dioxid jelenlétében szénsav keletkezik, amely hatással van a kalciumvegyületekre.
Kalcium és kalciumvegyületek oldhatósága
A kalcium elemi kalcium reakcióba lép a vízzel. A kalciumvegyületek többé-kevésbé vízben oldódnak. A kalcium-karbonát oldhatósága 14 mg/l, ami szén-dioxid jelenlétében ötszörösére nő. A kalcium-foszfát oldhatósága 20 mg/l, a kalcium-fluoridé pedig 16 mg/l. A kalcium-kromát oldhatósága 170 g/l, a kalcium-hipoklorát oldhatósága pedig 0oC-on 218 g/l. Más kalciumvegyületek oldhatósága a fenti példák szintjei között van, például a kalcium-arzenát 140 mg/L, a kalcium-hidroxid 1,3 g/L és a kalcium-szulfát 2,7-8,8 g/L.
Miért van jelen a vízben kalcium?
A kalcium természetes módon van jelen a vízben. Olyan kőzetekből oldódhat ki, mint a mészkő, márvány, kalcit, dolomit, gipsz, fluorit és apatit. A kalcium a vízkeménység egyik meghatározója, mivel Ca2+ ionok formájában található meg a vízben. A magnézium a másik keménységet meghatározó tényező.
A kalcium jelen van különböző építőanyagokban, például a cementben, a téglamészben és a betonban. Jelen van az elemekben, és kalcium-szulfátként alkalmazzák a vakolatban. A fémet cirkónium és tórium előállítására alkalmazzák. A lopóiparban a kalciumot blotterként alkalmazzák, és hozzáadják az alumínium-, réz- és ólomötvözetekhez. A kalcium képes kivonni a kén-dioxidot az ipari kipufogógázból, és semlegesíteni a kénsavakat kibocsátás előtt. További példák a kalcium alkalmazására: kalcium-hipoklorid fehérítőszerként és fertőtlenítéshez, kalcium-foszfát az üveg- és porcelániparban, kalcium-poliszulfid és -hidroxid flokkulálószerként a szennyvízkezelésben, valamint kalcium-fluorid zavarosítószerként a zománciparban, az UV-spektroszkópiában és nyersanyagként a folyékony savak előállításához. A kalcium alkalmazható továbbá a vasból és vasötvözetekből a szén és a kén eltávolítására, valamint az olaj víztelenítésére. A meszet papírtöltőanyagként alkalmazzák, ami a papír fehérebb színét okozza, és a műanyagokban a stabilitás javítására.
A kalcium gyakran pozitívan befolyásolja a talaj minőségét, és különböző vegyületeket alkalmaznak műtrágyaként. Például CaCl2- vagy Ca(NO)3 oldatokat alkalmaznak a kertészetben. A kalcium-oxid egy dehidratáló puhatestű-irtószer.
Milyen környezeti hatásai vannak a vízben lévő kalciumnak?
A kalcium egyes rovarok és baktériumok kivételével minden élőlény táplálékszükséglete. A kalcium-karbonát a legtöbb tengeri élőlény csontvázának és a szemlencsének építőköve. A kalcium-foszfát a szárazföldi élőlények csont- és fogszerkezetéhez szükséges. A növények főként kalcium-oxalátot tartalmaznak. A növények kalciumraktára a száraz tömeg kb. 1%-a.
A kalcium nagymértékben felelős a víz keménységéért, és negatívan befolyásolhatja más vegyületek toxicitását. Az olyan elemek, mint a réz, az ólom és a cink sokkal mérgezőbbek lágy vízben.
A meszes talajokban a kalcium immobilizálhatja a vasat. Ez vashiányt okozhat, még akkor is, ha a talajban sok vas van jelen.
A vízkeménység befolyásolja a vízi szervezeteket a fémek toxicitását illetően. Lágyabb vízben a kopoltyúk membránáteresztő képessége megnő. A kalcium más ionokkal is versenyez a kopoltyúkban lévő kötőhelyekért. Következésképpen a kemény víz jobban védi a halakat a közvetlen fémfelvételtől. 4,5-4,9-es pH-értékek károsíthatják a lazac ikrákat és a tenyésztett lazacokat, ha a kalcium-, nátrium- és klórtartalom alacsony.
A különböző kalciumvegyületek mérgezőek lehetnek. A kalcium-arzenit LD50 értéke patkányoknál 20 mg/testtömeg-kilogramm. A kalcium-karbid vízzel érintkezve gyúlékony éthint képez, ezért veszélyesnek minősül.
A vízkeménység egyes környezeti hatásai közé tartozik a háztartási berendezések megkeményedése, mivel a magas hőmérséklet karbonátkeménységet okoz. Ez drámaian csökkentheti a berendezések élettartamát, és a háztartási hulladék mennyiségének növekedését okozza. A kalcium-karbonát kölcsönhatásba lép a mosó- és tisztítószerekkel. A komplexképződés a mosószerek hatékonyságának csökkenését okozza, ami a mosószerek fokozott alkalmazásának és a lágyítószer-vásárlásnak a követelményét eredményezi (lásd még magnézium és víz).
A lágyítást gyakran ioncserélőkkel végzik. Ezeket konyhasóval kell regenerálni, és ezért terhelik a szennyvizet.
Hat stabil kalciumizotóp létezik. Ma már nyolc instabil kalciumizotópot ismerünk. A 45Ca erősen radioaktív és mérgező.
Milyen egészségügyi hatásai vannak a vízben lévő kalciumnak?
A kalcium egy táplálkozási ásványi anyag, amely az emberi szervezetben mintegy 1,2 kg mennyiségben van jelen. Nincs még egy elem, amely nagyobb mennyiségben fordulna elő a szervezetben. A kalcium-foszfát támasztóanyag, és a D-vitaminnal együtt a csontok és a fogak növekedését okozza. A kalcium az izomszövetben és a vérben is jelen van. Szükséges a sejtmembránok kialakulásához és a sejtosztódáshoz, és részben felelős az izomösszehúzódásokért és a véralvadásért. A kalcium szabályozza a membránok aktivitását, segíti az idegi impulzusok átvitelét és a hormonok felszabadulását, stabilizálja a szervezet pH-értékét, és a fogamzás elengedhetetlen része. E testfunkciók serkentése érdekében a felnőttek számára napi kb. 1000 mg kalcium bevitele ajánlott. Ezt tejtermékek, gabonafélék és zöld zöld zöldségek fogyasztásával lehet elérni.
A kalcium-karbonát gyomorsavoldóként működik, és emésztési zavarok megszüntetésére alkalmazható. A kalcium-laktát segíthet a szervezetnek a kalciumhiányos időszakokban, a kalcium-klorid pedig vízhajtó hatású.
A kemény víz magas kalciumkoncentrációja miatt segíthet a csontok és a fogak erősítésében. Csökkentheti a szívbetegségek kockázatát is. Az ivóvíz keménységének 8,4 odH felett kell lennie. A kalcium-karbonát pozitív hatással van az ólom vízvezetékekre, mert védő ólom(II)karbonát bevonatot képez. Ez megakadályozza, hogy az ólom feloldódjon az ivóvízben, és ezáltal megakadályozza, hogy az ólom az emberi szervezetbe kerüljön.
Ha valaki nagy mennyiségű kalciumot vesz fel, az negatívan befolyásolhatja az emberi egészséget. A szájon át történő felvétel halálos dózisa körülbelül 5-50 mg/testsúlykilogramm. A fémes kalcium marja a bőrt, ha bőrrel, szemmel és nyálkahártyával érintkezik.
Milyen víztisztítási technológiákat lehet alkalmazni a kalcium eltávolítására a vízből?
A kalcium- és magnéziumionok eltávolítása a vízből vízlágyítókkal történik. Ezek olyan ioncserélők, amelyek általában Na+ ionokat tartalmaznak, amelyeket Ca2+ és Mg2+ ionokkal szabadítanak fel és helyettesítenek.
A kalciumvegyületek alkalmazhatók szennyvíztisztításra. Az ivóvíz pH-ját és keménységét kalcium-karbonát és kalcium-hidroxid segítségével lehet megváltoztatni.
Irodalom és a többi elem és a vízzel való kölcsönhatásuk
.