Calcium komt van nature in water voor. Zeewater bevat ongeveer 400 ppm calcium. Een van de belangrijkste redenen voor de overvloed aan calcium in water is het natuurlijke voorkomen ervan in de aardkorst. Calcium is ook een bestanddeel van koraal. Rivieren bevatten over het algemeen 1-2 ppm calcium, maar in kalkrijke gebieden kunnen rivieren calciumconcentraties tot 100 ppm bevatten.
Voorbeelden van calciumconcentraties in waterorganismen: zeewier luctuca 800-6500 ppm (vochtige massa), oesters ongeveer 1500 ppm (droge massa).
In een waterige oplossing is calcium voornamelijk aanwezig als Ca2+ (aq), maar het kan ook voorkomen als CaOH+ (aq) of Ca(OH)2 (aq), of als CaSO4 in zeewater.
Calcium is een belangrijke determinant van waterhardheid, en het fungeert ook als een pH stabilisator, vanwege zijn bufferende kwaliteiten. Calcium geeft water ook een betere smaak.
Op welke manier en in welke vorm reageert calcium met water?
In tegenstelling tot magnesium dat in het periodiek systeem direct boven calcium staat, reageert elementair calcium bij kamertemperatuur met water volgens het volgende reactiemechanisme:
Ca (s) + 2H2O (g) -> Ca(OH)2 (aq) + H2 (g)
Bij deze reactie wordt calciumhydroxide gevormd dat als soda in water oplost, en waterstofgas.
Andere belangrijke reactiemechanismen voor calcium zijn erosiereacties. Deze treden gewoonlijk op wanneer kooldioxide aanwezig is. Onder normale omstandigheden is calciumcarbonaat onoplosbaar in water. Wanneer kooldioxide aanwezig is, wordt koolzuur gevormd, dat calciumverbindingen aantast.
Solubiliteit van calcium en calciumverbindingen
Elementair calcium reageert met water. Calciumverbindingen zijn min of meer oplosbaar in water. Calciumcarbonaat heeft een oplosbaarheid van 14 mg/L, die met een factor vijf wordt vermenigvuldigd in aanwezigheid van kooldioxide. De oplosbaarheid van calciumfosfaat is 20 mg/L en die van calciumfluoride 16 mg/L. Calciumchromaat heeft een oplosbaarheid van 170 g/L en calciumhypochloraat heeft bij 0oC een oplosbaarheid van 218 g/L. De oplosbaarheid van andere calciumverbindingen ligt tussen de waarden van deze voorbeelden, bijvoorbeeld calciumarsenaat 140 mg/L, calciumhydroxide 1,3 g/L en calciumsulfaat 2,7-8,8 g/L.
Waarom is calcium aanwezig in water?
Calcium is van nature aanwezig in water. Het kan oplossen uit gesteenten zoals kalksteen, marmer, calciet, dolomiet, gips, fluoriet en apatiet. Calcium is een bepalende factor voor de hardheid van water, omdat het in de vorm van Ca2+-ionen in water kan worden aangetroffen. Magnesium is de andere bepalende factor voor de hardheid.
Calcium is aanwezig in verschillende bouwmaterialen, zoals cement, baksteenkalk en beton. Het is aanwezig in batterijen, en wordt toegepast in gips als calciumsulfaat. Het metaal wordt gebruikt voor de productie van zirkonium en thorium. In de staalindustrie wordt calcium gebruikt als blotter, en wordt het toegevoegd aan aluminium-, koper- en loodlegeringen. Calcium kan zwaveldioxide uit industriële uitlaatgassen halen en zwavelhoudende zuren neutraliseren voordat ze worden geloosd. Andere voorbeelden van calciumtoepassingen zijn calciumhypochloride als bleekmiddel en voor desinfectie, calciumfosfaat in de glas- en porseleinindustrie, calciumpolysulfide en -hydroxide als vlokmiddel in de afvalwaterbehandeling, en calciumfluoride als troebelingsmiddel in de glazuurindustrie, in UV-spectroscopie, en als grondstof voor de productie van vloeibaar zuur. Calcium kan ook worden gebruikt voor het verwijderen van koolstof en zwavel uit ijzer en ijzerlegeringen, en voor het ontwateren van olie. Kalksteen wordt toegepast als papiervuller, waardoor papier witter kleurt, en in kunststoffen om de stabiliteit te verbeteren.
Calcium heeft vaak een positief effect op de bodemkwaliteit en verschillende verbindingen worden als meststof toegepast. Zo worden CaCl2- of Ca(NO)3-oplossingen in de tuinbouw toegepast. Calciumoxide is een uitdrogend molluscicide.
Wat zijn de milieu-effecten van calcium in water?
Calcium is een voedingsbehoefte van alle organismen, met uitzondering van sommige insecten en bacteriën. Calciumcarbonaat is een bouwsteen van skeletten van de meeste mariene organismen, en van ooglenzen. Calciumfosfaat is nodig voor de botstructuur en de tandstructuur van terrestrische organismen. Planten bevatten voornamelijk calciumoxalaat. De calciumopslag in planten bedraagt ongeveer 1% van het drooggewicht.
Calcium is grotendeels verantwoordelijk voor de hardheid van water, en kan de toxiciteit van andere verbindingen negatief beïnvloeden. Elementen zoals koper, lood en zink zijn veel giftiger in zacht water.
In gekalkte bodems kan calcium ijzer immobiliseren. Dit kan leiden tot ijzertekorten, zelfs als er voldoende ijzer in de bodem aanwezig is.
Waterhardheid beïnvloedt aquatische organismen wat betreft metaaltoxiciteit. In zachter water is de membraanpermeabiliteit in de kieuwen groter. Calcium concurreert ook met andere ionen om bindingsplaatsen in de kieuwen. Bijgevolg beschermt hard water de vissen beter tegen directe metaalopname. pH-waarden van 4,5-4,9 kunnen schadelijk zijn voor zalmeieren en gekweekte zalmen, wanneer het calcium-, natrium- en chloorgehalte laag is.
Verschillende calciumverbindingen kunnen giftig zijn. De LD50 van ratten voor calciumarseniet is 20 mg/ kg lichaamsgewicht. Calciumcarbide vormt brandbaar ethyn wanneer het in contact komt met water en wordt daarom als gevaarlijk beschouwd.
Enkele milieu-effecten van waterhardheid zijn verharding van huishoudelijke apparatuur, omdat hoge temperaturen carbonaathardheid veroorzaken. Dit kan de levensduur van apparatuur drastisch verminderen, en veroorzaakt een toename van huishoudelijk afval. Calciumcarbonaat gaat een wisselwerking aan met detergenten en reinigingsmiddelen. Complexvorming veroorzaakt een afname van de efficiëntie van detergenten, waardoor meer detergenten moeten worden gebruikt en meer ontharders moeten worden gekocht (zie ook magnesium en water).
Verzachten wordt vaak gedaan met behulp van ionenwisselaars. Deze moeten worden geregenereerd met keukenzout, en belasten dus het afvalwater.
Er zijn zes stabiele calciumisotopen. Vandaag de dag kennen we acht instabiele calciumisotopen. 45Ca is hoog radioactief en giftig.
Wat zijn de gezondheidseffecten van calcium in water?
Calcium is een voedingsmineraal dat in het menselijk lichaam aanwezig is in hoeveelheden van ongeveer 1,2 kg. Geen enkel ander element is zo overvloedig aanwezig in het lichaam. Calciumfosfaat is een ondersteunende stof, en het zorgt voor de groei van botten en tanden, samen met vitamine D. Calcium is ook aanwezig in spierweefsel en in het bloed. Het is nodig voor de ontwikkeling van het celmembraan en de celdeling, en het is gedeeltelijk verantwoordelijk voor spiersamentrekkingen en de bloedstolling. Calcium reguleert de membraanactiviteit, het helpt bij de overdracht van zenuwimpulsen en de afgifte van hormonen, het stabiliseert de pH-waarde van het lichaam en het is een essentieel onderdeel van de conceptie. Om deze lichaamsfuncties te stimuleren wordt voor volwassenen een dagelijkse inname van ongeveer 1000 mg calcium aanbevolen. Dit kan worden bereikt door het consumeren van zuivel, granen en groene groenten.
Calciumcarbonaat werkt als maagzuurremmer en kan worden toegepast om spijsverteringsstoornissen op te lossen. Calciumlactaat kan het lichaam helpen tijdens perioden van calciumtekort, en calciumchloride is een diureticum.
Hard water kan helpen bij het versterken van botten en tanden vanwege de hoge calciumconcentratie. Het kan ook het risico op hartaandoeningen verminderen. De hardheid van drinkwater moet hoger zijn dan 8,4 odH. Calciumcarbonaat heeft een positief effect op loden waterleidingen, omdat het een beschermende laag lood(II)carbonaat vormt. Dit voorkomt dat lood oplost in drinkwater, en zo in het menselijk lichaam terechtkomt.
Wanneer men grote hoeveelheden calcium opneemt, kan dit de menselijke gezondheid negatief beïnvloeden. De dodelijke dosis bij orale opname is ongeveer 5-50 mg/ kg lichaamsgewicht. Metallisch calcium tast de huid aan wanneer het in contact komt met huid, ogen en slijmvliezen.
Welke waterzuiveringstechnologieën kunnen worden toegepast om calcium uit water te verwijderen?
Het verwijderen van calcium- en magnesiumionen uit water wordt uitgevoerd door waterontharders. Dit zijn ionenwisselaars die meestal Na+ ionen bevatten, die worden vrijgemaakt en vervangen door Ca2+ en Mg2+ ionen.
Calciumverbindingen kunnen worden toegepast voor de behandeling van afvalwater. De pH en de hardheid van drinkwater kunnen worden gewijzigd door middel van calciumcarbonaat en calciumhydroxide.
Literatuur en de andere elementen en hun interactie met water