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201.000
40.078(4) u+2
[Ar] 4s2CaCalcium

Calcium

Le calcium est un élément chimique avec le symbole Ca et le numéro atomique 20. Le calcium est un métal doux et gris, un métal de base alcalin, le cinquième élément le plus abondant en masse dans la croûte terrestre. L'ion Ca2+ est également le cinquième élément le plus abondant en solution dans la mer, à la fois en termes de molarité et de masse, après le sodium, le clair, le magnésium et le sulfate.

Identité

Masse atomique
40.078(4) u
Catégorie
Métaux alcalino-terreux
Groupe
2
Période
4
Bloc
s
États d'oxydation
+2
État physique (à 25 °C)
Solide

Structure électronique

Configuration électronique
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
Configuration abrégée
[Ar] 4s2
Électrons par couche
2, 8, 8, 2
Électronégativité (Pauling)
1
Affinité électronique
2.37 kJ/mol
1ʳᵉ énergie d'ionisation
590 kJ/mol
Énergies d'ionisation
590 · 1145 · 4912 · 6491 · 8153… kJ/mol

Propriétés physiques

Point de fusion
841.9 °C (1115 K)
Point d'ébullition
1483.8 °C (1757 K)
Densité
1.55 g/cm³
Capacité thermique molaire
25.9 J/(mol·K)

Comportement chimique de l'calcium

Le calcium possède deux électrons de valence sur l'orbitale 4s ([Ar] 4s²), qu'il cède facilement pour former le cation divalent Ca²⁺ avec la configuration électronique stable du gaz noble argon. Il forme des liaisons prédominamment ioniques avec les halogènes, l'oxygène et les autres non-métaux. En tant que métal alcalino-terreux de la période 4, il présente une réactivité intermédiaire : il est plus énergique et électropositif que le béryllium et le magnésium, mais moins réactif que le strontium et le baryum. En solution aqueuse, il précipite facilement en présence d'anions tels que le carbonate, le sulfate, le phosphate et l'oxalate.

Réactivité

  • Ca + 2 H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

    Il réagit en continu avec l'eau liquide à température ambiante, libérant des bulles d'hydrogène et troubleant la solution en raison de la faible solubilité de l'hydroxyde de calcium résultant.

  • 2 Ca + O₂ → 2 CaO

    Au contact de l'air ou lorsqu'il est doucement chauffé, il se combine à l'oxygène pour former de l'oxyde de calcium (vive), brûlant avec une flamme rouge-orange caractéristique.

  • Ca + Cl₂ → CaCl₂

    Il réagit vigoureusement avec le gaz chlorure pour former du chlorure de calcium anhydre, un sel très stable et hautement hygroscopique.

  • Ca + 2 HCl → CaCl₂ + H₂

    Il se dissout rapidement et avec effervescence dans les acides minéraux dilués, libérant du gaz hydrogène avec une libération notable de chaleur.

Composés notables

ComposéFormuleUtilisation ou importance
Carbonate de calciumCaCO₃Constituant des calcaires et des marbres ; matière première pour le ciment, antiacide médical et charge minérale
Oxyde de calciumCaOVive ; fabrication de mortiers et de ciment, neutralisation des minerais de fer et traitement de l'eau
Hydroxyde de calciumCa(OH)₂Vive éteinte ; chaux en construction, correction de l'acidité des sols et industrie sucrière
Sulfate de calcium dihydratéCaSO₄·2H₂OGypse naturel ; panneaux de plâtre pour la maçonnerie, balances et moules d'immobilisation orthopédique
Chlorure de calciumCaCl₂Dégivrant routier haute performance par dissolution exothermique et déshydratant industriel

Distribution de la couche électronique

Diagramme de distribution de la couche électronique de Calcium.Diagramme de style Bohr : le noyau se trouve au centre et les électrons sont disposés sur des orbites circulaires concentriques, une par niveau d'énergie.CaAfficher dans le générateur d'atomes

Isotopes

Le calcium naturel présente six isotopes stables, une diversité nucléaire extraordinaire : calcium-40 (⁴⁰Ca, 96,94 % avec 20 neutrons), calcium-44 (⁴⁴Ca, 2,09 %), calcium-42 (⁴²Ca, 0,65 %), calcium-48 (⁴⁸Ca, 0,19 %), calcium-43 (⁴³Ca, 0,14 %) et calcium-46 (⁴⁶Ca, 0,004 %). Les noyaux de ⁴⁰Ca et ⁴⁸Ca sont considérés comme 'doublement magiques' car ils possèdent des couches fermées complètes de protons et de neutrons, leur conférant une résistance nucléaire inhabituelle. Le calcium-48, avec une demi-vie de millions de fois l'âge de l'univers, est utilisé dans les accélérateurs de particules pour synthétiser des éléments superlourds.

Occurrence et production

C'est le cinquième élément le plus abondant de la croûte terrestre (environ 4,1 % en masse) et le cation métallique le plus abondant du corps humain. Il ne se trouve jamais libre dans la nature en raison de son affinité pour l'oxygène, le carbone et le soufre. Il constitue de vastes formations rocheuses sédimentaires de calcaire, de marbre et de dolomite, ainsi que des minéraux tels que le gypse, l'anhydrite, la fluorine et les apatites. Le métal élémentaire est obtenu commercialement par réduction thermique de l'oxyde de calcium avec de l'aluminium à haute température et sous vide.

Histoire et origine du nom

Le calcium a été isolé en 1808 par Humphry Davy par électrolyse d'un mélange de chaux et d'oxyde de mercure. Son nom vient du latin calx (chaux). Il a été reconnu comme élément distinct au début du XIXe siècle, bien que ses composés (chaux, plâtre) soient connus depuis l'Antiquité.

Applications et importance de l'calcium

Utilisations de l'élément

Le calcium métallique est utilisé comme désoxydant et désulfurant en métallurgie, et comme agent réducteur pour la production d'autres métaux. Il entre dans certains alliages pour améliorer leurs propriétés.

Utilisations de ses composés

Le carbonate de calcium entre dans la fabrication du ciment, du verre et comme charge minérale ; l'oxyde de calcium (vive) sert aux mortiers et au traitement de l'eau ; l'hydroxyde de calcium est utilisé en construction et en agriculture ; le sulfate de calcium (gypse) pour les plaques de plâtre ; le chlorure de calcium comme dégivrant et déshydratant.

Santé, sécurité et environnement

Rôle biologique

Le calcium est essentiel à la vie : il forme les os et les dents, intervient dans la coagulation sanguine, la contraction musculaire et la transmission nerveuse. Une carence peut entraîner de l'ostéoporose et des crampes, tandis qu'un excès peut provoquer des calculs rénaux.

Sécurité

Le métal calcium est réactif et peut s'enflammer ; il se conserve sous huile ou sous atmosphère inerte. Les poussières et les vapeurs nécessitent une ventilation et des équipements de protection. Les composés solubles sont généralement peu toxiques à faibles doses.

Environnement

Le calcium est abondant et naturellement présent dans les sols et les eaux. Il joue un rôle clé dans le cycle du carbone via l'équilibre carbonate-bicarbonate. La précipitation du carbonate de calcium sur les fonds océaniques agit comme le plus grand puits de carbone à l'échelle géologique sur Terre.

Questions fréquentes sur l' Calcium

Qu'est-ce que la dureté de l'eau et pourquoi est-elle liée au calcium ?

La dureté de l'eau mesure la concentration de cations polyvalents dissous, fondamentalement les ions calcium et magnesium provenant des nappes calcaires. L'eau dure rend difficile la mousse du savon en formant des précipités insolubles de stéarate de calcium et provoque l'entartrage des canalisations, thermos et machines à laver. Bien qu'ennuyeuse pour les installations domestiques et industrielles, l'eau dure ne présente aucun risque sanitaire et constitue une source minérale complémentaire dans l'alimentation humaine.

Pourquoi le calcium se forme-t-il dans les étoiles et pourquoi ses atomes sont-ils stables ?

Le calcium est formé par des réactions nucléaires qui ont lieu dans les étoiles et les explosions stellaires. L'un de ses isotopes, le calcium-40, est particulièrement stable car son noyau contient vingt protons et vingt neutrons, une combinaison qui favorise une structure nucléaire résistante. Le calcium produit par ces processus est dispersé dans l'espace et peut être incorporé dans de nouvelles étoiles, planètes et autres corps célestes.

Pourquoi la vitamine D est-elle importante pour utiliser le calcium des aliments ?

La vitamine D aide l'intestin à absorber le calcium que nous obtenons d'aliments tels que les produits laitiers, certains légumes et certains poissons. Si la vitamine D fait défaut, le corps absorbe moins de calcium et peut avoir du mal à maintenir des os solides. C'est pourquoi ces deux nutriments sont importants pendant la croissance et tout au long de la vie. La quantité nécessaire dépend de facteurs tels que l'âge, l'alimentation et l'exposition au soleil.

Comment l'acidification des océans affecte-t-elle les coquilles des animaux marins ?

De nombreux mollusques et autres organismes marins construisent leurs coquilles avec du carbonate de calcium. Lorsque l'océan absorbe plus de dioxyde de carbone de l'atmosphère, la chimie de l'eau change et la disponibilité de certaines formes de carbonate dont ces animaux ont besoin diminue. Cela peut rendre difficile la formation de coquilles et de squelettes, surtout aux premiers stades de la vie. L'effet varie selon les espèces et les conditions de l'eau.

Comment se forment les stalagmites et stalactites dans les grottes karstiques ?

L'eau de pluie absorbe le dioxyde de carbone de l'air et du sol, devenant une solution légèrement acide d'acide carbonique qui dissout le calcaire souterrain sous forme de bicarbonate de calcium soluble. Lorsqu'elle goutte lentement du plafond d'une grotte avec une pression de CO₂ plus faible, le gaz s'échappe et le bicarbonate redevient du carbonate de calcium insoluble. Ce minéral précipite goutte après goutte pendant des milliers d'années, élevant les stalagmites au sol et formant les stalactites depuis le plafond.

Comment le calcium aide-t-il les muscles à bouger ?

Chaque fois que le cerveau envoie un signal pour bouger un muscle, les cellules musculaires libèrent une vague d'ions de calcium stockés. Ce calcium agit comme une clé qui active les protéines contractiles (actine et myosine), leur permettant de glisser les unes contre les autres et de raccourcir le muscle. En pompant le calcium en retour, le muscle se détend.

Pourquoi le chlorure de calcium est-il utilisé pour faire fondre la neige sur les routes ?

Contrairement au sel de table traditionnel, le chlorure de calcium libère de la chaleur lorsqu'il entre en contact avec l'eau et l'humidité ambiante. En plus d'abaisser le point de congélation à des températures extrêmes de près de trente degrés au-dessous de zéro, il génère sa propre chaleur pour faire fondre la glace beaucoup plus rapidement sur les autoroutes lors de fortes chutes de neige.

Principales sources consultées : PubChem, Royal Society of Chemistry, NIST, IUPAC. Dernière révision : novembre 2026.