Le calcium (Z = 20)

Troisième élément du groupe des alcalino-terreux, le calcium (Ca) occupe, en terme d'abondance, la cinquième place dans la croûte terrestre (environ 3 % de la masse totale) et la sixième place dans l'eau des océans (0,4 g/L). Il possède 24 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. connus, mais seuls cinq d'entre eux sont stables : le calcium 40 (⁴⁰Ca), pour 97 %, le ⁴⁴Ca, pour 2 %, les trois autres (⁴²Ca, ⁴³Ca et⁴⁵Ca) représentant environ 1 % du total.

Origine du calcium

Lorsque des étoiles très massives (au moins dix masses solaires) arrivent en fin de vie, la température dans leur coeur ne cesse de grimper, jusqu'à atteindre 3 à 4 milliards de kelvins. Les photons gammas sont alors tellement énergétiques qu'ils parviennent à briser des noyaux complexes. On parle de réactions de photodissociation. C'est ainsi que sous l'action de ces photons, certains noyaux de silicium 28 (formés lors de la fusion de l'oxygène), éjectent des particules alpha (noyau d'hélium 4) :

²⁸Si + rayons gamma --> ²⁴Mg + ⁴He

Ces dernières sont ensuite réabsorbées par d'autres noyaux de silicium 28, produisant ainsi du soufre 32, de l'argon 36, du calcium 40 (et d'autres éléments) selon le mécanisme suivant :

²⁸Si + ⁴He ---> ³²S + rayons gammas

³²S + ⁴He ---> ³⁶Ar + rayons gammas

³⁶Ar + ⁴He ---> ⁴⁰Ca + rayons gammas

Le même mécanisme va également donner naissance au titane 44 ainsi qu'à d'autres élémnets, mais nous y reviendrons en temps voulu.

Un peu d'histoire

Le calcium étant trop réactif pour exister à l'état natif (métallique) dans la nature, on le trouve combiné à d'autres éléments, notammment dans le calcaire, ou carbonate de calcium (CaCO₃). Lorsque l'on porte le calcaire à haute température (on dit qu'on le "calcine"), obtient de la chaux. Cette dernière a sans doute été découverte fortuitement, il y a bien longtemps, puisqu'on en trouve des traces dans des fondations âgées de près de 14 000 ans, en Turquie orientale. Aux alentours de 3000 av J.-C., les Egyptiens l'emploient pour tanner les peaux ou comme matériau de construction. L'Empire romain en fait grand usage dès le 1^er siècle de notre ère, ainsi que les Celtes qui l'utilisent pour fertiliser les sols. Il faut toutefois attendre 1808 pour que le savant britanique Humphry Davy (1778-1829) parvienne enfin à en extraire un nouvel élément.

Alors qu'il tentait en vain de décomposer la chaux par électrolyse, le chimiste suédois Berzelius le mit sur la bonne voie : il fallait employer des batteries contenant du mercure liquide, lequel formerait aussitôt un amalgame (un alliage) avec le métal provenant de la chaux. Il n'y aurait ensuite plus qu'à chauffer le tout afin de faire passer le mercure à l'état gazeux, et récupérer le métal convoité, que Davy baptisa calcium, à partir du latin "calcis" signifiant "chaux".

Propriétés du calcium

Le calcium est un métal assez dur, présentant un aspect brillant pouvant faire penser à l'aluminium.

Au contact de l'air, il réagit avec le dioxygène et avec le diazote, et se recouvre rapidement d'une pellicule blanche imperméable, composée d'un mélange d'oxyde et de nitrure. Il brûle avec une belle flamme jaune et rouge !, et réagit assez vigoureusement au contact de l'eau (mais moins touefois que les métaux alcalins), avec dégagement de dihydrogène. Très léger (1,54 g/cm³), il fond à 842°C.

Il est indispensable à notre organisme, et cela à plusieurs titres. Tout d'abord, si nos os et nos dents sont si solides, c'est parce qu'ils sont en grande partie constitués d'hydroxyapatite, autrement dit de phosphate de calcium. Et si près de 99% du calcium est stocké dans nos os, on en trouve également à l'intérieur de nos cellules, en particulier les cellules musculaires, où il joue un rôle essentiel. Il intervient en effet dans la contraction musculaire et la fonction cardiaque (le coeur est un muscle), ainsi que dans la transmission de l'influx nerveux. Le taux de calcium dans le sang, appelé calcémie, doit donc être surveillé régulièrement.

Production industrielle du calcium

Le calcium est généralement obtenu par réduction de la chaux vive (CaO) à l'aide de poudre d'aluminium, métal très réducteur (il cède facilement des électrons), selon le mécanisme suivant :

2 Al + 6 CaO ---> Ca₃Al₂O₆ + 3 Ca

Il est également produit, dans une moindre mesure, à partir du fluorure de calcium (CaF₂), composé ionique présent dans la fluorite, espèce minérale constituant la principale source de fluor.

Quelques exemples d'utilisation du calcium

- Le calcium métallique est parfois employé comme agent réducteur : il permet de "débarrasser" certains métaux (uranium, zirconium, thorium) de l'oxygène qui les encombre.

- Le ciment est obtenu à partir d'un mélange de calcaire (qui apporte du calcium) et d'argile, roche sédimentaire constituée d'aluminosilicates hydratés. Porté à très haute température (entre 1400 et 1500°C), ce mélange est progressivement transformé en clinker. Après cuisson, celui-ci est refroidi puis broyé jusqu'à obtention d'une poudre, principalement constituée de silicates de calcium et d’aluminates de calcium.

- Le gypse, minéral constitué de sulfate de calcium hydraté, est une roche sédimentaire résultant de l'évaporation de l'eau et de la précipitation des minéraux qu'elle contenait (on apelle cela une "évaporite"). Employé dans l'Antiquité comme substitut au verre pour fabriquer certaines vitres, on l'utilise aujourd'hui pour fabriquer le plâtre.

- Le chlorure de calcium (CaCl₂) est parfois utilisé comme sel de déneigement. Moins néfaste pour l'environnement que le chlorure de sodium, il présente en outre l'avantage sur ce dernier d'être efficace à des températures plus basses.

- Le nitrate de calcium (Ca(NO₃)₂), est utilisé comme fertilisant, sous le nom de nitrate de chaux. La Norvège en est le premier producteur mondial, sa principale unité de production étant située près de Porsgrunn, dans le comté de Telemark.

- Le carbure de calcium (CaC₂) ! est une "pierre" de synthèse qui, au contact de l'eau, libère de l'acétylène (C₂H₂), gaz combustible utilisé en spéléologie pour alimenter les lampes à acétylène.

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