CALCIUMCYKLUS: EGENSKABER, STADIER OG BETYDNING - KEMI - 2025

Den calcium cyklus er omsætning og lagring på Jorden af dette element, der omfatter levende væsener, lithosfæren og hydrosfæren. Det er en sedimentær biogeokemisk cyklus, hvor calcium cirkulerer som et blødt jord, der mangler et gasformigt jord.

Fasen med større cirkulation af calcium er det biologiske, da det forbruges af levende væsener og bruges i deres strukturer og stofskifte. Når levende væsener er døde, integreres calcium igen i det fysiske miljø som en del af jorden og havbunden.

Calcium. Kilde: Pumbaa (originalt værk af Greg Robson) / CC BY-SA 2.0 UK (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/uk/deed.en)

Der er omfattende aflejringer af skaller og knogler især på havbunden og i de store søer. Disse strukturer blandes med sedimenter og er dækket af successive lag over millioner af år.

De nedre lag af sedimenter udsættes for højt tryk, der danner sedimentære klipper, der derefter udsættes for overfladen på grund af jordbaserede geologiske processer. Udsatte klipper udsættes for forvitring og erosion, hvilket frigiver calcium, der er integreret i jorden eller vaskes væk.

I jorden optages det hovedsageligt af planternes rødder og i havet af fytoplankton og andre organismer. Calcium anvendes til forskellige strukturelle og metabolske formål, for eksempel til fremstilling af skaller.

Calciumcyklus er vigtig, da det tillader dette element at være tilgængeligt i dets forskellige stadier og udføre forskellige funktioner. Når man er en del af strukturen af ​​levende organismer, deltager det således i dannelsen af ​​den terrestriske lettelse, regulerer pH i jord og vand og fungerer som råmateriale til den menneskelige industri.

Generelle karakteristika

- Calcium

Calcium (Ca) er et blødt jordalkalimetalmetal med atomnummer 20 og atommasse 40.078, hvis almindelige tilstand er fast. Danner oxider, der fungerer som stærke baser og reagerer voldsomt, når de er i kontakt med syrer.

- Din cyklus

Calcium opfylder en biogeokemisk cyklus af sedimentær type, da den mangler en gasfase, og de største reserver er i litosfæren. Det er tæt forbundet med kulstof-, vand- og fosforcyklusserne.

Klipperosion

Cyklussen udvikler sig fra forvitring og erosion af kalkholdige klipper, der frigiver det kalk, der afsættes i jorden. Ligeledes kan det vaskes væk opløst i afstrømningsvand i floder, søer og oceaner.

Når regnvand kommer i kontakt med atmosfærisk CO2, danner det H2CO3, der opløser kalksten, frigiver Ca2 + og HCO3-. På den anden side omdanner CO2, der er transporteret af regnvandet, det uopløselige carbonat til opløseligt bicarbonat.

Absorption og brug af levende væsener

Calcium (Ca2 +) i jorden absorberes af planter og i vandmasser af vandlevende organismer. I kroppen udfører calcium forskellige metabolske funktioner, og når organismer dør, vender det tilbage til det fysiske miljø, ført med afstrømningsvand ind i floder, søer og oceaner.

Klippedannelse

Dyreskeletter (indre og ydre eller skaller) aflejres på havbunden som en del af sedimenterne. Sedimentlagene er dækket og komprimeret over millioner af år for at danne kalkholdige klipper.

Kalkeholdige klipper. Kilde: Ferdous / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Senere diastrofale processer (revner og opadgående bevægelser af jordskorpen) udsætter klipperne for overfladen. På denne måde er cyklussen lukket, fordi klipperne igen forvitrer (de klimatiske elementers handling) og forvitres og erodereres.

Stadier af calciumcyklussen

De stadier, som calcium gennemgår i dens opbevarings- og cirkulationscyklus, er givet af de rum, hvor disse processer forekommer. Dette er skorpen og en del af jordens mantel (lithosfære), vandmasser (hydrosfære) og levende organismer.

- Geologisk stadium

I det geologiske trin, der er opdelt i skorpe og kappe, er det her, hvor den største mængde kalklagring findes. Calcium er det femte mest rigelige element i litosfæren, der udgør 3,5% af jordskorpen.

Det findes som en del af klipper som kalksten, dolomit, marl og marmor, mens kalksten og dolomit udgør store bjergkæder over hele planeten. På samme måde er det en del af andre naturlige forbindelser såsom gips og alabaster (calciumsulfat).

I mineralform opnås det som calciumcarbonat (CaCO3) fra kalsit, dolomit og andre krystallinske former, såsom aragonit.

Kalksten

Det er en meget rigelig type sedimentær sten, der stammer fra gamle marine eller lacustrine aflejringer (søer), sammensat af 99% calciumcarbonat. Disse klipper danner vandrette lag eller deformeres af diastrofale bevægelser, og deres forvitring giver anledning til neutral til basisk jord (pH 7 eller højere), rig på calcium.

Dolomite

Den består af en sedimentær sten dannet i lavvandede marine aflejringer ved en kemisk substitutionsreaktion. I dette tilfælde deltager magnesium i mineralkonformationen og danner dolomit eller calciummagnesiumcarbonat (CaMg (CO3) 2).

Margas

Det er sedimentære klipper dannet af 1/3 til 2/3 af calciumcarbonat og resten af ​​ler. Disse klipper overlever i tørre områder, da de er meget modtagelige for vanderosion.

Marmor

Hvis kalksten er udsat for høje temperaturer og tryk i dybe lag af jordskorpen, dannes marmor. Dette er en meget kompakt metamorf rock med en høj grad af krystallisation.

- Hydrologisk fase

Calcium opløses i floder, søer og oceaner som calciumchlorid (er den mest rigelige ion i dette medium) og calciumcarbonat. I verdenshavene er calciumcarbonat (CaCO3) stabilt på dybder mindre end 4500 m.

Calcium i dette medium findes i levende organismer og i kalkaflejringer på havbunden. Dette er dybdegrænsen for carbonatkompensation, hvorefter CaCO3 opløses og ikke danner kalkaflejringer.

- Biologisk stadium

Bevægelse af calcium fra jorden til rødderne. Fra xylem til plantens blade. Dhagerty / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

På dette stadium når calciumcyklussen sin største cirkulation, idet den er vital for levende væsener, fordi den som en Ca2 + -ion er en del af udvekslingsmekanismerne i cellemembraner. På den anden side er det en vigtig bestanddel af knogler, tænder, æggeskaller og skaller.

Calciumskaller i toskallede. Kilde:

På denne måde cirkulerer calcium i biosfæren, og når organismer dør, vender det tilbage til sedimenterne for at danne nye klipper over tid.

Mennesket

Et fremragende element i det biologiske trin i kalkcyklussen er menneskers rolle i at bruge dette element som en råvare. Dette element ekstraheres, transporteres og bruges i store mængder på forskellige måder.

I åbne gruve udvindes kalksten for at bruge det som et konstruktionselement eller til at slibe det og bruge det som et industrielt råmateriale. Skaller er også formalet til fremstilling af gødning og andre produkter.

Skaller af foraminifera og bløddyr

Disse dyrs skaller er dannet af calciumcarbonat, krystalliseret som kalsit eller aragonit. Dette er to mineralformer med den samme sammensætning (CaCO3), men som krystalliserer forskelligt.

Bløddyr danner deres skaller fra en flydende form af calcium, der udskilles af specialiserede celler. Det inderste lag af skallen er den nacre, der er dannet af aragonitkrystaller blandet med conchiolinproteinet.

Betydning

Cirkulation af calcium, der danner dens karakteristiske cyklus, er vigtig for at gøre dette element tilgængeligt for levende væsener. Takket være de processer, der frigiver calcium fra klipper og får det til at cirkulere, findes der liv, som vi kender det.

- Vigtigt element for livet

Calcium er vigtigt for livet, da det er både et strukturelt og et stofskifteelement. Strukturelt er det en grundlæggende del i konformationen af ​​både indre og eksterne skelet.

Hos benede dyr er calcium den vigtigste komponent i knoglerne (indre skelet), også i tænderne. I foraminifera (protister) og bløddyr (snegle og muslinger) er det den vigtigste ingrediens til dannelsen af ​​det ydre skelet, det vil sige skaller.

Metabolisme

Calcium er et transportmiddel i cellemembraner, så det spiller en vigtig rolle i stofskiftet. I cellemembraner er der calciumkanaler, der tillader passivt indtræden af ​​dette element i celler.

Calciumkanaler. Kilde: Ulrich Förstermann - Elsevier GmbH / Public domain

Dette regulerer forholdet mellem calciumkoncentrationer mellem cellen indvendigt og udvendigt og aktiverer forskellige metaboliske processer. For eksempel er disse mekanismer essentielle for funktionen af ​​nervesystemet og muskelsystemet og spiller derfor en relevant rolle i hjertefunktionen.

- Mad og sundhed

Fra menneskets synspunkt gør calciumcyklus det muligt at gøre dette element tilgængeligt for mad og menneskers sundhed. Frem for alt er det vigtigt i produktion og tilberedning af mejerimad til børn.

Tilsvarende anvendes dens indtagelse til medicinske formål til behandling af calciummangelsygdomme, såsom osteoporose. Denne knoglesvækkende sygdom er især alvorlig hos ældre mennesker, især hos kvinder.

- Perlerne

Når et fremmedlegeme invaderer østersen, dækker det det med perlemor, og derved dannes en perle. Perler når høje værdier på smykkemarkedet over hele verden.

- Industriel råvare

Kalksten bruges industrielt til forskellige formål, f.eks. Fremstilling af cement. Også disse sten bruges direkte som byggemateriale på grund af deres lette udskæring.

Yderligere anvendes calcium som et deoxidizer og reduktionsmiddel i forskellige processer, især i den metallurgiske industri.

Citron

Som hurtigkalk, også kaldet bygningskalk, er de calciumoxider, der bruges som et bindemiddel og belægning i konstruktionen. På samme måde bruges det til fremstilling af sæbe, papir, glas, gummi og i garvning af læder.

Ligeledes har den forskellige anvendelser i fødevareindustrien og i vandbehandling. Mens det er som slaket kalk eller calciumhydroxid, bruges det også inden for industri og landbrug.

- pH-regulering af jord

Indholdet af calciumoxider i jorden påvirker reguleringen af ​​pH. I landbruget bruges quicklime som en landbrugsændring til at reducere jordens surhedsgrad og også som gødning.

- Kalkholdigt vand eller hårdt vand

Når vand cirkulerer i miljøer, der er rige på calcium og magnesium, opløser det salte af disse elementer og er kendt som kalkholdigt eller hårdt vand. Vandkvalitetsgrænsen er 120 mg CaCO3 / liter, over hvilken vandet betragtes som hårdt.

Vand med højt calciumindhold kan forårsage sundhedsmæssige problemer, især relateret til det kardiovaskulære system. Derudover producerer hårdt vand kalkholdige aflejringer i rørene, der forhindrer cirkulation.

- Kalkehuler og akviferer

I kalkholdige klipper danner hydrisk erosion ofte underjordiske hulesystemer med interessante interne konfigurationer. Blandt disse skiller sig dannelsen af ​​stalaktitter og stalagmiter ud på grund af calciumcarbonataflejringer fra lækagerne i lofterne i disse huler.

Disse kalkholdige systemer udfører også filtreringsfunktionen for grundvand på grund af dets porøsitet og danner akvifere.

Referencer

1. Calow, P. (red.) (1998). Leksikonet for økologi og miljøstyring.
2. Christopher R. og Fielding, CR (1993). En gennemgang af nyere forskning inden for fluvial sedimentology. Sedimentær geologi.
3. Margalef, R. (1974). Økologi. Omega-udgaver.
4. Miller, G. og TYLER, JR (1992). Økologi og miljø. Grupo Redaktion Iberoamérica SA de CV
5. Odum, EP og Warrett, GW (2006). Grundlæggende om økologi. Femte udgave. Thomson.