Les composés de calcium étaient utilisés depuis la plus haute Antiquité sans que l'on soupçonne l'existence de l'élément lui-même. Les Romains produisaient de la chaux vive (oxyde de calcium, CaO) en chauffant du calcaire pour fabriquer du mortier et du ciment. En 1808, Humphry Davy (1778-1829), quelques mois après avoir isolé le sodium et le potassium, réussit à isoler le calcium métallique par électrolyse d'un mélange d'oxyde de calcium et d'oxyde de mercure humidifié. Davy nomme ce nouveau métal calcium, du latin calx = chaux, terme déjà utilisé par les Romains pour désigner le calcaire calciné. Cependant, le calcium métallique pur était difficile à obtenir et à conserver en raison de sa grande réactivité. Ce n'est qu'en 1898 que Henri Moissan (1852-1907) améliora le procédé d'isolation par électrolyse du chlorure de calcium fondu, permettant d'obtenir du calcium relativement pur.
Le calcium (symbole Ca, numéro atomique 20) est un métal alcalino-terreux du groupe 2 du tableau périodique. Son atome possède 20 protons, 20 électrons et généralement 20 neutrons dans son isotope le plus abondant (\(\,^{40}\mathrm{Ca}\)). Six isotopes stables existent : le calcium-40 (\(\,^{40}\mathrm{Ca}\)), le calcium-42 (\(\,^{42}\mathrm{Ca}\)), le calcium-43 (\(\,^{43}\mathrm{Ca}\)), le calcium-44 (\(\,^{44}\mathrm{Ca}\)), le calcium-46 (\(\,^{46}\mathrm{Ca}\)) et le calcium-48 (\(\,^{48}\mathrm{Ca}\)).
À température ambiante, le calcium est un métal solide, blanc argenté, relativement mou (peut être coupé au couteau). Densité ≈ 1.54 g/cm³. Point de fusion du calcium : 1 115 K (842 °C). Point d'ébullition : 1 757 K (1 484 °C). Le calcium métallique est modérément réactif. Il s'oxyde lentement à l'air en formant une couche d'oxyde et de nitrure qui le protège partiellement. Il réagit avec l'eau à température ambiante (plus lentement que les métaux alcalins), produisant de l'hydroxyde de calcium et du dihydrogène. Le calcium brûle dans l'air avec une flamme rouge-orangé intense, produisant principalement de l'oxyde de calcium (CaO) et du nitrure de calcium (Ca₃N₂).
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Décroissance / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Calcium-40 — \(\,^{40}\mathrm{Ca}\,\) | 20 | 20 | 39.962591 u | ≈ 96.94 % | Stable | Isotope ultra-dominant ; produit de désintégration du potassium-40. |
| Calcium-44 — \(\,^{44}\mathrm{Ca}\) | 20 | 24 | 43.955482 u | ≈ 2.09 % | Stable | Deuxième isotope le plus abondant ; utilisé en recherche biomédicale. |
| Calcium-42 — \(\,^{42}\mathrm{Ca}\) | 20 | 22 | 41.958618 u | ≈ 0.647 % | Stable | Isotope stable minoritaire. |
| Calcium-48 — \(\,^{48}\mathrm{Ca}\) | 20 | 28 | 47.952534 u | ≈ 0.187 % | 4,3 × 10¹⁹ ans (théorique) | Radioactif (double β\(^-\)), mais demi-vie si longue qu'il est considéré stable en pratique. Utilisé en physique nucléaire pour synthétiser les superhéros. |
| Calcium-43, 46 — \(\,^{43}\mathrm{Ca}\), \(\,^{46}\mathrm{Ca}\) | 20 | 23, 26 | 42.958767 u, 45.953693 u | ≈ 0.135 %, 0.004 % | Stables | Isotopes rares stables du calcium. |
| Calcium-41 — \(\,^{41}\mathrm{Ca}\) | 20 | 21 | 40.962278 u | Trace cosmogénique | 103 000 ans | Radioactif par capture électronique donnant du potassium-41. Utilisé pour dater les eaux souterraines anciennes. |
| Autres isotopes — \(\,^{34}\mathrm{Ca}\) à \(\,^{60}\mathrm{Ca}\) | 20 | 14 — 40 | — (variables) | Non naturels | Millisecondes à jours | Isotopes instables produits artificiellement ; physique nucléaire expérimentale. |
Le calcium est un métal réactif qui forme principalement des composés ioniques à l'état d'oxydation +II. Il réagit avec l'oxygène pour former l'oxyde de calcium (CaO), avec l'eau pour produire l'hydroxyde de calcium (Ca(OH)₂, chaux éteinte), et avec les acides en libérant du dihydrogène. Le calcium réagit à haute température avec l'azote (formant Ca₃N₂), le soufre (formant CaS), le carbone (formant du carbure de calcium CaC₂) et les halogènes. Les principaux composés du calcium incluent le carbonate de calcium (CaCO₃, calcaire, craie, marbre), le sulfate de calcium (CaSO₄, gypse, plâtre), le phosphate de calcium (Ca₃(PO₄)₂, apatite), le chlorure de calcium (CaCl₂) et l'hydroxyde de calcium (Ca(OH)₂). Le carbonate de calcium se dissout dans l'eau contenant du dioxyde de carbone dissous, formant du bicarbonate de calcium soluble Ca(HCO₃)₂, processus fondamental dans la formation des grottes calcaires et la dureté de l'eau.
Le calcium est le cinquième élément le plus abondant dans le corps humain et joue des rôles biologiques essentiels. Environ 99 % du calcium corporel se trouve dans les os et les dents sous forme d'hydroxyapatite (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂), constituant le principal composant minéral du squelette qui assure rigidité et résistance mécanique. Le squelette sert également de réservoir de calcium pour l'organisme. Le 1 % restant, bien que minime en quantité, est absolument vital : le calcium ionique (Ca²⁺) est un messager intracellulaire universel intervenant dans la contraction musculaire, la transmission de l'influx nerveux, la libération de neurotransmetteurs, la coagulation sanguine, la sécrétion hormonale, l'activation enzymatique et la régulation de l'expression des gènes. Des variations même minimes de la concentration sanguine de calcium (normalement 2,2-2,6 mmol/L) peuvent avoir des conséquences graves : l'hypocalcémie provoque des crampes, tétanies et troubles cardiaques, tandis que l'hypercalcémie peut causer confusion, arythmies et calcifications tissulaires. Chez les organismes marins, le calcium est utilisé pour construire coquilles, squelettes externes et récifs coralliens. Les plantes utilisent le calcium pour la structure des parois cellulaires et comme second messager dans les réponses aux stress.
Le calcium est le cinquième élément le plus abondant dans la croûte terrestre (environ 3,4 % en masse). Il est un constituant majeur de nombreuses roches : calcaire (carbonate de calcium pur ou impur), marbre (calcaire métamorphisé), craie (calcaire biogénique), dolomie (carbonate double de calcium et magnésium), gypse (sulfate de calcium hydraté). Les roches calcaires représentent environ 10 % de la surface des continents et se sont formées principalement par accumulation de squelettes et coquilles d'organismes marins sur des millions d'années. Le cycle du calcium est intimement lié au cycle du carbone : le CO₂ atmosphérique se dissout dans l'eau de pluie, forme de l'acide carbonique qui dissout les roches calcaires, et le calcium est transporté vers les océans où il précipite à nouveau sous forme de carbonates biologiques ou chimiques. Ce processus de régulation du CO₂ atmosphérique à l'échelle géologique (des millions d'années) joue un rôle crucial dans la stabilisation du climat terrestre. Les grottes calcaires, stalactites et stalagmites se forment par dissolution et reprécipitation lente du carbonate de calcium. Les sources d'eau dure contiennent du calcium dissous provenant de la dissolution des roches calcaires.
Le calcium est produit dans les étoiles massives lors de la fusion du silicium dans les couches profondes juste avant l'explosion en supernova. Le calcium-40, isotope dominant, provient principalement de la désintégration du potassium-40 radioactif dans la croûte terrestre. Les supernovae enrichissent le milieu interstellaire en calcium, qui est ensuite incorporé dans les nouvelles générations d'étoiles et de planètes. Le calcium a été détecté spectroscopiquement dans de nombreuses étoiles et nébuleuses. Les raies d'absorption du calcium ionisé (Ca II H et K à 393,3 et 396,8 nm) sont parmi les plus intenses dans les spectres stellaires et sont utilisées pour déterminer la composition et les propriétés des étoiles. L'isotope calcium-48, extrêmement riche en neutrons, est utilisé en physique nucléaire pour synthétiser des éléments super-lourds (éléments 114-118) par fusion avec d'autres noyaux lourds. Les météorites riches en calcium-aluminium (inclusions CAI) sont parmi les premiers solides formés dans le système solaire primitif il y a 4,567 milliards d'années.
N.B. :
Les falaises blanches de Douvres, emblème naturel de l'Angleterre, sont entièrement constituées de calcium. Ces impressionnantes formations géologiques de craie blanche sont composées de carbonate de calcium pur (CaCO₃) formé par l'accumulation progressive de coquilles microscopiques de coccolithophores, des algues marines unicellulaires, au fond d'une mer chaude durant la période du Crétacé il y a environ 90 millions d'années. Chaque centimètre de ces falaises représente des milliers d'années de sédimentation et contient des milliards de micro-organismes fossilisés. Ces falaises atteignent jusqu'à 110 mètres de hauteur et s'érodent d'environ 1 cm par an sous l'action des vagues et des intempéries. Elles témoignent spectaculairement du rôle du calcium dans la construction de paysages géologiques monumentaux à partir de l'activité d'organismes microscopiques sur des échelles de temps géologiques immenses.
