КАЛЬЦІЄВИЙ ЦИКЛ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТАДІЇ ТА ЗНАЧЕННЯ - ХІМІЯ - 2025

Цикл кальцію - це циркуляція та зберігання на Землі цього елемента, що охоплює живі істоти, літосферу та гідросферу. Це осадовий біогеохімічний цикл, в якому кальцій циркулює як лужноземельний м'який метал, не маючи газоподібної стадії.

Стадія більшої циркуляції кальцію є біологічною, оскільки вона споживається живими істотами і використовується в їх структурах та обміні речовин. Після того як живі істоти мертві, кальцій реінтегрується у фізичне середовище як частина ґрунту та морського дна.

Кальцій. Джерело: Pumbaa (оригінальна робота Грега Робсона) / CC BY-SA 2.0 Великобританія (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/uk/deed.en)

Є великі поклади раковин і кісток, особливо на морському дні та у великих озерах. Ці структури змішуються з опадами і покриваються послідовними шарами протягом мільйонів років.

Нижні шари опадів піддаються підвищеному тиску, утворюючи осадові породи, які потім піддаються впливу поверхні наземних геологічних процесів. Викриті гірські породи піддаються вивітрюванню та ерозії, виділяючи кальцій, який інтегрується в грунт або змивається.

У ґрунті він поглинається головним чином корінням рослин, а в морі фітопланктоном та іншими організмами. Кальцій використовується для різних структурних і метаболічних цілей, наприклад для виготовлення оболонок.

Кальцієвий цикл важливий, оскільки дозволяє цьому елементу бути доступним на різних його стадіях, виконуючи різні функції. Таким чином, будучи частиною структури живих організмів, бере участь у формуванні рельєфу земель, регулює рН ґрунтів та вод і служить сировиною для людської промисловості.

Загальна характеристика

- Кальцій

Кальцій (Са) - лужноземельний м'який метал з атомним номером 20 та атомною масою 40.078, звичайний стан якого є твердим. Утворює оксиди, які діють як сильні основи, бурхливо реагуючи при контакті з кислотами.

- Ваш цикл

Кальцій виконує біогеохімічний цикл осадового типу, оскільки йому не вистачає газової фази і найбільші запаси знаходяться в літосфері. Вона тісно пов'язана з циклами вуглецю, води та фосфору.

Ерозія скелі

Цикл розвивається внаслідок вивітрювання та ерозії вапняних порід, які виділяють кальцій, який осідає в ґрунті. Так само він може змиватися, розчиняючись у стічній воді в річки, озера та океани.

Коли дощова вода контактує з атмосферним СО2, вона утворює H2CO3, який розчиняє вапнякові породи, вивільняючи Са2 + та HCO3-. З іншого боку, СО2, що переноситься дощовою водою, перетворює нерозчинний карбонат у розчинний бікарбонат.

Поглинання та використання живими істотами

Кальцій (Са2 +) у ґрунті засвоюється рослинами та у водних об'єктах водними організмами. В організмі кальцій виконує різні метаболічні функції, і коли організми гинуть, він повертається у фізичне середовище, захоплюючись стічними водами в річки, озера та океани.

Скельне утворення

Скелети тварин (внутрішні та зовнішні або раковини) осідають на морському дні у складі опадів. Шари осаду покриваються і ущільнюються протягом мільйонів років, утворюючи вапняні породи.

Вапняні породи. Джерело: Ferdous / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Пізніші діастрофічні процеси (тріщини та рухи земної кори вгору) піддають гірські породи на поверхню. Таким чином цикл закривається, оскільки гірські породи знову вивітрюються (дія кліматичних елементів) і вивітрюються та розмиваються.

Стадії циклу кальцію

Стадії, через які кальцій проходить у циклі його зберігання та циркуляції, визначаються відділеннями, в яких ці процеси відбуваються. Це кора і частина земної мантії (літосфера), водні тіла (гідросфера) і живі організми.

- Геологічний етап

На геологічній стадії, розділеної на земній корі та мантії, саме там знаходиться найбільша кількість сховища кальцію. Кальцій - п’ятий найпоширеніший елемент літосфери, що становить 3,5% земної кори.

Він виявляється частиною гірських порід, таких як вапняк, доломіт, мергель і мармур, тоді як вапняк і доломіт утворюють величезні гірські масиви по всій планеті. Таким же чином він входить до складу інших природних сполук, таких як гіпс та алебастр (сульфат кальцію).

У мінеральній формі його отримують у вигляді карбонату кальцію (CaCO3) з кальциту, доломіту та інших кристалічних форм, таких як арагоніт.

Вапняк

Це дуже рясний тип осадової гірської породи, що походить з давніх морських або лазерних відкладів (озер), що складається з 99% карбонату кальцію. Ці породи утворюють горизонтальні шари або деформуються діастрофічними рухами, а їх вивітрювання спричиняє нейтральні основні ґрунти (pH 7 або вище), багаті кальцієм.

Доломіт

Він складається з осадової породи, утвореної в мілководних морських покладах в результаті реакції хімічного заміщення. При цьому магній бере участь у мінеральній конформації, утворюючи доломіт або карбонат магнію кальцію (CaMg (CO3) 2).

Маргас

Вони являють собою осадові породи, утворені 1/3 до 2/3 карбонату кальцію та решти глини. Ці породи виживають у сухих районах, оскільки вони дуже сприйнятливі до водної ерозії.

Мармур

Якщо вапнякові породи зазнають високих температур і тиску в глибоких шарах земної кори, утворюється мармур. Це дуже компактна метаморфічна порода з високим ступенем кристалізації.

- гідрологічна стадія

Кальцій розчиняється в річках, озерах та океанах у вигляді хлориду кальцію (є найпоширенішим іоном у цьому середовищі) та карбонатом кальцію. У Світовому океані карбонат кальцію (CaCO3) стійкий на глибинах менше 4500 м.

Кальцій у цьому середовищі міститься у живих організмах та у вапнякових відкладах на морському дні. Це межа глибини компенсації карбонату, після якої СаСО3 розчиняється і не утворює вапнякових відкладень.

- Біологічний етап

Рух кальцію з ґрунту до коріння. Від ксилеми до листя рослини. Dhagerty / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

На цьому етапі цикл кальцію досягає найбільшої циркуляції, життєво важливий для живих істот, оскільки як іон Са2 + він є частиною обмінних механізмів клітинних мембран. З іншого боку, він є важливою складовою кісток, зубів, яєчних шкаралуп і шкаралуп.

Кальцієві оболонки у двостулкових. Джерело: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bivalvia.jpg

Таким чином кальцій циркулює в біосфері, і коли організми гинуть, він повертається до опадів, утворюючи з часом нові породи.

Людина

Видатним елементом біологічної стадії циклу кальцію є роль людини у використанні цього елемента як сировини. Цей елемент видобувається, транспортується та використовується у великих кількостях різними способами.

На шахтах з відкритими копальнями вапняк видобувають для використання його як будівельного елемента або для подрібнення та використання його як промислової сировини. Раковини також подрібнюють для приготування добрив та інших продуктів.

Раковини форамініфери та молюсків

Раковини цих тварин утворюються з карбонату кальцію, кристалізованого у вигляді кальциту або арагоніту. Це дві мінеральні форми одного складу (CaCO3), але кристалізуються по-різному.

Молюски формують свої оболонки з рідкої форми кальцію, що виділяється спеціалізованими клітинами. Найбільш внутрішній шар оболонки - перламутр, утворений з кристалів арагоніту, змішаних з білком конхіоліну.

Важливість

Циркуляція кальцію, формуючи його характерний цикл, має важливе значення, щоб зробити цей елемент доступним для живих істот. Завдяки процесам, які виділяють кальцій із гірських порід і змушують його циркулювати, життя існує таким, яким ми його знаємо.

- Найважливіший елемент для життя

Кальцій необхідний для життя, оскільки він є як структурним, так і метаболічним елементом. Конструктивно він є фундаментальною частиною у конформації як внутрішніх, так і зовнішніх скелетів.

У кісткових тварин кальцій - головний компонент кісток (внутрішній скелет), також зубів. У форамініфери (протести) та молюсків (равлики та двостулкові тварини) він є основним інгредієнтом для формування зовнішнього скелета, тобто раковин.

Метаболізм

Кальцій є транспортним агентом у клітинних мембранах, тому він відіграє важливу роль у метаболізмі. У клітинних мембранах є кальцієві канали, які дозволяють пасивно потрапляти цей елемент у клітини.

Кальцієві канали. Джерело: Ulrich Förstermann - Elsevier GmbH / Громадське надбання

Це регулює взаємозв'язок концентрації кальцію між внутрішньою і зовнішньою клітиною, активізуючи різні обмінні процеси. Наприклад, ці механізми мають важливе значення для функціонування нервової та м’язової системи і тому відіграють відповідну роль у роботі серця.

- Їжа та здоров'я

З людської точки зору, цикл кальцію дозволяє зробити цей елемент доступним для їжі та здоров'я людини. Перш за все це важливо у виробництві та приготуванні молочної їжі для дітей.

Аналогічно його прийом у лікарські цілі застосовується при лікуванні захворювань з дефіцитом кальцію, таких як остеопороз. Ця хвороба, що ослаблює кістки, особливо серйозна у людей старшого віку, особливо у жінок.

- Перлини

Коли чужорідне тіло нападає на устрицю, воно покриває її перламутром і таким чином утворюється перлина. Перлини досягають високих цінностей на ринку ювелірних виробів у всьому світі.

- Промислова сировина

Вапняк використовується промислово для різних цілей, наприклад, для виготовлення цементу. Також ці камені використовуються безпосередньо як будівельний матеріал, завдяки їх легкій різьбі.

Крім того, кальцій використовується як розкислювач та відновлювач у різних процесах, особливо в металургійній промисловості.

Вапно

Як негашене вапно, яке ще називають будівельним вапном, вони є оксидами кальцію, які використовуються в якості сполучного та покриття в будівництві. Таким же чином його використовують у виробництві мила, паперу, скла, гуми та при шкіряній шкірі.

Так само він має різні напрямки в харчовій промисловості та в очищенні води. Хоча як гашене вапно або гідроксид кальцію, він також використовується в промисловості та сільському господарстві.

- регулювання рН ґрунту

Вміст оксидів кальцію в ґрунті впливає на регуляцію рН. У сільському господарстві негашений вапно використовується як поправка сільського господарства для зниження кислотності ґрунтів, а також як добриво.

- Вапняна або жорстка вода

Коли вода циркулює в середовищі, багатому кальцієм і магнієм, вона розчиняє солі цих елементів і називається вапняною або твердою водою. Межа якості води - 120 мг CaCO3 / літр, вище якої вода вважається твердою.

Вода з високим вмістом кальцію може спричинити проблеми зі здоров’ям, особливо це стосується серцево-судинної системи. Крім того, жорстка вода утворює вапняні відкладення в трубах, що перешкоджають циркуляції.

- Вапняні печери та водоносні горизонти

У вапняних породах гідрагічна ерозія часто утворює підземні печерні системи з цікавою внутрішньою конфігурацією. Серед них виділяється утворення сталактитів та сталагмітів за рахунок відкладень карбонату кальцію від протікань на дахах цих печер.

Ці вапняні системи виконують також функцію фільтрації ґрунтових вод за рахунок її пористості, утворюючи водоносні горизонти.

Список літератури

1. Calow, P. (Ed.) (1998). Енциклопедія екології та екологічного менеджменту.
2. Крістофер Р. та Філдінг, КР (1993). Огляд останніх досліджень флювіальної седиментології. Осадова геологія.
3. Маргалеф, Р. (1974). Екологія. Видання «Омега».
4. Міллер, Г. та ТІЛЕР, JR (1992). Екологія та довкілля. Grupo Редакція Iberoamérica SA de CV
5. Odum, EP та Warrett, GW (2006). Основи екології. П’яте видання. Томсон.