Wapń

WAPŃ(calcium)


Podstawowe wiadomości o wapniu


Ca, calcium jest to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 20, masie atomowej 40,08. Należy on do grupy berylowców; jest to miękki, lekki, srebrzystobiały metal; o temperatura topnienia 839C, temperatura wrzenia 1487C i gęstość 1,55 g/cm3. Jest pierwiastkiem silnie elektrododatnim; bardzo aktywnym chemicznie; łączy się z tlenem z powietrza (przechowuje się go pod warstwą nafty), rozkłada wodę, wydzielając wodór i tworząc wodorotlenek wapnia, Ca(OH)2; bezpośrednio reaguje m.in. z azotem, fluorowcami, siarką; w związkach występuje na II stopniu utlenienia. Wapń był używany już w czasach prehistorycznych, ale metaliczny wapń został otrzymany dopiero przez Davy’ego w 1808. Otrzymał go w wyniku elektrolizy mieszaniny wapnia palonego i tlenku rtęci(II). Jednak czysty technicznie wapń na skalę przemysłową otrzymano dopiero na początku XX wieku.


DAVY Sir Humphry Bartholomew
1778-1829, brytyjski chemik i fizyk; profesor Royal Institution w Londynie; udoskonalił metodę elektrolizy, za pomocą której wyodrębnił m.in. potas, sód, wapń; wynalazł bezpieczną lampę górniczą.


Występowanie wapnia

Wapń jest bardzo rozpowszechniony w przyrodzie; występuje jedynie w stanie związanym. Tworzy liczne minerały skałotwórcze, z których najważniejsze to: kalcyt( szpat islandzki), aragonit, dolomit, gips, anhydryt, fluoryt(występujący w Stanach Zjednoczonych- Stan Illinois, Niemcy- Palatyna bawarska) apatyt oraz minerały z grupy amfiboli, piroksenów i skaleni. Związki wapnia (gł. ortofosforan) wchodzą w skład szkieletów organizmów (ludzkich i zwierzęcych).jako metal reaktywny wapń łatwo łączy się z wodą i tlenem powietrza, dlatego przechowuje się go w oleju lub nafcie.



Minerał skałotwórczy Skład szkieletów organizmów
 Krzemiany(augity, plagioklazy) * niezbędny składnik kości i uzębienia
-labradoryt

LABRADORYT,
skała magmowa lub metamorficzna składająca się gł. z bogatego w wapń plagioklazu (labradoru); szary, różowy lub niebieski, z piękną grą barw; materiał budowlany o charakterze dekoracyjnym.

 Węglan wapnia CaCO
-kalcyt
-aragonit
-marmur
-wapniak
-kreda
 Siarczany
-gips (CaSO * 2H 0)
-anhydryt CaSO
 Fosforany
- fosforyt 3Ca (PO ) * Ca(OH)
- apatyt 3Ca (PO ) * Ca(F,Cl)


Zastosowanie wapnia

 wapń jest makroelementem, kompleksy wapnia z białkami mają duże znaczenie w wielu procesach biochemicznych i fizjologicznych, np. w pracy mięśni
 Pierwiastek jest stosowany jako dodatek utwardzający stopy łożyskowe, reduktor do otrzymywania niektórych metali (np. cyrkonu, toru, uranu, miedzi) z ich rud tlenkowych oraz do odsiarczania metali.
 Bardzo duże znaczenie mają związki wapnia, m.in.:
 w budownictwie: do wyrobu zaprawy murarskiej wykorzystuje się wodorotlenek (tzw. wapno gaszone) i tlenek (wapno palone), węglan wapnia (CaCO3 - wapień) jako kamień budowlany; siarczan wapnia jako gips sztukatorski i dodatek do cementu
wapno palone, tlenek wapnia, CaO, związek nieorganiczny, biały, higroskopijny proszek, otrzymywany przez prażenie wapienia (węglanu wapnia)
stosowane w przemyśle szklarskim, ceramicznym, w metalurgii, do otrzymywania zaprawy murarskiej, wapnowania gleb; przez działanie wodą, zw. gaszeniem lub lasowaniem wapna, otrzymuje się tzw. wapno gaszone (wodorotlenek wapnia, Ca(OH)2)
CaO + H O Ca(OH)

stosowane jako środek bakteriobójczy, tania zasada, zwana też mlekiem wapiennym (stosowanym do dezynfekcji i bielenia wnętrz, w cukrowniach do oczyszczania soku buraczanego oraz do produkcji tzw. wapnia chlorowanego) oraz jako składnik zaprawy murarskiej(połączenie wapna gaszonego z piaskiem i wodą):
Ca(OH) + CO CaCO + H O
 sole wapnia są stosowane jako nawozy (azotan - tzw. saletra wapniowa, tlenek, węglan, metafosforan) w celu obniżenia kwasowości gleb, szczególnie dla takich roślin jak: lucerna, kończyna, pszenica, jęczmień)

NAWOZY,
substancje zawierające składniki pokarmowe niezbędne do rozwoju roślin (azot, potas, fosfor, wapń, magnez, siarka, mikroelementy i inne), dostarczane roślinom uprawnym w wyniku nawożenia; stosowane w celu zwiększenia plonów oraz poprawienia właściwości gleby; dzielą się na: organiczne nawozy i mineralne nawozy.
 ponadto chlorek i tlenek jako środki osuszające (chłoną wodę)
 fluorek w produkcji szkła optycznego
 węglik wapnia do otrzymywania acetylenu
 tlenek wapnia jest składnikiem ceramicznych nadprzewodników wysokotemperaturowych
 wpływa na system nerwowy, na krzepnięcie krwi i na wiele innych procesów zachodzących w organizmach żywych
 reakcje węglanu wapnia z CO i H O zachodzi w przyrodzie nieustannie. Wody gruntowe zawierające CO powoli rozpuszczają skały wapienne. W wyniku rozpuszczania wapienia przez wody powierzchniowe i podziemne powstają charakterystyczne formy rzeźby krasowej, m.in. jaskinie, w grotach wapiennych zwisające stalaktyty lub narastające na podłożu stalagmity, żłobki krasowe, uwały. Zjawiska te noszą nazwę zjawisk krasowych, które nożna podziwiać między innymi w jaskini Raj.

 Twardość wody, związana jest z obecnością w niej wodorowęglanów, nosi ona nazwę twardości przemijającej lub stałej. Twardość przemijająca pochodzi od zawartości kwaśnych węglanów wapniowych i magnezowych, których rozpuszczalność zwiększa się z zawartością CO. Natomiast twardość stała pozostaje niezmieniona, gdyż spowodowana jest przede wszystkim zawartością siarczanu wapniowego. Twardość stałą można usunąć za pomocą sody.
Woda, która prawie nie zawiera soli wapniowych; magnezowych lub żelazowych, nazywamy wodą miękką .
Dane fizyczne:

Gęstość 1,55 g/cm3
Objętość atomowa 26,20 cm3/mol
Temperatura topnienia 842 C
Temperatura wrzenia 1484 C
Ciepło właściwe --- kJ/mol Ciepło topnienia 8,54 kJ/mol
Ciepło parowania 155 kJ/mol
Przewodność cieplna 200 W/m*K
Powinowactwo elektronowe 0 kJ/mol
Energia jonizacji I 589,8 kJ/mol
Energia jonizacji II 1145,4 kJ/mol
Energia jonizacji III 4912,4 kJ/mol
Przewodność elektryczna 3,4 m*
Elektroujemność (wg Allred Rochowa) 1,04
Elektroujemność (wg Paulinga) 1,00

Budowa atomu wapnia:

Odległość miedzy atomowa 394,7 pm
Promień atomowy 180 pm
Promień kowalencyjny 174 pm
Promień van der Waalsa --- pm
Promień jonowy 118(1) 99(2) pm
Powłoki elektronowe 2 8 2

Izotopy nie promieniotwórcze:

izotop masa atomowa zawartość %
40Ca 39,9625906 96,941
42Ca 41,9586176 0,647
43Ca 42,9587662 0,135
44Ca 43,9554806 2,086
46Ca 45,953689 0,004
48Ca 47,952533 0,187

Izotopy promieniotwórcze:

izotop masa atomowa T(1/2)
41Ca 40,9622783 102000 r
45Ca 44,956186 162,7 d
47Ca 46,954546 4,536 d
49Ca 48,955673 8,72 m
50Ca 49,95752 14 s
51Ca 50,9615 10 s
52Ca 51,9651 4,6 s

Rośliny wskaźnikowe

Każda roślina potrzebuje do swego rozwoju pewnych określonych warunków glebowo-klimatycznych. Część z nich można spotkać tylko na terenach podmokłych, podczas gdy inne rosną wyłącznie na glebach o małej wilgotności.
Rośliny, które rosną wyłącznie na terenach charakteryzujących się pewnymi ściśle określonymi warunkami nazwano roślinami wskaźnikowymi. Poznanie takich roślin umożliwi szybsze rozpoznanie warunków glebowych na danym terenie.
Na glebach bogatych w wapń można spotkać m.in.: cykoria podróżnik (Cichorium intybus), czyściec prosty (Stachys rectus, miłek wiosenny (Adonis vernalis), pierwiosnka lekarska (Primula officinalis), podbiał pospolity (Tussilago farfara).
Gleby ubogie w wapń (zakwaszone) porasta: czerwiec roczny (Sceranthus annuus), fiołek trójbarwny (Viola tricolor), rzodkiew świrzepa (Raphanus sativus), szczaw polny (Rumex acetosella).

Toksyczność wapnia i jego związków

Wapń i jego sole na ogół nie są toksyczne. Jednak w przypadku krzemianu wapniowego CaSiO3 długotrwałe wdychanie pyłu może spowodować pylicę płuc.

Otrzymywanie

Przemysłowe zapotrzebowanie na wapń jest dość ograniczone. Do niedawna zaspokajano je, stosując metodę elektrolityczną, podobną do tej, której użył w XIX wieku sir Humphry Davy. Obecnie poddaje się elektrolizie stopiony, odwodniony chlorek wapnia (CaCl2):
2Cl => Cl2 + 2e- (reakcja anodowa)
Ca2+ + 2e- => Ca (reakcja katodowa)
CaCl2 => Ca + Cl2 (reakcja sumaryczna)
(chlorek wapnia => wapń + chlor)

Związki wapnia

Tlenek wapnia (CaO) Wapno palone
Jest to biały, higroskopijny proszek, temp. topnienia 2576oC, reaguje gwałtownie z wodą z wydzieleniem dużych ilości ciepła:
CaO + H2O => Ca(OH)2
Technicznie na wielką skalę jest otrzymywany przez prażenie kamienia wapiennego w temp.
900-1000oC:
CaCO3 => CaO + CO2
Stosowany do wyrobu zaprawy murarskiej. Jej twardnienie polega m.in. na reakcji
Ca(OH)2 + CO2 => CaCO3 + H2O
cementu, w leśnictwie jako środek owadobójczy, do wyrobu karbidu, w metalurgii jako dodatek szlakujący, w rolnictwie jako środek zmniejszający zakwaszenie gleby, w cukrownictwie (defekacja), w garbarstwie do odwłosiania skór, a także do oczyszczania gazów do zmydlania tłuszczów podczas produkcji stearyny i do wyrobu farb wapiennych.

Nadtlenek wapnia (CaO2)
Otrzymać go można w wyniku działania nadtlenku wodoru na tlenek wapniowy
CaO + H2O2 => CaO2 + H2O
Wodorotlenek wapnia (Ca(OH)2)Wapno gaszone
Jest to biały proszek trudno rozpuszczalny w wodzie (w temp. 20oC 0,126g w 100cm3). Wodorotlenek wapnia jest mocną, a jednocześnie tanią zasadą; jego roztwór wodny jest nazywany wodą wapienną. Zawiesina wodorotlenku wapnia w wodzie
wapiennej nosi nazwę mleka wapiennego i jest stosowana jako biała farba. Otrzymuje się go przez działanie określoną ilością wody na tlenek wapnia:
CaO + H2O => Ca(OH)2
Reakcji tej towarzyszy wydzielanie sporych ilości ciepła (gaszenie wapna). Wodorotlenek
wapnia jest stosowany do wyrobu zaprawy murarskiej (powietrznej - tężejącej pod wpływem dwutlenku węgla:
Ca(OH)2 + CO2 => CaCO3 + H2O )
W przemyśle garbarskim, cukrowniczym, do zmiękczania wody:
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 => 2CaCO3 + 2H2O
oraz do odzyskiwania amoniaku z roztworów chlorku amonu w procesie produkcji sody.


Azotan(V) wapnia Ca(NO3)2 Saletra norweska
Silnie higroskopijny związek, krystaliczne ciało stałe. Topiące się w temp. 561oC. Ciało rozpuszczalne w wodzie (w temp. 18oC 121g/100cm3) i alkoholu. Tworzy hydrat Ca(NO3)2*H2O, który w temp. powyżej 100oC traci wodę i przechodzi w sól bezwodną. Otrzymywany jest w reakcji kwasu azotowego z węglanem wapnia:
CaCO3 + 2HNO3 => 14 Ca(NO3)2 + H2O + CO2 .
Najczęściej jest stosowany jako nawóz sztuczny.

Węglan wapnia (CaCO3)
Biała substancja stała, nierozpuszczalna w wodzie (już niewielka ilość tlenku węgla IV w wodzie pozwala węglanowi wapnia rozpuszczać się). Temperatura topnienia 1289 st. (przy ciśnieniu 110 atmosfer). Rozkład (przy normalnym ciśnieniu) następuje już w temperaturze 900 st. (w ten sposób otrzymuje się wapno palone). W przyrodzie występuje w dwóch odmianach:
- aragonit - odmiana rombowa, trwała w temperaturze wyższej niż 29 st.
- kalcyt - odmiana heksagonalna, trwała w temperaturze poniżej 29 st.
Z kryształków kalcytu składają się takie minerały jak: kamień wapienny, kreda i marmur. Wapień zmieszany z gliną nazywamy marglem, zaś czysty kalcyt szpatem islandzkim. Celom przemysłowym służy tzw. kreda strącana.
Kreda strącana stosowana jest do wyrobu papieru, kitu, farb, gumy oraz past do zębów. Kamień wapienny wykorzystywany jest do produkcji wapna palonego i cementu. Natomiast kreda naturalna pełni rolę napełniacza do kauczuku i wyrobów gumowych, wyrabia się z niej kredę do pisania oraz używa w produkcji farb.

Dwuwodorofosforan V wapnia (Ca(H2PO4)2) Fosforan jednowapniowy, fosforan kwaśny wapnia
Jest to bezbarwna substancja krystaliczna (cząsteczki jednowodne). W temperaturze 109 st. traci wodę krystalizacyjną. Rozpuszczalny w wodzie i kwasach.
Powstaje podczas działania kwasem siarkowym na fosforan wapnia:
2H2SO4 + Ca3(PO4)2 ==> Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4
Stosowany jest do wyrobu szkła, ponadto wchodzi w skład nawozów sztucznych (superfosfat) oraz proszków do pieczenia.


Węglik wapnia (CaC2) acetylenek wapnia, karbid
Jest to bezbarwna masa krystaliczna, nierozpuszczalna w kwasach i zasadach. Temperatura topnienia 2300 st. W reakcji z wodą wydziela acetylen:
CaC2 + 2H2O => Ca(OH)2 + C2H2
Techniczny węglik wapnia jest szaroczarny (bowiem zawiera 1-2% węgla i 12-15% tlenku wapnia).
Otrzymywany z wapna palonego i koksu w temperaturze 2200-2300st.
Stosowany do wytwarzania acetylenu i azotniaku, oraz jako środek redukujący tlenki metali i rudy.

Węglan wapnia (CaCO3)
Jest to biała substancja krystaliczna, trudno rozpuszczalna w wodzie - rozpuszcza się w wodzie nasyconej dwutlenkiem węgla (przechodząc w wodorowęglan wapnia) lub w roztworze chlorku amonu (przechodząc w chlorek wapnia).
W wysokich temperaturach, a także pod wpływem kwasów ulega rozkładowi z wydzieleniem dwutlenku węgla. W przyrodzie występuje w postaci minerałów: aragonitu i kalcytu. (występująca powszechnie w przyrodzie najtrwalsza krystaliczna postać węglanu wapnia, o strukturze trygonalnej - sieć romboedryczna)
Stosowany do wyrobu papieru, kitu, past do zębów, farb, gumy, wapna palonego, cementu, kredy do pisania.

Siarczan wapniowy (CaSO4)
W przyrodzie występuje w postaci uwodnionej jako gips albo alabaster, a w postaci bezwodnej jako anhydryt. Rozpuszczalność siarczanu wapnia w wodzie wynosi tylko 0,2 g/ 100 g wody w temp. 20ºC. Częściowo odwodniony gips ma własności tężenia z wodą, przy czym powiększa swą objętość. Wynika stąd jego zastosowanie do odlewów i modeli. Przy wyprażeniu gipsu powyżej 200ºC następuje zupełne odwodnienie i powstaje bezwodny siarczan wapniowy, który traci własność tężenia z wodą. Gips ogrzany do temp. Ok. 900ºC wykazuje właściwości hydrauliczne. Rozpoczyna się rozkład siarczanu wapniowego, połączony z wydzielaniem SO2 i tlenu. W ten sposób można otrzymać dwutlenek siarki potrzebny do produkcji kwasu siarkowego.

Siarczek wapniowy (CaS)
Redukcja gipsu węglem w wyższych temperaturach doprowadza do powstania siarczku wapniowego.
CaSO4 + 4C => CaS + 4CO
Związek ten podobnie jak siarczki metali alkalicznych nader łatwo ulega hydrolizie, jest jednak od nich trudniej rozpuszczalny. Znajduje zastosowanie w garbarstwie do usuwania włosów ze skór.

Fluorek wapniowy (CaF2) fluoryt
Odznacza się dobrą przepuszczalnością promieni nadfioletowych i podczerwonych. Jest trudno rozpuszczalny (1,6 mg/ 100 g H2O w temp. 18ºC). Sieć przestrzenna fluorku wapniowego ma układ regularny. Liczba koordynacyjna jonów wynosi 8/4. Fluorek wapniowy znajduje zastosowanie jako topik w procesach metalurgicznych oraz do produkcji kwasu fluorowodorowego.

Chlorek wapniowy (CaCl2*6H2O)
Do najpospolitszych soli wapnia należy sześciowodny chlorek wapniowy. Istnieją hydraty o zawartości 1, 2 lub 4 cząsteczek wody. Chlorek wapniowy stanowi produkt odpadkowy podczas produkcji sody metodą Solvaya. Jest bardzo rozpuszczalny w wodzie (91 g?100 g wody w temp. 100ºC – 159 g bezwodnej soli). Chlorek wapniowy bezwodny (nietopiony) stosowany jest jako środek osuszający. Wiąże on amoniak, tworząc aminiakaty. Roztwory chlorku wapniowego stosowane są w różnych przypadkach, kiedy zachodzi konieczność zmniejszenia prężności pary, a także do zwilżania nawierzchni drogowych w celu usuwania kurzu. Ciepło rozpuszczania chlorku wapniowego w wodzie jest ujemne i wynosi –4,31 kcal. Z tych powodów jest stosowany jako mieszanina oziebiająca. Istnienie podchlorku wapniowego CaCl, powstającego pod wpływem działania wapnia na chlorek wapniowy CaCl2, jest poddawane w wątpliwość.

Bromek wapniowy (CaBr2) tworzy trójwodne i sześciowodne hydraty, a jodek wapniowy CaJ2*6H2O. Są to związki łatwiej rozpuszczalne w wodzie niż CaCl2.

Węglan wapnia i żelaza (CaFe(CO3)2) ankeryt
Minerał zawierający niekiedy również domieszkę magnezu i manganu. Krystalizuje w układzie trygonalnym. Barwa zielonawa, brunatnawa lub czerwonawa. Powstaje w procesach metasomatozy, wskutek wypierania magnezu przez żelazo w minerale dolomicie. Występuje gł. w żyłach hydrotermalnych na terenie Bułgarii i Węgier. Cenny surowiec metalurgiczny.

Krzemian wapnia i glinu (Ca2Al3O(OH)(SiO4)(Si2O7)) zoizyt
Minerał zasadowy. Krystalizuje w układzie rombowym, najczęściej w postaci zbitych, ziarnistych lub włóknistych skupień. Łupliwość doskonała. Twardość 6-6,5. Barwa szara, szarobiała, zielonawa, brązowa. Odmiana niebieska nosi nazwę tanzanitu, różowa - thullitu. Połysk szklisty lub perłowy. Występuje w skałach metamorficznych powstałych w warunkach niskiej temperatury i wysokiego ciśnienia, a także w skałach magmowych zasobnych w anoryt.
Największe złoża zoizytu znajdują się w Szwajcarii, Austrii, Norwegii, USA i Tanzanii. W Polsce spotykany na Dolnym Śląsku (okolice Kłodzka, Ząbkowic Śląskich i Jordanowa).

Doświadczenia z udziałem związków wapnia

Płonąca galaretka
Potrzebnymi odczynnikami będą: nasycony octan wapnia i etanol z dodatkiem wskaźnika (np. fenoloftaleiny). Będą to roztwory to zalkalizowane. Po zmieszaniu tych dwóch bezbarwnych roztworów powstanie barwna, palna galaretka. Jej powstanie umożliwią jony wapniowe, które ułatwiają powstanie sztywnej sieci wiązań wodorowych.

Wytwarzanie amoniaku i wody amoniakalnej
Najpierw należy przygotować aparaturę i odczynniki. Aparaturę stanowić będzie zlewka Elermayera (ewentualnie kolba płaskodenna). Do elermayerki trzeba dopasować korek gumowy z otworkiem i zatkać nim szklaną rurkę. Na rurkę nałożyć wężyk igielitowy. Odczynnikami będą: mleko wapienne (zlasowany tlenek wapnia) i jakaś rozpuszczalna sól amonowa np. NH4NO3 lub NH4Cl. Jeżeli tlenek wapniowy to trzeba wsypać trochę do parownicy i zlasuj wodą, natomiast jeśli to wodorotlenek wapnia to wsypać go bezpośrednio do elermayerki i tam zalać wodą. W obydwu przypadkach ma powstać gęsta zawiesina wapna gaszonego w wodzie.
Wapno w zlewce postawić na trójnogu, na siatce do ogrzewania i powoli zacząć ogrzewać. Gdy temperatura substancji dojdzie do ok. 60 stopni przerwać ogrzewanie i wsypać ostrożnie sól amonową do elermayerki. Wszystkie reagenty zamieszać energicznie i postawić nad płomieniem palnika, na trójnogu. Podczas ogrzewania mieszaniny zwilżyć papierek fenoloftaleinowy w wodzie. Gdy mieszanina będzie wrzała przyłożyć papierek do wylotu elermayerki i trzymaj go tam, aż zabarwi się na malinowo. Kiedy już to nastąpi zlewkę zatkać wcześniej przygotowanym korkiem i dalej ogrzewać. Gdy amoniak wypchnie powietrze z rurki zanurzyć ją w zlewce z 50 gramami zimnej wody. Zlewkę z reagującą mieszaniną cały czas ogrzewać. Co jakiś czas należy sprawdzać, czy z rurki leci jeszcze amoniak. Gdy przestanie już się wydzielać przerwać ogrzewanie i otrzymaną w ten sposób wodę amoniakalną zlać do butelki.
Równanie reakcji:
Ca(OH)2 + 2NH4NO3 => Ca(NO3)2 + 2NH3 + 2H2O

Chemiczna roślinka
Jedynym potrzebnym naczyniem do wykonania tego doświadczenia będzie probówka. Odczynnikami będą: szkło wodne (czyli wodny roztwór krzemianu sodu) i łatwy do samodzielnego otrzymania chlorek wapnia. Do probówki należy nalać trochę szkła wodnego i dopełnić wodą, następnie wrzucić jeden kryształek soli. Po chwili kryształek zacznie jakby "kiełkować" i wypuści w górę "gałązki". "Roślinka" będzie poruszała się do góry w oczach, aż w pewnym momencie przestanie rosnąć. Siłą powodującą wzrost roślinki jest siła osmotyczna. Kryształek, gdy wpada do roztworu szkła wodnego okrywa się półprzepuszczalną błonką (tworzy ją krzemian wapnia). W celu wyrównania stężeń woda wdziera się przez błonkę do wewnątrz. Gdy zbierze się odpowiednia ilość wody błonka pęka i porcja roztworu wylewa się. Reaguje ona zaraz ze szkłem wodnym i znów tworzy błonkę. Sekwencja ta powtarza się, aż cały chlorek wapnia przereaguje ze szkłem wodnym. Sumarycznie reakcję tę można przedstawić w następujący sposób:
CaCl2 + Na2SiO2 =>CaSiO3 + 2NaCl