Calciumspäne.
Photo von Ulrich Helmich
Calcium ist das fünfthäufigste Element auf der Erde, nach Aluminium und Eisen ist es sogar das dritthäufigste Metall.
Aufgrund seines recht unedlen Charakters kommt Calcium nicht in gediegener Form, sondern nur in Form verschiedener Verbindungen vor. Davon sind die Carbonate, Sulfate und Silicate in der Natur am häufigsten. Calciumcarbonat kennt jeder - es handelt sich nämlich um nichts anderes als gewöhnlichen Kalk. Und auch Calciumsulfat ist recht bekannt - man kann auch "Gips" dazu sagen.
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften:
Im Reinzustand ist Calcium ein silberweiß glänzendes Leichtmetall. An der Luft oxidiert es recht leicht und läuft dann blaugrau an. Durch die Oxidschicht wird es dann vor weiterer Oxidation geschützt. Ähnlich wie die Alkalimetalle ist es relativ weich und dehnbar (Härte nach Mohs: 1,5).
Sein Schmelzpunkt liegt zwischen 839°C und 845°C, sein Siedepunkt beträgt 1484°C. Die Dichte ist mit 1,54 für ein Metall recht niedrig (Leichtmetall).
Chemische Eigenschaften:
Wie alle Erdalkalimetalle reagiert Calcium bereits bei Zimmertemperatur mit Stoffen wie Sauerstoff, Wasser, Chlor, Brom, Jod etc. Die Reaktionen verlaufen aber lange nicht so stürmisch wie die der Alkalimetalle. Allerdings kann man das durch leichtes Erhitzen ändern, bei höheren Temperaturen reagiert Calcium nämlich ziemlich lebhaft. Auch durch Pulverisierung des Calciums kann man seine Reaktivität stark heraufsetzen. Feines Calciumpulver entzündet sich an der Luft von selbst.
Interessant ist die Verbrennung des Calciums an der Luft. Im Gegensatz zu den meisten Metallen entsteht hier nämlich nicht nur das Oxid, sondern gleichzeitig auch das Nitrid (die Stickstoffverbindung).
Mit Wasser, verdünnten Säuren und auch Alkohol reagiert Calcium unter Bildung von Wasserstoff.
Ca + 2 H2O ==> Ca(OH)2 + H2
Da Calcium recht gern mit Sauerstoff reagiert, kann es edlere Metalle aus ihren Oxiden freisetzen
TiO2 + 2 Ca ==> Ti + 2 CaO
Herstellung
Im Prinzip kann man reines Calcium ganz einfach herstellen. Man muss nur ein Calciumsalz finden, welches einen recht niedrigen Schmelzpunkt hat und dann eine Schmelzelektrolyse durchführen. Dazu stellt man einen elektrischen Pluspol in die flüssige Schmelze und einen elektrischen Minuspol. Man legt nun Gleichstrom an und wartet geduldig. Nach einiger Zeit bildet sich am Minuspol elementares Calcium. Was sich am Pluspol bildet, hängt davon ab, was für ein Salz man gewählt hat. Ein Chlorid würde zum Beispiel elementares Chlor entwickeln.
Calciumchlorid hat einen Schmelzpunkt von nur 772 ºC, eignet sich daher gut für eine Schmelzflusselektrolyse. Durch Beimengung von Calciumfluorid und Kaliumchlorid kann man den bereits niedrigen Schmelzpunkt sogar noch weiter senken, nämlich auf 700 ºC. Als Elektrodenmaterial nimmt man für den Pluspol dicke Kohleplatten und für den Minuspol dünne Eisenstäbe. Die Elektrolyse führt man dann in Eisengefäßen bei 20 V Gleichstrom durch.
Da das Calcium, das bei dieser Elektrolyse entsteht, einen Schmelzpunkt von 854 ºC hat, die Schmelze aber nur eine Temperatur von 700 ºC, scheidet sich das Calcium in fester Form ab und kann daher leicht von der flüssigen Schmelze abgetrennt werden. Dazu werden die Eisen-Elektroden während der Elektrolyse langsam aus der Schmelze herausgezogen. Das abgeschiedene feste Calcium bleibt dann an den Elektroden hängen.
Geschichtliches
Sir Humhpry Davy
Humphry Davy (1778 - 1829) wollte an sich Arzt werden, daher ging er 1795 zu einem Chirurgen in die Lehre (tolle Zeiten damals!). Er begann dann aber, sich für Chemie zu interessieren. Bald wurde er durch seine tollkühnen Experimente in Bristol bekannt. Mehrfach entkam er nur knapp dem Tod durch Ersticken. Um 1800 begann Davy sich für die Elektrolyse zu interessieren. Er baute immer größere Batterien zusammen und erfand die Schmelzelektrolyse. 1807 konnte er damit Natrium und Kalium in reiner Form synthetisieren. 1808 stellte er auf die gleiche Weise Calcium, Strontium und Barium her. Später widerlegte Davy die Annahme, dass Salzsäure Sauerstoff enthalte. Anschließend entdeckte er noch das Chlor und das Jod (1813).
Das Element Calcium wurde im Jahre 1808 von Sir Humphry Davy in London entdeckt und erstmals in verunreinigter Form durch eine Elektrolyse aus Calciumhydroxid dargestellt. Entdeckt wurde das Calcium aber schon viel früher von dem Schotten Joseph Black - allerdings nicht in elementarer Form, sondern als Calciumsalz.
Humphry Davy experimentierte seit 1800 mit "modernen" Nachweismethoden, die den elektrischen Strom benutzten. 1807 entdeckte er auf diese Weise die Alkalimetalle Kalium und Natrium. 1808 zerlegte er dann Calciumoxid mit Hilfe des elektrischen Stroms und stellte dabei einigermaßen reines Calcium her. Richtig reines Calcium konnte erst 50 Jahre später durch Schmelzelektrolyse von Calciumchlorid (siehe Kasten oben) von Bunsen und Matthiessen hergestellt werden.
Eine völlig andere Methode zur Herstellung von reinem Calcium gelang H.F. Moissan im Jahre 1898 durch eine Reduktion von wasserfreiem Calciumiodid mit Natrium.
Verwendung
Elementares Calcium wird hauptsächlich zur Herstellung bestimmter Legierungen verwendet. Bleilegierungen werden z.B. härter, wenn sie Calcium enthalten.
Wie bereits weiter oben aufgeführt, kann Calcium anderen Metallen den Sauerstoff entziehen:
TiO2 + 2 Ca ==> Ti + 2 CaO
So kann es bei der Herstellung von Titan, Vanadium, Uran oderThorium eingesetzt werden. Außerdem dient Calcium als Absorptionsmittel für Stickstoff und Sauerstoff bei der Gewinnung von Edelgasen aus Luft.
Viel wichtiger als das reine Calcium sind die Calciumverbindungen, auf die hier aber nicht weiter eingegangen werden soll.
Biologische Bedeutung
Die biologische Bedeutung von Calcium ist sehr groß. Einerseits tritt es in Form von Calciumverbindungen als Baumaterial für Knochen, Zähne etc. auf, andererseits spielchen Calciumionen im Zellstoffwechsel und bei der Regulierung zellulärer Prozesse eine sehr wichtige Rolle, auf die im Rahmen des Chemieunterrichts allerdings nicht eingegangen werden kann.
Es sei nur ein typisches Beispiel genannt: Wenn ein Aktionspotential an einer synaptischen Endigung ankommt, so öffnen sich Calciumporen im synaptischen Endknöpfchen. Es strömen dann Calciumionen in das Endknöpchen ein und bewirken, dass die Neurotransmitter ausgeschüttet werden. Ohne Calcium also keine synaptische Übertragung zwischen Nerven- und Muskelzellen.