Kalcium förekommer naturligt i vatten. Havsvatten innehåller cirka 400 ppm kalcium. En av de viktigaste orsakerna till att det finns rikligt med kalcium i vatten är dess naturliga förekomst i jordskorpan. Kalcium är också en beståndsdel i koraller. Floder innehåller i allmänhet 1-2 ppm kalcium, men i kalkrika områden kan floderna innehålla kalciumkoncentrationer på upp till 100 ppm.
Exempel på kalciumkoncentrationer i vattenorganismer: tång luctuca 800-6500 ppm (fuktig massa), ostron cirka 1500 ppm (torr massa).
I en vattenlösning förekommer kalcium huvudsakligen som Ca2+ (aq), men det kan också förekomma som CaOH+ (aq) eller Ca(OH)2 (aq), eller som CaSO4 i havsvatten.
Kalcium är en viktig bestämningsfaktor för vattnets härdighet, och det fungerar också som en pH-stabilisator på grund av sina buffrande egenskaper. Kalcium ger också vatten en bättre smak.
På vilket sätt och i vilken form reagerar kalcium med vatten?
I motsats till magnesium som placeras direkt ovanför kalcium i det periodiska systemet, reagerar elementärt kalcium med vatten vid rumstemperatur enligt följande reaktionsmekanism:
Ca (s) + 2H2O (g) -> Ca(OH)2 (aq) + H2 (g)
Denna reaktion bildar kalciumhydroxid som löser sig i vatten som läsk och vätgas.
Andra viktiga reaktionsmekanismer för kalcium är erosionsreaktioner. Dessa uppstår vanligtvis när koldioxid är närvarande. Under normala förhållanden är kalciumkarbonat olösligt i vatten. När koldioxid är närvarande bildas kolsyra, vilket påverkar kalciumföreningar.
Löslighet hos kalcium och kalciumföreningar
Elementärt kalcium reagerar med vatten. Kalciumföreningar är mer eller mindre vattenlösliga. Kalciumkarbonat har en löslighet på 14 mg/L, som multipliceras med en faktor fem i närvaro av koldioxid. Kalciumfosfatets löslighet är 20 mg/L och kalciumfluoridens löslighet är 16 mg/L. Kalciumkromatets löslighet är 170 g/L, och vid 0oC är kalciumhypokloratets löslighet 218 g/L. Lösligheten för andra kalciumföreningar ligger mellan nivåerna i dessa exempel, till exempel kalciumarsenat 140 mg/L, kalciumhydroxid 1,3 g/L och kalciumsulfat 2,7-8,8 g/L.
Varför finns kalcium i vatten?
Kalcium finns naturligt i vatten. Det kan lösas upp från bergarter som kalksten, marmor, kalcit, dolomit, gips, fluorit och apatit. Kalcium är en bestämningsfaktor för vattnets hårdhet, eftersom det kan hittas i vatten som Ca2+-joner. Magnesium är den andra bestämningsfaktorn för hårdhet.
Kalcium finns i olika byggnadsmaterial, t.ex. cement, tegelkalk och betong. Det finns i batterier och används i gips som kalciumsulfat. Metallen är tillämpar för produktion av zirkonium och torium. Inom stålindustrin används kalcium som blötmedel och tillsätts i aluminium-, koppar- och blylegeringar. Kalcium kan extrahera svaveldioxid från industriella avgaser och neutralisera svavelsyror före utsläpp. Andra exempel på kalciumtillämpningar är kalciumhypoklorid som blekmedel och för desinfektion, kalciumfosfat inom glas- och porslinsindustrin, kalciumpolysulfid och kalciumhydroxid som flockningsmedel vid rening av avloppsvatten och kalciumfluorid som grumlingsmedel inom emaljindustrin, vid UV-spektroskopi och som råvara vid framställning av vätesyra. Kalcium kan också användas för att avlägsna kol och svavel från järn och järnlegeringar och för avvattning av olja. Kalksten används som pappersfyllmedel, vilket gör att papper färgas vitare, och i plaster för att förbättra stabiliteten.
Kalcium påverkar ofta markens kvalitet positivt och olika föreningar används som gödningsmedel. Till exempel används CaCl2- eller Ca(NO)3-lösningar i trädgårdsodling. Kalciumoxid är ett uttorkande molluskicid.
Vilka miljöeffekter har kalcium i vatten?
Kalcium är ett kostbehov för alla organismer utom vissa insekter och bakterier. Kalciumkarbonat är en byggsten i skeletten hos de flesta marina organismer och i ögonlinser. Kalciumfosfat behövs för ben- och tandstrukturen hos landlevande organismer. Växter innehåller huvudsakligen kalciumoxalat. Kalciumlagret i växter är cirka 1 % av torrmassan.
Kalcium är till stor del ansvarigt för vattnets hårdhet och kan påverka toxiciteten hos andra föreningar negativt. Element som koppar, bly och zink är mycket giftigare i mjukt vatten.
I kalkade jordar kan kalcium immobilisera järn. Detta kan leda till järnbrist, även när det finns gott om järn i marken.
Vattenhårdhet påverkar vattenlevande organismer när det gäller metalltoxicitet. I mjukare vatten ökar membranpermeabiliteten i gälarna. Kalcium konkurrerar också med andra joner om bindningsplatserna i gälarna. Följaktligen skyddar hårt vatten fiskar bättre från direkt metallupptag. pH-värden på 4,5-4,9 kan skada laxägg och odlade laxar, när kalcium-, natrium- och klorinnehållet är lågt.
Flera kalciumföreningar kan vara giftiga. LD50 hos råttor för kalciumarsenit är 20 mg/ kg kroppsvikt. Kalciumkarbid bildar brännbart etyn när det kommer i kontakt med vatten och anses därför vara farligt.
En del miljöeffekter av vattnets hårdhet inkluderar härdning av hushållsutrustning, eftersom höga temperaturer orsakar karbonathårdhet. Detta kan dramatiskt minska utrustningens livslängd och orsakar en ökning av hushållsavfall. Kalciumkarbonat interagerar med tvätt- och rengöringsmedel. Komplexbildning orsakar en minskning av tvättmedlens effektivitet, vilket leder till krav på ökad användning av tvättmedel och inköp av mjukgörare (se även magnesium och vatten).
Mjukgöring sker ofta med hjälp av jonbytare. Dessa måste regenereras med kökssalt och belastar därför avloppsvattnet.
Det finns sex stabila kalciumisotoper. Idag känner vi till åtta instabila kalciumisotoper. 45Ca är starkt radioaktivt och giftigt.
Vad är hälsoeffekterna av kalcium i vatten?
Kalcium är ett kostmineral som finns i människokroppen i mängder på cirka 1,2 kg. Inget annat grundämne är mer rikligt förekommande i kroppen. Kalciumfosfat är ett stödjande ämne som tillsammans med D-vitamin orsakar ben- och tandtillväxt. Kalcium finns också i muskelvävnad och i blodet. Det behövs för utveckling av cellmembran och celldelning, och det är delvis ansvarigt för muskelsammandragningar och blodkoagulering. Kalcium reglerar membranaktiviteten, det underlättar överföringen av nervimpulser och hormonfrisättning, stabiliserar kroppens pH-värde och är en viktig del av befruktningen. För att stimulera dessa kroppsfunktioner rekommenderas ett dagligt intag av cirka 1000 mg kalcium för vuxna. Detta kan uppnås genom att konsumera mejeriprodukter, spannmål och gröna grönsaker.
Kalciumkarbonat fungerar som ett botemedel mot magsyra och kan användas för att lösa matsmältningssvårigheter. Kalciumlaktat kan hjälpa kroppen under perioder av kalciumbrist, och kalciumklorid är ett diuretikum.
Hårt vatten kan hjälpa till att stärka ben och tänder på grund av dess höga kalciumkoncentration. Det kan också minska risken för hjärtproblem. Dricksvattnets hårdhet måste ligga över 8,4 odH. Kalciumkarbonat har en positiv effekt på vattenledningar av bly, eftersom det bildar en skyddande beläggning av bly(II)karbonat. Detta förhindrar att bly löses upp i dricksvattnet och därmed att det kommer in i människokroppen.
När man tar upp stora mängder kalcium kan detta påverka människors hälsa negativt. Den dödliga dosen vid oralt upptag är cirka 5-50 mg/ kg kroppsvikt. Metalliskt kalcium fräter på huden när det kommer i kontakt med hud, ögon och slemhinnor.
Vilka vattenreningstekniker kan användas för att avlägsna kalcium från vatten?
Avlägsna kalcium- och magnesiumjoner från vatten sker med hjälp av vattenavhärdare. Dessa är jonbytare som vanligtvis innehåller Na+-joner som frigörs och ersätts av Ca2+- och Mg2+-joner.
Kalciumföreningar kan användas för rening av avloppsvatten. Dricksvattnets pH och hårdhet kan ändras med hjälp av kalciumkarbonat och kalciumhydroxid.
Litteratur och övriga grundämnen och deras växelverkan med vatten
.