دورة الكالسيوم: الخصائص والمراحل والأهمية - كيمياء - 2025

في دورة الكالسيوم هي تداول وتخزين على الأرض لهذا العنصر، وتشمل الكائنات الحية، واليابسة والغلاف المائي. إنها دورة كيميائية حيوية رسوبية يدور فيها الكالسيوم كمعدن قلوي ناعم على الأرض ، يفتقر إلى المرحلة الغازية.

مرحلة زيادة دوران الكالسيوم هي المرحلة البيولوجية ، حيث يتم استهلاكها من قبل الكائنات الحية واستخدامها في هياكلها والتمثيل الغذائي. بمجرد موت الكائنات الحية ، يتم إعادة دمج الكالسيوم في البيئة المادية كجزء من التربة وقاع البحر.

الكالسيوم. المصدر: Pumbaa (عمل أصلي لـ Greg Robson) / CC BY-SA 2.0 UK (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/uk/deed.en)

توجد رواسب كبيرة من الأصداف والعظام خاصة في قاع البحر وفي البحيرات الكبرى. تختلط هذه الهياكل مع الرواسب ويتم تغطيتها بطبقات متتالية على مدى ملايين السنين.

تتعرض الطبقات السفلية من الرواسب لضغوط عالية مكونة صخور رسوبية تتعرض بعد ذلك للسطح بسبب العمليات الجيولوجية الأرضية. تتعرض الصخور المكشوفة للعوامل الجوية والتآكل ، مما يؤدي إلى إطلاق الكالسيوم المدمج في التربة أو الذي يتم جرفه بعيدًا.

في التربة يتم امتصاصه بشكل رئيسي عن طريق جذور النباتات وفي البحر عن طريق العوالق النباتية والكائنات الحية الأخرى. يستخدم الكالسيوم لأغراض هيكلية واستقلابية مختلفة ، على سبيل المثال تصنيع القذائف.

تعتبر دورة الكالسيوم مهمة لأنها تتيح لهذا العنصر أن يكون متاحًا في مراحله المختلفة ، ويقوم بوظائف مختلفة. وهكذا ، كونه جزءًا من بنية الكائنات الحية ، يشارك في تكوين الإغاثة الأرضية ، وينظم درجة الحموضة في التربة والمياه ويعمل كمواد خام للصناعة البشرية.

الخصائص العامة

- الكالسيوم

الكالسيوم (Ca) هو فلز قلوي ناعم على الأرض برقم ذري 20 وكتلة ذرية 40.078 ، حالته العادية صلبة. تشكل أكاسيد تعمل كقواعد قوية وتتفاعل بعنف عند ملامستها للأحماض.

- دورتك

يفي الكالسيوم بدورة بيوجيوكيميائية من النوع الرسوبي ، لأنه يفتقر إلى الطور الغازي وأكبر الاحتياطيات في الغلاف الصخري. يرتبط ارتباطًا وثيقًا بدورات الكربون والماء والفوسفور.

تآكل الصخور

تتطور الدورة من التجوية وتآكل الصخور الجيرية التي تطلق الكالسيوم المترسب في التربة. وبالمثل ، يمكن غسلها مذابة في مياه الجريان السطحي في الأنهار والبحيرات والمحيطات.

عندما تتلامس مياه الأمطار مع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، فإنها تشكل H2CO3 الذي يذيب الصخور الجيرية ، ويطلق Ca2 + و HCO3-. من ناحية أخرى ، يحول ثاني أكسيد الكربون الذي تحمله مياه الأمطار الكربونات غير القابلة للذوبان إلى بيكربونات قابلة للذوبان.

الامتصاص والاستخدام من قبل الكائنات الحية

يتم امتصاص الكالسيوم (Ca2 +) الموجود في التربة بواسطة النباتات وفي المسطحات المائية بواسطة الكائنات المائية. يؤدي الكالسيوم في الجسم وظائف التمثيل الغذائي المختلفة وعندما تموت الكائنات الحية ، فإنها تعود إلى البيئة المادية ، تحملها المياه الجارية في الأنهار والبحيرات والمحيطات.

تشكيل الصخور

تترسب الهياكل العظمية الحيوانية (الداخلية والخارجية أو الأصداف) في قاع البحر كجزء من الرواسب. يتم تغطية طبقات الرواسب وضغطها على مدى ملايين السنين لتشكيل الصخور الجيرية.

الصخور الجيرية. المصدر: Ferdous / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

تعرض العمليات المتأثرة اللاحقة (الشقوق والحركات الصاعدة لقشرة الأرض) الصخور إلى السطح. وبهذه الطريقة يتم إغلاق الدورة ، لأن الصخور تتجدد مرة أخرى (عمل العناصر المناخية) وتتعرض للعوامل الجوية وتتآكل.

مراحل دورة الكالسيوم

يتم تحديد المراحل التي يمر بها الكالسيوم في دورة التخزين والدورة من خلال الأجزاء التي تحدث فيها هذه العمليات. هذه هي القشرة وجزء من عباءة الأرض (الغلاف الصخري) ، والمسطحات المائية (الغلاف المائي) والكائنات الحية.

- المرحلة الجيولوجية

في المرحلة الجيولوجية ، مجزأة في القشرة والعباءة ، حيث يوجد أكبر قدر من تخزين الكالسيوم. الكالسيوم هو خامس أكثر العناصر وفرة في الغلاف الصخري ، ويشكل 3.5٪ من قشرة الأرض.

تم العثور عليه مكونًا جزءًا من الصخور مثل الحجر الجيري والدولوميت والمارل والرخام ، بينما يشكل الحجر الجيري والدولوميت سلاسل جبلية ضخمة في جميع أنحاء الكوكب. بالطريقة نفسها ، فهو جزء من مركبات طبيعية أخرى مثل الجبس والمرمر (كبريتات الكالسيوم).

في شكل معدني ، يتم الحصول عليها في صورة كربونات الكالسيوم (CaCO3) من الكالسيت والدولوميت والأشكال البلورية الأخرى مثل الأراجونيت.

حجر الكلس

إنه نوع وفير جدًا من الصخور الرسوبية التي تنشأ من رواسب بحرية قديمة أو بحيرات (بحيرات) ، وتتكون من كربونات الكالسيوم بنسبة 99٪. تشكل هذه الصخور طبقات أفقية أو مشوهة بحركات دياستروفيك ، ويؤدي تجويتها إلى تربة محايدة إلى تربة أساسية (درجة الحموضة 7 أو أعلى) غنية بالكالسيوم.

الدولوميت

يتكون من صخر رسوبي يتكون في رواسب بحرية ضحلة عن طريق تفاعل إحلال كيميائي. في هذه الحالة ، يشارك المغنيسيوم في تكوين المعادن ، مكونًا الدولوميت أو كربونات المغنيسيوم الكالسيوم (CaMg (CO3) 2).

مارجاس

هي صخور رسوبية تتكون من ثلث إلى ثلثي كربونات الكالسيوم وبقية الطين. تعيش هذه الصخور في المناطق الجافة ، لأنها شديدة التأثر بالتعرية المائية.

رخام

إذا تعرضت صخور الحجر الجيري لدرجات حرارة عالية وضغوط في الطبقات العميقة من قشرة الأرض ، يتشكل الرخام. هذه صخرة متحولة مضغوطة للغاية مع درجة عالية من التبلور.

- المرحلة الهيدرولوجية

يذوب الكالسيوم في الأنهار والبحيرات والمحيطات على شكل كلوريد الكالسيوم (وهو الأيونات الأكثر وفرة في هذا الوسط) وكربونات الكالسيوم. في المحيطات ، تكون كربونات الكالسيوم (CaCO3) مستقرة على أعماق أقل من 4500 م.

يوجد الكالسيوم في هذا الوسط في الكائنات الحية وفي رواسب الحجر الجيري في قاع البحر. هذا هو الحد الأقصى لعمق تعويض الكربونات ، وبعد ذلك يذوب كربونات الكالسيوم CaCO3 ولا يشكل رواسب من الحجر الجيري.

- المرحلة البيولوجية

حركة الكالسيوم من التربة إلى الجذور. من نسيج الخشب إلى أوراق النبات. Dhagerty / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

في هذه المرحلة ، تصل دورة الكالسيوم إلى أعظم دورة لها ، كونها حيوية للكائنات الحية لأنها باعتبارها أيون Ca2 + جزء من آليات التبادل لأغشية الخلايا. من ناحية أخرى ، فهو مكون أساسي للعظام والأسنان وقشر البيض والقشور.

قذائف الكالسيوم في ذوات الصدفتين. المصدر:

بهذه الطريقة ، يدور الكالسيوم في المحيط الحيوي وعندما تموت الكائنات الحية ، فإنها تعود إلى الرواسب لتشكيل صخور جديدة بمرور الوقت.

الانسان

أحد العناصر البارزة في المرحلة البيولوجية لدورة الكالسيوم هو دور البشر في استخدام هذا العنصر كمادة خام. يتم استخراج هذا العنصر ونقله واستخدامه بكميات كبيرة وبطرق مختلفة.

في المناجم المفتوحة ، يتم استخراج الحجر الجيري لاستخدامه كعنصر بناء أو لطحنه واستخدامه كمادة خام صناعية. يتم طحن الأصداف أيضًا لإعداد الأسمدة والمنتجات الأخرى.

قذائف المنخربات والرخويات

تتكون أصداف هذه الحيوانات من كربونات الكالسيوم ، والتي تتبلور على شكل كالسيت أو أراجونيت. هذان شكلان معدنيان لهما نفس التركيب (CaCO3) لكنهما يتبلوران بشكل مختلف.

تشكل الرخويات أصدافها من شكل سائل من الكالسيوم تفرزه خلايا متخصصة. الطبقة الأعمق من القشرة هي الصدف المكون من بلورات الأراجونيت الممزوجة ببروتين الكونكيولين.

أهمية

يعد دوران الكالسيوم ، الذي يشكل دورته المميزة ، ضروريًا لجعل هذا العنصر متاحًا للكائنات الحية. بفضل العمليات التي تطلق الكالسيوم من الصخور وتجعله يدور ، توجد الحياة كما نعرفها.

- عنصر أساسي للحياة

الكالسيوم ضروري للحياة ، لأنه عنصر هيكلي وأيضًا. من الناحية الهيكلية ، يعد جزءًا أساسيًا في تكوين الهياكل العظمية الداخلية والخارجية.

في الحيوانات العظمية ، الكالسيوم هو المكون الرئيسي للعظام (الهيكل العظمي الداخلي) ، وكذلك للأسنان. في المنخربات (الطلائعيات) والرخويات (القواقع وذوات الصدفتين) هو المكون الرئيسي لتكوين الهيكل العظمي الخارجي ، أي الأصداف.

التمثيل الغذائي

الكالسيوم عامل نقل في أغشية الخلايا ، لذلك فهو يلعب دورًا مهمًا في عملية التمثيل الغذائي. توجد في أغشية الخلايا قنوات كالسيوم تسمح بالدخول السلبي لهذا العنصر إلى الخلايا.

قنوات الكالسيوم. المصدر: Ulrich Förstermann - Elsevier GmbH / Public domain

ينظم هذا علاقة تراكيز الكالسيوم بين داخل الخلية وخارجها ، وينشط عمليات التمثيل الغذائي المختلفة. على سبيل المثال ، هذه الآليات ضرورية لعمل الجهاز العصبي والعضلي ، وبالتالي تلعب دورًا مهمًا في وظيفة القلب.

- الغذاء والصحة

من وجهة نظر الإنسان ، فإن دورة الكالسيوم تجعل من الممكن جعل هذا العنصر متاحًا للغذاء وصحة الإنسان. قبل كل شيء هو ضروري في إنتاج وتحضير منتجات الألبان للأطفال.

وبالمثل ، فإن تناوله للأغراض الطبية يستخدم في علاج أمراض نقص الكالسيوم مثل هشاشة العظام. يعد مرض ضعف العظام خطيرًا بشكل خاص عند كبار السن ، خاصة عند النساء.

- اللآلئ

عندما يغزو جسم غريب المحار ، فإنه يغطيه بصدف اللؤلؤ وبالتالي تتكون لؤلؤة. يصل اللؤلؤ إلى قيم عالية في سوق المجوهرات في جميع أنحاء العالم.

- خامات صناعية

يستخدم الحجر الجيري صناعيًا لأغراض مختلفة ، مثل صناعة الأسمنت. كما يتم استخدام هذه الأحجار مباشرة كمواد بناء ، وذلك لسهولة نحتها.

علاوة على ذلك ، يستخدم الكالسيوم كعامل مزيل للأكسدة وعامل اختزال في عمليات مختلفة ، خاصة في صناعة المعادن.

جير

كجير حي ، يُطلق عليه أيضًا اسم جير البناء ، فهو عبارة عن أكاسيد الكالسيوم التي تستخدم كمواد رابطة وطلاء في البناء. وبنفس الطريقة يتم استخدامه في صناعة الصابون والورق والزجاج والمطاط ودباغة الجلود.

وبالمثل ، فإن لها استخدامات مختلفة في صناعة الأغذية ومعالجة المياه. بينما يستخدم في صورة الجير المطفأ أو هيدروكسيد الكالسيوم ، فإنه يستخدم أيضًا في الصناعة والزراعة.

- تنظيم درجة حموضة التربة

يؤثر محتوى أكاسيد الكالسيوم في التربة على تنظيم درجة الحموضة. يستخدم الجير الحي في الزراعة كتعديل زراعي لتقليل حموضة التربة وأيضًا كسماد.

- المياه الجيرية أو الماء العسر

عندما يدور الماء في بيئات غنية بالكالسيوم والمغنيسيوم فإنه يذيب أملاح هذه العناصر ويعرف بالماء الجيري أو الماء العسر. حد جودة المياه هو 120 مجم CaCO3 / لتر ، وفوقها تعتبر المياه عسرة.

يمكن أن يسبب الماء الذي يحتوي على نسبة عالية من الكالسيوم مشاكل صحية ، خاصة فيما يتعلق بجهاز القلب والأوعية الدموية. بالإضافة إلى ذلك ، ينتج الماء العسر رواسب كلسية في الأنابيب تعيق الدورة الدموية.

- الكهوف الجيرية وخزانات المياه الجوفية

في الصخور الجيرية ، غالبًا ما يشكل التآكل المائي أنظمة كهوف تحت الأرض ذات تكوينات داخلية مثيرة للاهتمام. من بينها ، تبرز تشكيل الهوابط والصواعد ، بسبب رواسب كربونات الكالسيوم من التسربات على أسطح هذه الكهوف.

تؤدي هذه الأنظمة الجيرية أيضًا وظيفة ترشيح المياه الجوفية بسبب مساميتها ، وتشكيل طبقات المياه الجوفية.

المراجع

1. كالو ، ب. (محرر) (1998). موسوعة علم البيئة والإدارة البيئية.
2. كريستوفر آر وفيلدينغ ، سي آر (1993). مراجعة للأبحاث الحديثة في علم الترسبات النهرية. الجيولوجيا الرسوبية.
3. مارغاليف ، ر. (1974). علم البيئة. إصدارات أوميغا.
4. ميلر ، جي وتايلر ، جي آر (1992). البيئة والبيئة. Grupo الافتتاحية Iberoamérica SA de CV
5. Odum ، EP and Warrett ، GW (2006). أساسيات علم البيئة. الطبعه الخامسة. طومسون.