Le calcium, qui n'en a pas entendu parler lorsqu'il était enfant ? Chacun sait que c'est un élément vital pour la croissance et qu'une carence en calcium a des effets néfastes pour la santé. Mais nous verrons que cet élément a aussi joué un rôle essentiel dans la constitution de notre atmosphère et qu'il modèle en partie le relief autour de nous.

En termes d'abondance dans la voie lactée, Le calcium se classe en 12ème position avec un très honorable 0,007 %. Il fait beaucoup mieux au niveau de la croûte terrestre : avec 5 % il arrive en 5ème position. Il représente 1,4 % de la masse d'un être humain, près d'un kg pour un individu qui pèse 70 kg.

Propriétés physicochimiques du calcium

Le calcium est un élément de la quatrième rangée du tableau périodique des éléments. Il possède 20 électrons. Il existe 4 isotopes stables du calcium, le ⁴⁰Ca, le ⁴²Ca, le ⁴³Ca et le ⁴⁶Ca, auxquels on peut ajouter le ⁴⁸Ca dont la durée de vie dépasse très largement l'âge de l'Univers. Le ⁴⁰Ca représente 97% du calcaire présent sur Terre.

Dans les conditions normales de température et de pression, le calcium existe sous forme cristalline (cubique à face centrée). Sa température de fusion est de 838,85° C et sa température de vaporisation 1483,85° C. Son potentiel d'ionisation vaut 6,09 eV et son électronégativité égale à 1 (inférieure à celle de l'hydrogène).

Le calcium est un métal alcalinoterreux. Comme tous les éléments de ce type, sa valence est de 2. Cela peut paraître surprenant du fait que seule la sous-couche 4s de sa bande de valence est occupée, mais le calcium (comme les autres alcalinoterreux) a une électronégativité très faible. Elle vaut 1 alors que celle de l'hydrogène est de 2,2 et celle de l'oxygène 3,44. Il a donc plutôt tendance à prêter ses électrons qu'à en accueillir d'autres sur ses orbitales disponibles. Le degré d'oxydation du calcium peut varier entre 0 et 2. Le potentiel standard d'oxydoréduction du couple Ca²⁺/Ca vaut -2,87 V.

Les dérivés du calcium

Le carbonate de calcium CaCO₃ est le dérivé le plus connu. C'est un sel composé d'ions Ca²⁺ et CO3^2-. C'est le composé principal du calcaire, des coquilles de fruits de mer et du marbre. Il existe principalement sous deux formes : l'aragonite (coquilles, squelette des coraux et marbre) et la calcite (calcaire et craie). La dolomite CaMg(CO₃)₂ est un carbonate de calcium et de magnésium. Le carbonate de calcium a joué un rôle essentiel dans l'histoire de notre planète. Il a en effet permis de piéger le CO₂ qui formait une part substantielle de l'atmosphère primitive de la Terre (voir le post sur le cycle carbone). Les traces de cette séquestration à l'échelle planétaire sont visibles partout autour de nous : ce sont les falaises de craies du Nord et de la Picardie et les reliefs calcaires du Minervois ou d'ailleurs. Le carbonate de calcium est soluble dans l'eau et les reliefs calcaires sont sculptés par l'érosion. Les géologues parlent de reliefs karstiques. Les reliefs karstiques sont caractérisés par de nombreuses grottes creusées par des rivières souterraines.

La calcination du carbonate de calcium donne de l'oxyde de calcium CaO autrement appelé chaux vive. La chaux éteinte est l'hydroxyde de calcium Ca(OH)₂. Ce sont les composants du mortier de chaux. Un autre composé joue un rôle important dans l'industrie, c'est l'aluminate de calcium (Al₂O₃.3CaO) qui est le composant principal du mortier réfractaire.

Le sulfate de calcium CaSO₄ est présent dans la croûte terrestre sous une forme hydratée connue sous le nom de gypse (voir plus bas). Ils existe plusieurs formes de phosphate de calcium dont la plus simple est le phosphate tricalcique Ca₃(PO₄)₂. Les apatites Ca₅(PO₄)₃(OH, Cl, F) sont également présentes sous forme minérale. Le nitrate de calcium Ca(NO₃)₂ est un sel présent le plus souvent sous la forme d'efflorescences. Il est utilisé comme engrais sous le nom de nitrate de chaux.

La pérovskite est le nom donné au titanate de calcium CaTiO₃. Dans la pérovskite, le titane est au centre d'un octaèdre qui partage ses sommets avec six autres octaèdres. Les atomes de calcium occupent les espaces intercalaires.

Le cation Ca⁺⁺ intervient aussi dans de nombreux composés binaires :

• Le carbure de calcium CaC₂,
• les halogénures de calcium comme le chlorure de calcium CaCl₂ ou le fluorure de calcium CaF₂. Le chlorure de calcium est utilisé comme durcissant dans le béton ou dans les revêtements routiers, mais aussi dans l'industrie agroalimentaire ou comme déshumidificateur. La fluorine CaF₂ intervient dans la fabrication de certains verres.
• Le nitrure de calcium Ca₃N₂,
• le sulfure de calcium CaS aux multiples usages,
• ou encore l'hydrure de calcium CaH₂, un dessiccant.

Le calcium intervient aussi dans la formulation de certains silicates. Les feldspaths plagioclases comme l'anorthite CaAl₂Si₂O₈ en contiennent. La hornblende est une sous-famille d'amphiboles dites calciques. Les marnes sont des argiles calcaires.

Plâtre, mortier et ciment

Le sulfate de calcium anhydre CaSO₄ (aussi appelé anhydrite) est un solide minéral de structure ionique composé d'anions sulfate SO₄^2- et de cations de calcium Ca²⁺. On le trouve le plus souvent sous sa forme hydratée CaSO₄.2H₂O appelée gypse. C'est un minéral solide et léger, également de structure cristalline. Le gypse est constitué de feuillets de CaSO₄ maintenus entre eux par des forces de Van der Waals véhiculées par les molécules H₂O.

La calcination du gypse conduit à sa déshydratation partielle. L'hémihydrate de sulfate de calcium CaSO₄.1/2H₂O est connu en minéralogie sous le nom de bassanite. La bassanite se présente sous la forme d'une poudre blanche composée de microcristaux. C'est tout simplement... du plâtre !

Mélangé à un volume convenable d'eau, le plâtre va former des cristaux de plus grande taille. Lorsque la solution est sursaturée, les ions et les molécules d'eau se rapprochent au gré de leurs affinités chimiques et électriques et s'associent pour former des grains insolubles dans l'eau. C'est la nucléation. Des cristaux de gypse en forme d'aiguilles fines et enchevêtrées vont constituer après un temps de séchage (évaporation des molécules d'eau en excès) un solide qui occupe tout le volume dans lequel on l'a moulé.

Le plâtre est connu depuis l'antiquité, les égyptiens l'utilisaient déjà dans l'ornementation de leurs temples et de leurs tombes.

Le plâtre n'est pas la seule application du calcium dans la construction. Les mortiers sont des mélanges constitués d'un liant et d'agrégats. Le mortier de chaux est obtenu à partir de chaux vive CaO hydratée que l'on appelle alors chaux éteinte. La chaux éteinte Ca(OH)₂ se présente sous la forme d'une pâte malléable qui, en présence du CO₂ présent dans l'atmosphère va cristalliser et redonner du calcaire :

Le ciment est un liant qui durcit sous l'action de l'eau. Il est composé de calcaire et d'argile. C'est la réaction entre le calcaire, l'argile et l'eau qui solidifie l'ensemble et permet d'emprisonner du sable ou des granulats. Le principal composant du ciment est le silicate tricalcique (CaO)₃.SiO₂ (formule condensée Ca₃SiO₅). Le silicate tricalcique Ca₃SiO₅ réagit avec l'eau pour donner du silicate de calcium hydraté (C-S-H : calcium silicate hydrate) en dégageant beaucoup de chaleur :

C'est le silicate de calcium hydraté qui est le principal responsable de la cohésion du ciment.

Pour plus d'informations, on se reportera au post sur le mortier et le ciment.

Le calcium dans la chimie du vivant

On a vu que l'aragonite était le composant principal des coquilles de fruit de mer ou du squelette des coraux. L'hydroxyapatite Ca₅(Po₄)₂(OH)est quant à elle un composant essentiel des dents et des os. Elle constitue avec le carbonate de calcium l'ossature minérale des os. Le déficit en calcium est responsable de l'ostéoporose. Le calcium intervient aussi dans les échanges entre cellules (contraction musculaire, transmission de l'influx nerveux par exemple). Le taux de calcémie est un indicateur mesuré lors des prises de sang.