Calcium – Steckbrief
- Symbol
- Ca
- Ordnungszahl
- 20
- Atommasse
- 40,078 u
- Periode
- 4
- Gruppe
- 2
- Kategorie
- Erdalkalimetall
- Elektronenkonfiguration
- [Ar] 4s²
- Elektronegativität
- 1
- Atomradius
- 194 pm
- Valenzelektronen
- 2
- Aggregatzustand (Standardbedingungen)
- fest
- Schmelzpunkt
- 842 °C
- Siedepunkt
- 1484 °C
- Dichte
- 1,54 g/cm³
- Entdeckt
- seit dem Altertum bekannt
Calcium ist ein silbrig glänzendes Erdalkalimetall mit der Ordnungszahl 20. Als Metall begegnet es dir kaum, als Verbindung dafür ständig: Kalkstein, Marmor und Kreide bestehen aus Calciumcarbonat, Gips ist Calciumsulfat, und Knochen und Zähne verdanken ihre Härte einem Calciumphosphat. Calcium ist das häufigste Metall im menschlichen Körper und ein Grundstoff des Bauens, denn ohne Kalk gäbe es weder Mörtel noch Zement.
Stellung im Periodensystem
Vorkommen und Gewinnung
Calcium ist das fünfthäufigste Element der Erdkruste. Wegen seiner Reaktionsfreudigkeit kommt es nur gebunden vor. Ganze Gebirge wie die Nördlichen Kalkalpen bestehen aus Kalkstein und Dolomit. Sie bildeten sich größtenteils aus den Schalen und Skeletten von Meereslebewesen wie Muscheln, Korallen und Kalkalgen. Weitere wichtige Calciumminerale sind Gips, Flussspat und Apatit. Im Meerwasser und im Leitungswasser sind Calcium-Ionen gelöst.
Kalk und Gips sind seit dem Altertum bekannt. Schon im alten Ägypten verwendete man Gipsmörtel, und die Römer bauten mit Kalkmörtel; der Name Calcium leitet sich vom lateinischen Wort für Kalk ab. Das Metall selbst blieb dagegen lange unbekannt, weil es sich mit den damaligen Mitteln nicht aus seinen Verbindungen lösen ließ. Erst 1808 isolierte Humphry Davy Calcium durch Elektrolyse, zunächst als Amalgam mit Quecksilber, aus dem er das Quecksilber anschließend abdestillierte. Er erhielt allerdings nur kleine, unreine Mengen; reineres Calcium gewannen erst einige Jahrzehnte später Robert Bunsen und Augustus Matthiessen. Heute stellt man das Metall vor allem her, indem man Calciumoxid im Vakuum mit Aluminium reduziert, oder durch Schmelzflusselektrolyse von Calciumchlorid.
Eigenschaften und Reaktionen
Calcium hat die Elektronenkonfiguration [Ar] 4s² und zwei Valenzelektronen. Es steht in Periode 4 und Gruppe 2 bei den Erdalkalimetallen, unter Magnesium. Seine Elektronegativität beträgt 1. Gibt das Atom beide Valenzelektronen ab, entsteht das Calcium-Ion mit der Elektronenkonfiguration von Argon; in Verbindungen hat Calcium deshalb die Oxidationsstufe plus zwei.
Das Metall ist relativ weich, hat eine Dichte von 1,54 g/cm³, schmilzt bei 842 °C und siedet bei 1484 °C. An der Luft überzieht es sich mit einer grauweißen Schicht aus Oxid und Nitrid. Mit Wasser reagiert Calcium deutlich ruhiger als Natrium oder Kalium: Es sinkt zu Boden, und unter gleichmäßiger Gasentwicklung entstehen Wasserstoff und Calciumhydroxid. Calciumverbindungen färben eine Flamme ziegelrot.
Im Alltag wichtiger als das Metall ist der Kalkkreislauf. Erhitzt man Kalkstein stark, gibt er Kohlenstoffdioxid ab, und es entsteht Branntkalk, also Calciumoxid. Mit Wasser reagiert Branntkalk unter starker Wärmeentwicklung zu Löschkalk, dem Calciumhydroxid. Im Mörtel nimmt Löschkalk wieder Kohlenstoffdioxid aus der Luft auf und wird zu festem Calciumcarbonat. Kohlensäurehaltiges Wasser löst Kalkstein dagegen langsam auf. So entstehen Karsthöhlen und das harte Wasser, das in Wasserkochern Kalkbeläge hinterlässt. Wo das Wasser Kohlenstoffdioxid wieder abgibt, scheidet sich der Kalk erneut ab und bildet Tropfsteine.
Verwendung in Alltag und Technik
Calciumverbindungen gehören zu den meistgenutzten Rohstoffen überhaupt. Aus Kalkstein und Ton brennt man Zement, das Bindemittel von Beton. Branntkalk und Löschkalk dienen als Mörtel und Putz, zur Wasseraufbereitung und in der Stahlherstellung, wo sie Verunreinigungen in der Schlacke binden. Gips wird zu Gipskartonplatten und Putz verarbeitet. Feines Calciumcarbonat ist Füllstoff in Papier, Kunststoffen und Zahnpasta, und in der Landwirtschaft gleicht Kalk saure Böden aus.
Das Metall selbst wird in kleineren Mengen gebraucht, etwa als Reduktionsmittel bei der Gewinnung anderer Metalle und um Stahl Sauerstoff und Schwefel zu entziehen. Aus Calciumcarbid entsteht mit Wasser das Gas Ethin, das früher in Karbidlampen brannte.
Für den Körper ist Calcium unverzichtbar. Ein erwachsener Mensch trägt rund ein Kilogramm davon in sich, fast alles in Knochen und Zähnen. Calcium-Ionen sind außerdem an der Muskelkontraktion, der Blutgerinnung und der Weiterleitung von Nervensignalen beteiligt. Gute Quellen sind Milchprodukte, grünes Gemüse wie Grünkohl und Brokkoli sowie calciumreiches Mineralwasser.
Moleküle mit diesem Element
- Calciumoxid CaO
- Calciumchlorid CaCl2
- Calciumhydroxid Ca(OH)2
Kurz gefragt
Zu welchem Element gehoert die Elektronenkonfiguration [Ar] 4s1?
Häufige Fragen
Wann wurde Calcium entdeckt?
Calciumverbindungen wie Kalk und Gips nutzt der Mensch seit Jahrtausenden. Als Metall isoliert hat Calcium erst Humphry Davy im Jahr 1808, durch Elektrolyse. Calcium gilt deshalb als seit dem Altertum bekannt, obwohl man das Metall selbst erst seit gut zwei Jahrhunderten kennt.
Was ist der Unterschied zwischen Calcium und Kalk?
Calcium ist das Element, ein reaktives Metall. Kalk ist eine Calciumverbindung, meist ist damit Calciumcarbonat gemeint, wie es in Kalkstein, Kreide und Marmor vorkommt. Auch Branntkalk und Löschkalk werden umgangssprachlich als Kalk bezeichnet. Wenn auf Lebensmitteln von Calcium die Rede ist, sind Calcium-Ionen gemeint.
Warum ist Calcium wichtig für die Knochen?
Knochen und Zähne bestehen zu einem großen Teil aus Hydroxylapatit, einem harten Calciumphosphat. Der Körper baut Knochen ständig um und braucht dafür regelmäßig Calcium aus der Nahrung. Fehlt es dauerhaft, holt er es aus den Knochen, die dadurch an Festigkeit verlieren können.