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Calcium

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP)
Gefahr
H- und P-Sätze H: In Berührung mit Wasser entstehen entzündbare Gase.
EUH: keine EUH-Sätze
P: Unter inertem Gas handhaben. Vor Feuchtigkeit schützen.-
Inhalt in / unter … aufbewahren
 
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I 
Leicht-
entzündlich
(F)
R- und S-Sätze R: Reagiert mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase.
  • S: Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen. (Text nur erforderlich bei Abgabe an nichtgewerbliche Endverbraucher)
  • Behälter trocken halten
  • Berührung mit den Augen und der Haut vermeiden.
  • Zum Löschen ... verwenden. (vom Hersteller anzugeben)(wenn Wasser die Gefahr erhöht, anfügen: Kein Wasser verwenden)

Calcium (fachsprachlich) oder Kalzium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ca und der Ordnungszahl 20. Im Periodensystem steht es in der zweiten Hauptgruppe und zählt daher zu den Erdalkalimetallen.

Elementares Calcium ist ein glänzendes, silberweißes Metall. In der Umwelt kommt Calcium nur in gebundener Form als Bestandteil von Mineralien vor. Zu diesen Mineralien gehören z.B. Kalkstein (auch als Calcit, Kalkspat oder Marmor), Kreide und Gips. Außerdem ist Calcium ein wesentlicher Bestandteil der Knochen.

Geschichte

Der Name "Calcium" leitet sich vom lateinischen calx ab. So bezeichneten die Römer Kalkstein, Kreide und daraus hergestellten Mörtel.

Elementares Calcium gewann erstmals Humphry Davy 1808 durch Abdampfen des Quecksilbers aus elektrolytisch gewonnenem Calciumamalgam.

Vorkommen

Calcium ist das fünfthäufigste Element der Erdkruste. Aufgrund seiner chemischen Reaktivität kommt es nur chemisch gebunden natürlich vor. Eine Ausnahme stellt vermutlich eine Fluorit-Varietät ("Stinkspat") dar, in dessen Kristallgitter wahrscheinlich kolloidales Calcium durch natürliche radioaktive Strahlung entstand. Calciumhaltige Minerale wie Calcit und Gips sind in großen Mengen vorhanden (z.B. bestehen die Alpen vorwiegend aus Kalkstein).

Als essentieller Bestandteil der belebten Materie ist es am Aufbau von Blättern, Knochen, Zähnen und Muscheln beteiligt. Neben K+, Na+ spielt Ca2+ eine wichtige Rolle bei der Reizübertragung in Nervenzellen. Aber auch in anderen Zellen spielen Calcium-Ionen eine wichtige Rolle bei der Signaltransduktion.

Eigenschaften

Elementares Calcium unter Argon
teilweise oxidiertes Calcium

Calcium ist weicher als Blei, lässt sich aber mit einem Messer nicht schneiden. In der Luft läuft es schnell an. Mit Wasser reagiert es heftig unter Bildung von Calciumhydroxid und Wasserstoff. An der Luft verbrennt es zu Calciumoxid und ein wenig Calciumnitrid. Fein verteiltes Calcium ist selbstentzündlich.

Calcium gehört zu den Erdalkalimetallen und liegt in chemischen Verbindungen fast nur in der Oxidationszahl +2 vor. An der Friedrich-Schiller-Universität Jena wurde jedoch erstmalig ein stabiler, wenn auch extrem wasser- und luftempfindlicher Calcium(I)-Komplex (inverse sandwich) synthetisiert, bei dem das Calcium in der bei stabilen Verbindungen bislang unbekannten Oxidationsstufe +1 vorliegt.

Herstellung

Das Metall wird unter Vakuum durch Reduktion von gebranntem Kalk (Calciumoxid) mit Aluminiumpulver bei 1200 °C (Pidgeon-Prozess) hergestellt. Aluminium hat zwar eine geringere Reaktivität und Enthalpie als Calcium, so dass das Gleichgewicht der Reaktion

 \mathrm{3 \ CaO + 2 \ Al \ \xrightarrow{1200^{\circ}C}\ Al_2O_3 + 3 \ Ca\uparrow}

eigentlich fast völlig auf der linken Seite dieser Gleichung liegt, trotzdem funktioniert dieser Herstellungsprozess, weil das entstehende Calcium bei dieser Temperatur ständig verdampft und so aus dem Gleichgewicht verschwindet. Eine Reinigung erfolgt durch Destillation des Calciums.

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Calcium, Ca, 20
Serie Erdalkalimetalle
Gruppe, Periode, Block 2, 4, s
Aussehen silbrig weiß
CAS-Nummer 7440-70-2
Massenanteil an der Erdhülle 3,39 %
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur kubisch flächenzentriert
Dichte 1,55 g/cm3 (20 °C)
Mohshärte 1,75
Magnetismus paramagnetischm = 1,9 · 10-5)
Schmelzpunkt 1115 K (842 °C)
Siedepunkt 1757 K (1484 °C)
Molares Volumen 26,20 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme 155 kJ/mol
Schmelzwärme 8,54 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 3810 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 647,3 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 29,4 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit 200 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände (+1) +2
Oxide (Basizität) CaO (stark basisch)
Normalpotential -2,84 V (Ca2+ + 2e → Ca)
Elektronegativität 1,00 (Pauling-Skala)

Verwendung

Metallisches Calcium dient als Reduktionsmittel in der Metallurgie zur Herstellung von Metallen wie Thorium, Vanadium, Zirconium, Yttrium und anderen Metallen der seltenen Erden, als Reduktionsmittel in der Stahl- und Aluminiumherstellung, als Legierungszusatz in Aluminium-, Beryllium, Kupfer-, Blei- und Magnesiumlegierungen. Ausgangsstoff zur Herstellung von Calciumhydrid.

Die technische Nutzung des Calciums erfolgt überwiegend in gebundener Form.

Kalkstein ist einer der wichtigsten Rohstoffe der heutigen Industrie:

Calciumsulfat (Gips) wird als Baustoff verwendet.

Calciumcarbid dient als Ausgangsstoff für chemische Synthesen und zur Herstellung von Kalkstickstoff-Dünger und früher zur Synthese von Acetylen (Ethin), daher wird Calciumcarbid richtiger als Calciumacetylid bezeichnet.

Calciumchlorid dient als Tau- und Trocknungsmittel sowie als Beton-Abbindebeschleuniger.

Nachweis

Neben der bei Calcium orange-roten Flammenfärbung weist man Calcium-, Strontium- und Barium-Kationen mit Schwefelsäure oder Ammoniumsulfatlösung nach. Bei dieser Nachweisreaktion entstehen weiße, säure-unlösliche Niederschläge. Auch mit Carbonat-, Oxalat-und Dichromat-Anionen können Niederschläge unterschiedlich geringer Löslichkeit erzeugt werden. Deren genauere Untersuchung lässt dann eine Unterscheidung der Erdalkalimetall-Kationen zu.

In der Routineanalytik (Klinische Chemie, Umweltchemie, Wasserchemie) wird Calcium bis in den Spurenbereich mit der Flammenphotometrie quantitativ bestimmt. Die Bestimmungsgrenze liegt bei 100 μg/l. In höheren Konzentrationen ist auch die Titration mit EDTA gegen Eriochromschwarz T möglich. Zur gravimetrischen Bestimmung von Calcium fällt man dieses mit Oxalat und glüht es bei 600 °C aus, um die Wägeform Calciumcarbonat zu erhalten.

Präanalytik

Die Calcium-Konzentration wird in der Routine-Labordiagnostik in Blut und Urin bestimmt. Die Calcium-Konzentration im Blut wird oft auch als Serumcalcium oder Plasmacalcium bezeichnet. Calcium ist ein wichtiger Parameter in der Diagnostik des Knochen- und Calciumstoffwechsels. Als Blutprobe kann sowohl Serum als auch heparinisiertes Plasma verwendet werden. Zu beachten ist bei Plasma, dass kein Calcium-bindendes Antikoagulans (wie Citrat oder EDTA) verwendet wird. Ein zu langes Stauen der Vene vor der Blutentnahme kann zu falsch erhöhten Werten führen.

Analytik

Calcium liegt im Blut nur zu etwa 50% in freier, ionisierter Form vor (Ionisiertes Calcium). Der Rest des Calciums ist an Albumin gebunden oder bildet mit Anionen Komplexe. Biologisch relevant und auch vom Körper reguliert ist die freie, ionisierte Form des Calciums.

Die totale Calcium-Konzentration (Gesamtcalcium ) im Blut ist von der Albumin-Konzentration abhängig und muss entsprechend korrigiert werden. Alternativ wird direkt die Konzentration des ionisierten Calciums gemessen. Das Gesamtcalcium im Serum wird mittels Absorptionsspektrometrie oder Flammenatomemissionspektrometrie bestimmt. Dabei werden die physikalischen Eigenschaften von Calcium ausgenutzt.

Ionisiertes Calcium wird mit ionenselektiven Elektroden bestimmt.

Interpretation

Messwert Referenzbereich
Gesamtcalcium 8,4-10,5 mg/dl 2,2-2,6 mmol/l
Ionisiertes Calcium 4,6-5,4 mg/dl 1,15-1,35 mmol/l

Die Calciumkonzentration ist im Körper äußerst eng kontrolliert. Eine erhöhte Calciumkonzentration wird als Hyperkalzämie, eine erniedrigte Calciumkonzentration wird als Hypokalzämie bezeichnet. Spezifische Ursachen und Symptome finden sich dort.

Die genauen Werte sind abhängig vom Messverfahren, weshalb der vom Labor angegebene Referenzwert ausschlaggebend ist. Bei Kindern liegen die Werte etwas höher als bei Erwachsenen.

Funktionen im menschlichen Organismus

Calcium ist ein Mengenelement (Definition: Element mit mehr als 50 mg pro kg Körpergewicht) und gehört damit nicht zu den Spurenelementen. Mit einem Körperbestand von 1-1,1 kg ist Calcium der mengenmäßig am stärksten vertretene Mineralstoff im menschlichen Organismus. 99 % des im Körper vorkommenden Calciums befinden sich in Knochen und Zähnen - die calciumreiche Verbindung Hydroxylapatit (Ca5(PO4)3(OH)) verleiht ihnen Stabilität und Festigkeit. Gleichzeitig dienen die Knochen als Speicher für Calcium - bei Calciummangel kann ein Teil davon aus den Knochen gelöst und für andere Aufgaben zur Verfügung gestellt werden. Die Knochenentkalkung, Osteoporose, kommt vor allem bei älteren Menschen vor. Innerhalb der Zellen ist Calcium an der Erregung von Muskeln und Nerven, dem Glykogen-Stoffwechsel, der Zellteilung sowie an der Aktivierung einiger Enzyme und Hormone beteiligt. Wie erstmals Setsuro Ebashi nachwies, führt erst der Einstrom von Calcium-Ionen in die Muskelzellen zu einer Kontraktion der Muskulatur. Außerhalb der Zellen ist Calcium an der Blutgerinnung und der Aufrechterhaltung der Zellmembranen beteiligt. Im Blut muss ständig eine Konzentration von 2,1-2,6 mmol/l Calcium gegeben sein. Sie wird durch die Hormone Calcitriol, Calcitonin und Parathormon reguliert. Nur 0,1 % des im Körper vorhandenen Calciums findet sich im Extrazellularraum, davon ist 30-55 % an Proteine gebunden, 5-15 % liegt in Form von Komplexen vor (z.B. Calciumhydrogencarbonat, Calciumcitrat, Calciumsulfat, Calciumphosphat oder Calciumlactat). Nur ca. 50 % des extrazellulären Calciums liegt in frei ionisierter und damit in biologisch aktiver Form vor.

Zur Prävention der Osteoporose trägt eine vermehrte Calcium-Aufnahme von etwa 1 g/Tag bei.

Gesundheitliche Risiken

Bei hohen Calciummengen in der Ernährung steigt das Risiko eines aggressiven Prostatakarzinoms etwa um den Faktor 2,5. In einer prospektiven Kohorten-Studie mit 47.750 Männern an der Harvard School of Medicine hatte ein hoher Calciumverzehr zwar keinen Einfluss auf den lokalisierten Prostatakrebs, dafür aber auf den fortgeschrittenen und tödlich verlaufenden Prostatakrebs sowie Prostatakrebs mit Gleason ≥ 7. Verglichen mit Männern mit einem Calciumverzehr von 500-749 ;mg/d hatten Männer mit einem Calciumverzehr von 1500-1999 mg/d eine relatives Risiko von 1,87 (95 % CI, 1,17-3,01) und Männer mit einem Calciumverzehr über 2.000 mg/d sogar ein relatives Risiko von 2,43 (95 % CI, 1,32-4,48). Die Studienleiter gehen davon aus, dass Calciummengen über 1500 mg/d die Zelldifferenzierung senken und so das Risiko eines aggressiven, wenig differenzierten Prostatakarzinoms erhöhen. In einer anderen Studie hatten Männer mit hohen Serumcalciumwerte ein 2,5-fach erhöhtes Risiko eines tödlich verlaufenden Prostatakarzinoms.

Calciumpräparate ohne Vitamin D erhöhen offenbar auch das Risiko eines Herzinfarkts: Wissenschaftler um Ian Reid von der neuseeländischen University of Auckland publizierten 2010 im British Medical Journal in einer umfassenden Meta-Analyse, dass Calciumpräparate das Herzinfarktrisiko um 30 % steigern. Dieser Effekt scheint dosisabhängig ab einer täglichen Verzehrmenge von 800 mg Calcium (als Ergänzungsmittel) ohne Vitamin D aufzutreten. Auch mehr Schlaganfälle und Todesfälle traten in der Calciumgruppe auf.

Neueren Studien zufolge könnte das Risiko für Arterienverkalkung mit häufigen und schwerwiegenden Folgen wie Demenz, Herzinfarkt und Schlaganfall infolge eines hohen Anteils an Calcium und Vitamin D in der Nahrung höher sein als lange angenommen. Besonders bei älteren Menschen oder solchen mit Nierenschäden könnte die Gefahr bestehen, dass sich aufgenommenes Calcium schädlich auswirkt.

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Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 06.07. 2020