Kalziumverbindungen wurden seit der Antike verwendet, ohne dass man das Element selbst vermutete. Die Römer stellten gebrannten Kalk (Kalziumoxid, CaO) durch Erhitzen von Kalkstein her, um Mörtel und Zement zu produzieren. Im Jahr 1808 gelang es Humphry Davy (1778-1829), nur wenige Monate nach der Isolierung von Natrium und Kalium, metallisches Kalzium durch Elektrolyse einer befeuchteten Mischung aus Kalziumoxid und Quecksilberoxid zu isolieren. Davy nannte dieses neue Metall Kalzium, abgeleitet vom lateinischen calx = Kalk, ein Begriff, der bereits von den Römern für kalzinierten Kalkstein verwendet wurde. Reines metallisches Kalzium war jedoch aufgrund seiner hohen Reaktivität schwer zu gewinnen und zu lagern. Erst im Jahr 1898 verbesserte Henri Moissan (1852-1907) das Isolationsverfahren durch Elektrolyse von geschmolzenem Kalziumchlorid, wodurch relativ reines Kalzium gewonnen werden konnte.
Kalzium (Symbol Ca, Ordnungszahl 20) ist ein Erdalkalimetall der Gruppe 2 des Periodensystems. Sein Atom besitzt 20 Protonen, 20 Elektronen und in der Regel 20 Neutronen in seinem häufigsten Isotop (\(\,^{40}\mathrm{Ca}\)). Es gibt sechs stabile Isotope: Kalzium-40 (\(\,^{40}\mathrm{Ca}\)), Kalzium-42 (\(\,^{42}\mathrm{Ca}\)), Kalzium-43 (\(\,^{43}\mathrm{Ca}\)), Kalzium-44 (\(\,^{44}\mathrm{Ca}\)), Kalzium-46 (\(\,^{46}\mathrm{Ca}\)) und Kalzium-48 (\(\,^{48}\mathrm{Ca}\)).
Bei Raumtemperatur ist Kalzium ein festes, silbrig-weißes Metall, das relativ weich ist (kann mit einem Messer geschnitten werden). Dichte ≈ 1,54 g/cm³. Schmelzpunkt von Kalzium: 1.115 K (842 °C). Siedepunkt: 1.757 K (1.484 °C). Metallisches Kalzium ist mäßig reaktiv. Es oxidiert langsam an der Luft und bildet eine Schicht aus Oxid und Nitrid, die es teilweise schützt. Es reagiert bei Raumtemperatur mit Wasser (langsamer als Alkalimetalle) und bildet Kalziumhydroxid und Wasserstoffgas. Kalzium verbrennt in der Luft mit einer intensiven rot-orangen Flamme und bildet hauptsächlich Kalziumoxid (CaO) und Kalziumnitrid (Ca₃N₂).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kalzium-40 — \(\,^{40}\mathrm{Ca}\,\) | 20 | 20 | 39.962591 u | ≈ 96,94 % | Stabil | Ultra-dominantes Isotop; Zerfallsprodukt von Kalium-40. |
| Kalzium-44 — \(\,^{44}\mathrm{Ca}\) | 20 | 24 | 43.955482 u | ≈ 2,09 % | Stabil | Zweit häufigstes Isotop; wird in der biomedizinischen Forschung verwendet. |
| Kalzium-42 — \(\,^{42}\mathrm{Ca}\) | 20 | 22 | 41.958618 u | ≈ 0,647 % | Stabil | Minderheitenstabiles Isotop. |
| Kalzium-48 — \(\,^{48}\mathrm{Ca}\) | 20 | 28 | 47.952534 u | ≈ 0,187 % | 4,3 × 10¹⁹ Jahre (theoretisch) | Radioaktiv (doppeltes β\(^-\)), aber die Halbwertszeit ist so lang, dass es in der Praxis als stabil gilt. Wird in der Kernphysik zur Synthese superschwerer Elemente verwendet. |
| Kalzium-43, 46 — \(\,^{43}\mathrm{Ca}\), \(\,^{46}\mathrm{Ca}\) | 20 | 23, 26 | 42.958767 u, 45.953693 u | ≈ 0,135 %, 0,004 % | Stabil | Seltene stabile Isotope von Kalzium. |
| Kalzium-41 — \(\,^{41}\mathrm{Ca}\) | 20 | 21 | 40.962278 u | Kosmogene Spur | 103.000 Jahre | Radioaktiv durch Elektroneneinfang, bildet Kalium-41. Wird zur Datierung von altem Grundwasser verwendet. |
| Andere Isotope — \(\,^{34}\mathrm{Ca}\) bis \(\,^{60}\mathrm{Ca}\) | 20 | 14 — 40 | — (variabel) | Nicht natürlich | Millisekunden bis Tage | Instabile Isotope, künstlich hergestellt; werden in der experimentellen Kernphysik verwendet. |
Kalzium ist ein reaktives Metall, das hauptsächlich ionische Verbindungen im Oxidationszustand +II bildet. Es reagiert mit Sauerstoff zu Kalziumoxid (CaO), mit Wasser zu Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂, gelöschter Kalk) und mit Säuren unter Freisetzung von Wasserstoffgas. Kalzium reagiert bei hohen Temperaturen mit Stickstoff (Bildung von Ca₃N₂), Schwefel (Bildung von CaS), Kohlenstoff (Bildung von Kalziumkarbid CaC₂) und Halogenen. Die wichtigsten Kalziumverbindungen umfassen Kalziumkarbonat (CaCO₃, Kalkstein, Kreide, Marmor), Kalziumsulfat (CaSO₄, Gips, Stuck), Kalziumphosphat (Ca₃(PO₄)₂, Apatit), Kalziumchlorid (CaCl₂) und Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂). Kalziumkarbonat löst sich in Wasser, das gelöstes Kohlendioxid enthält, und bildet lösliches Kalziumhydrogencarbonat Ca(HCO₃)₂, ein grundlegender Prozess bei der Bildung von Kalksteinhöhlen und Wasserhärte.
Kalzium ist das fünfthäufigste Element im menschlichen Körper und spielt essentielle biologische Rollen. Etwa 99 % des Körperkalziums befinden sich in Knochen und Zähnen in Form von Hydroxylapatit (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂), der Hauptmineralkomponente des Skeletts, die für Steifigkeit und mechanische Festigkeit sorgt. Das Skelett dient auch als Kalziumspeicher für den Körper. Die verbleibenden 1 %, obwohl mengenmäßig gering, sind absolut lebenswichtig: Ionisches Kalzium (Ca²⁺) ist ein universeller intrazellulärer Botenstoff, der an der Muskelkontraktion, der Übertragung von Nervenimpulsen, der Freisetzung von Neurotransmittern, der Blutgerinnung, der Hormonsekretion, der Enzymaktivierung und der Genexpressionsregulation beteiligt ist. Selbst geringe Schwankungen der Kalziumkonzentration im Blut (normalerweise 2,2-2,6 mmol/L) können schwerwiegende Folgen haben: Hypokalzämie verursacht Krämpfe, Tetanie und Herzstörungen, während Hyperkalzämie zu Verwirrung, Arrhythmien und Gewebeverkalkung führen kann. Bei Meeresorganismen wird Kalzium zum Aufbau von Schalen, Außenskeletten und Korallenriffen verwendet. Pflanzen nutzen Kalzium für den Aufbau der Zellwände und als sekundären Botenstoff bei Stressreaktionen.
Kalzium ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste (etwa 3,4 % der Masse). Es ist ein Hauptbestandteil vieler Gesteine: Kalkstein (reines oder unreines Kalziumkarbonat), Marmor (metamorpher Kalkstein), Kreide (biogener Kalkstein), Dolomit (Doppelkarbonat aus Kalzium und Magnesium), Gips (hydratisiertes Kalziumsulfat). Kalksteingesteine machen etwa 10 % der Landfläche aus und entstanden hauptsächlich durch die Ansammlung von Skeletten und Schalen mariner Organismen über Millionen von Jahren. Der Kalziumkreislauf ist eng mit dem Kohlenstoffkreislauf verbunden: Atmosphärisches CO₂ löst sich in Regenwasser, bildet Kohlensäure, die Kalksteingesteine löst, und Kalzium wird in die Ozeane transportiert, wo es erneut als biologische oder chemische Karbonate ausfällt. Dieser Prozess der Regulierung von atmosphärischem CO₂ auf geologischen Zeitskalen (Millionen von Jahren) spielt eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung des Erdklimas. Kalksteinhöhlen, Stalaktiten und Stalagmiten entstehen durch die langsame Auflösung und Wiederausfällung von Kalziumkarbonat. Hartes Wasser enthält gelöstes Kalzium aus der Auflösung von Kalksteingesteinen.
Kalzium wird in massereichen Sternen während der Fusion von Silizium in den tiefen Schichten kurz vor der Supernova-Explosion produziert. Kalzium-40, das dominierende Isotop, stammt hauptsächlich aus dem radioaktiven Zerfall von Kalium-40 in der Erdkruste. Supernovae reichern das interstellare Medium mit Kalzium an, das dann in neue Generationen von Sternen und Planeten eingebaut wird. Kalzium wurde spektroskopisch in vielen Sternen und Nebeln nachgewiesen. Die Absorptionslinien von ionisiertem Kalzium (Ca II H und K bei 393,3 und 396,8 nm) gehören zu den intensivsten in Sternspektren und werden zur Bestimmung der Zusammensetzung und Eigenschaften von Sternen verwendet. Das extrem neutronenreiche Isotop Kalzium-48 wird in der Kernphysik zur Synthese superschwerer Elemente (Elemente 114-118) durch Fusion mit anderen schweren Kernen verwendet. Kalzium-Aluminium-reiche Meteoriten (CAI-Einschlüsse) gehören zu den ersten Feststoffen, die sich vor 4,567 Milliarden Jahren im frühen Sonnensystem bildeten.
N.B.:
Die weißen Klippen von Dover, ein natürliches Wahrzeichen Englands, bestehen vollständig aus Kalzium. Diese beeindruckenden geologischen Formationen aus weißer Kreide bestehen aus reinem Kalziumkarbonat (CaCO₃), das durch die allmähliche Ansammlung mikroskopischer Kokkolithophoriden-Schalen, einzelliger Meeresalgen, am Boden eines warmen Meeres während der Kreidezeit vor etwa 90 Millionen Jahren entstand. Jeder Zentimeter dieser Klippen steht für tausende Jahre Sedimentation und enthält Milliarden fossiler Mikroorganismen. Diese Klippen erreichen eine Höhe von bis zu 110 Metern und erodieren mit einer Rate von etwa 1 cm pro Jahr durch Wellen und Witterungseinflüsse. Sie zeugen auf spektakuläre Weise von der Rolle des Kalziums beim Aufbau monumentaler geologischer Landschaften durch die Aktivität mikroskopischer Organismen über immense geologische Zeitskalen.
