Vápník - Ca Andělová Michaela - 2005
Latinský název Chemická značka Protonové číslo Relativní atomová hmotnost (Ar) Tvrdost Skupina Perioda Elektronová konfigurace Elektronegativita Teplota tání Teplota varu Skupenství při 20 °C Počet přírodních izotopů Oxidační čísla ve sloučeninách Hustota (při 20 °C) Barva plamene
orbitaly
Calcium Ca 20 40,078 1,5 – 2 II.A 4 [18 Ar] 4s2 1,04 839 °C 1 484 °C pevné (s) 6 II 1,55 g.cm-3 cihlově červená
práškový vápník
mikročástice
Historie Název calcium pochází z latinského calx, což znamená vápno. Přestože vápno bylo známo již v Římě v 1. století n. l., čistý kov byl objeven mnohem později. Berzelius a Pontin připravili amalgám vápníku elektrolýzou vápna se rtuťovou elektrodou. Ale až roku 1808 H. Davy získal "čistý" vápník. Výskyt V přírodě se volně nevyskytuje, ale je hojný ve sloučeninách, minerálech:
1
CaSO4 - anhydrit Ca5(PO4)3F - fluoroapatit CaCO3 - kalcit CaCO3 - vápenec (čistý = mramor) CaCO3 . MgCO3 - dolomit (tvoří celá pohoří) CaSO4 . 2 H2O - sádrovec (čistý = alabastr) CaF2 – kazivec fluorapatit, chlorapatit, fosforit, vápenaté křemičitany 3 Ca3(PO4)2 . Ca(F,Cl)2 - apatit Ca3(PO4)2 - apatit Vápenaté ionty jsou obsaženy v povrchových i minerálních vodách. Vápník je se svými třemi procenty obsahu pátý nejrozšířenější prvek v zemské kůře (3,4 %). Je nepostradatelnou součástí kostí, zubů a lastur mořských živočichů.
aragonit
kalcit
fluorit
dolomit
Vlastnosti Vápník je šedobílý, lesklý, lehký kov. Je tavitelný, měkký a dá se krájet nožem. Na povrchu se pokrývá vrstvičkou Ca(OH)2 a CaCO3. Má silné redukční vlastnosti. Je méně kovový a zásaditý než stroncium (Sr) a baryum (Ba). Tvoří iontové a kovové vazby. Kation Ca2+ je bezbarvý a nejedovatý. Vápník netvoří ale dvouatomové kationty. Ca22+ je tvořen Ca0 a Ca2+, což má za následek diamagnetické vlastnosti kationtu. S vodou reaguje již za studena za vzniku hydroxidu. Vápenaté ionty barví plamen cihlově červeně. Vápník je důležitý biogenní prvek, který řídí srdeční činnost a ovlivňuje oběh krve. Jako uhličitan a fosforečnan se váže na kosti. Denní potřeba je asi 800 mg. Velmi reaktivní a proto se uchovává pod petrolejem. Nereaguje s hydroxidy. Způsobuje zásaditost půd a na vzduchu se pokrývá bílou vrstvičkou nitridu vápenatého, je silně zásaditý, ve sloučeninách má vždy 2+ náboje, ionty jsou bezbarvé. Připravuje se elektrolýzou chloridu vápenatého: CaCl2 → Ca + Cl2. Vápník spolu s hořčíkem (Mg) způsobují tvrdost vody. Typické reakce 2 Ca + O2 → 2 CaO Ca + 2 H2O → Ca(OH)2 + H2 Ca + X2 → CaX2 (tºC) Ca + S → CaS (tºC) 3 Ca + N2 → Ca3N2 6 Ca + P4 → 2 Ca3P2 Ca + OH - → nereaguje
2
Průmyslová výroba Vyrábí se elektrolýzou taveniny chloridu a fluoridu vápenatého. Elektrolýzou taveniny CaCl2 a CaF2 při teplotě 700 °C. Použití Používá se jako redukční činidlo při výrobě kovů např. thoria, uranu, zirkonu. Nachází díky této vlastnosti uplatnění v metalurgii a jako desoxidační činidlo při výrobě speciálních ocelí (pro zvýšení pevnosti slitin). Používá se do slitin s hliníkem, beryliem, mědí, olovem, hořčíkem a také na výrobu hnojiv. Sloučeniny vápníku jsou nejdůležitější surovinou ve stavebnictví: CaO - pálené vápno Ca(OH)2 - hašené vápno CaSO4 . 1/2 H2O - sádra Dále se používá k pohlcování zbytků plynů v žárovkách a elektronkách.
Sloučeniny CaH2 – hydrid vápníku Vzniká přímou syntézou vápníku a vodíku. Je našedlé barvy a reaguje s vodou za vzniku hydroxidu. CaBr2 - bromid vápenatý Silně hygroskopická krystalická látka, která je bezbarvá a rozpustná. Používá se ve fotografickém průmyslu a lékařství. CaSO4.2H2O - dihydrát síranu vápenatého - sádrovec Je bílý, špatně rozpustný ve vodě; mletý se používá jako vápenaté hnojivo, pálením se získává hemihydrát CaSO4.1/2H2O – pálená sádra, která se používá jako maltovina (obklady, sádrokartonové desky), k odlévání soch, na sádrové obvazy – tuhne přijímáním vody, při tom se zahřívá a zvětšuje objem. Při teplotě nad 900 °C vzniká ostře pálená sádra, která je směsí CaO + CaSO4 – tuhne pomaleji ve velmi tvrdou hmotu. Užívá se ve štukatérství. Při teplotě 128 °C ztrácí 1,5 molekuly vody, při teplotě 163 °C ztrácí obě dvě molekuly vody. Bezvodý se vyskytuje jako minerál anhydrit. CaSO4 - síran vápenatý Je bílý, krystalický, úpravami vzniká hemihydrát CaSO4.1/2H2O - sádra CaF2 - fluorid vápenatý - kazivec, fluorit V přírodě se vyskytuje jako minerál různého zabarvení. Krystalizuje v krychlové soustavě. Hustota je 3,1 g.cm-3 . Ca(OH)2 - hydroxid vápenatý - hašené vápno Hydroxid je bílý, krystalický, silně zásaditý, v H2O rozpustný, použití hlavně ve stavebnictví, k desinfekčnímu bílení místnostní. Je laciný a proto se užívá při výrobě cukru a nakládání vajec. Vzniká smícháním páleného vápna s vodou = hašení vápna. Hydroxid vápenatý vzniká po klidném sloučení vápníku s vodou: Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2, nebo hašeného vápna s vodou: CaO + H2O → Ca(OH)2, kdy se při reakci vyvíjí značné množství tepla. Z hašeného vápna zpětně vzniká vápenec: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O - toto je též rovnice tuhnutí malty.
3
CaCl2 - chlorid vápenatý Je bezbarvý, krystalický, silně hygroskopický, používá se na vysoušení vlhkých plynů a k impregnování dřeva. Vyskytuje se jako hexahydrát. Používá se jako příměs do betonu pro rychlejší tuhnutí. Vzniká při rozpouštění uhličitanu vápenatého v kyselině chlorovodíkové. Hustota: 2,15 g.cm-3, teplota tání: 774 °C, teplota varu: 1600 °C. Ca(OCl)2 - chlornan vápenatý Je pevný. Hlavní účinná složka chlorového vápna. Chlorové vápno je bělicí, oxidační a desinfekční prostředek.Uvolňuje chlór působením CO2. CaCO3 - uhličitan vápenatý - triviálně: vápenec, kalcit, aragonit, mramor Ve vodě je nerozpustný, při teplotě 899 °C se rozkládá na oxid vápenatý (vápno) a oxid uhličitý. Působením oxidu uhličitého ve vodě se vytváří hydrogenuhličitan: CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2, změnami teplot vody a podmínek v jeskyních vznikají krápníky. Reakcí s kyselinami uvolňuje oxid uhličitý: CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + H2O + CO2. V přírodě je rozšířený jako minerály vápenec, aragonit, mramor, kalcit nebo jako skořápky tvorů, korále, perly, krápníky atd. Hustota je 2,71 g.cm-3. CaO - oxid vápenatý - pálené vápno V atmosféře kyslíku shoří vápník na oxid vápenatý: Ca + ½O2 → CaO. Je bílý, krystalický, ve vodě nerozpustný. Průmyslově se vyrábí ve vápenkách z vápence: CaCO3 → CaO + CO2. Má bohaté využití ve stavebnictví, používá se i ve sklářství, vodárenství (měkčení vody) a chemickém průmyslu (neutralizace kyselin). Hustota: 3,4 g.cm-3, teplota tání: 2 614 °C, teplota varu: 2 850 °C. CaC2 - karbid vápenatý Reakcí s vodou se vyvíjí hořlavý acetylen, karbid je potřebný ke zpracování kovů (např. Ag, Cu, Ni, Pb). Ca(ClO)Cl - chlorové vápno Je bílý, hrudkovitý prášek, silně oxidační, odštěpuje kyslík, používá se k desinfekcím (chemicky jde o směs vápenaté soli kyseliny chlorné a chlorovodíkové při účinku chloru na hydroxid vápenatý). CaF2 - fluorid vápenatý Vzniká při pálení kryolitu s vápencem, je potřebný pro leptání skla. Superfosfáty jsou směsi fosforečnanů a síranů vápenatých, používají se jako hnojiva. Ca(H2PO4)2 - dihydrogenfosforečnan vápenatý Je bílý, hygroskopický, ve vodě rozpustný v přítomnosti CO2 nebo dalších solí, v kostech, popelu rostlin, v tělních orgánech, v apatitu, fosforitu, je podstatou superfosfátů. Ca(NO3)2 - dusičnan vápenatý: salnytr vápenatý, norský ledek Je bezbarvý, rozpustný, užívá se jako hnojivo. Vznikal často při hnití organických látek v přítomnosti vápna působením bakterií jako bílý květ na zdech chlévů aj. 2 NH3 + 4 O2 + CaO → Ca(NO3)2 + 3 H2O. Ca(HCO3)2 - hydrogenuhličitan vápenatý Rozpustný ve vodě, způsobuje tvrdost vody a odpovídá za krasové jevy.
4
Cement je umělá nebo přirozená hmota, která s vodou přímo tuhne i pod hladinou vody: - portlandský cement - tavený vápenec se slínem, semletím se získá jemný šedozelený prášek - cement struskový - rozemleté přísady popílků, strusek z vysokých pecí - beton - směs cementu s drobným štěrkem, železobeton - beton proložený železnými pruty a konstrukcemi CaO2 - peroxid vápenatý Je bílý, používá se jako oxidační činidlo, připravuje se z hydroxidu vápenatého: Ca(OH)2 + H2O2 → CaO2 + 2 H2O Ca (ClO)2 - chlornan vápenatý Používá se jako oxidační činidlo a bělící prostředek. CaS - sulfid vápenatý Je bílá rozpustná látka, užívá se k výrobě fosforeskujících barev a jako depilační prostředek; vyrábí se redukcí ze síranu: CaSO4 + 4 C → CaS + 4 CO Ca(HSO3)2 - hydrogensiřičitan vápenatý Je bílý, rozpustný; vzniká reakcí roztoku Ca(OH)2 + SO2; je podstatou sulfitového louhu, užívaného k výrobě celulózy ze dřeva (dřevo se vaří s louhem). Ca3(PO4)2 - fosforečnan vápenatý Je bílý, nerozpustný; je podstatou apatitu a fosforitu; používá se na výrobu P, H3PO4 a fosforečných hnojiv (superfosfátů). CaC2 - acetylid (karbid) vápenatý Výroba: CaO + 3 C → CaC2 + CO (2000 °C); Používá se na výrobu ethinu: CaC2 + 2 H2O → C2H2 + Ca(OH)2. CaCN2 - kyanid vápenatý Vzniká reakcí: CaC2 + N2 → CaCN2 + C (1000 °C); reakcí s vodou uvolňuje NH3, užívá se jako dusíkaté hnojivo. Ca(COO)2 - šťavelan vápenatý Nejméně rozpustná sůl vápníku, často se nachází v podobě krystalů v rostlinných buňkách. Je výchozí látkou pro organické syntézy (aceton).
VÁPNÍK Lidské tělo obsahuje velké množství tohoto prvku. Většinou je v kostech a zubech, pro jejichž zdravý vývoj je naprosto nezbytný. Vápník je však nutný i pro správnou činnost svalů, zejména pro stahy svalů, podmiňuje dobrou činnost srdce a správnou srážlivost krve. Kosti slouží zároveň jako sklad nadbytečného vápníku a v případě potřeby jej uvolňují do krve. Pokud jsou tyto zásoby nízké nebo nedostatečně doplňované, odplaví se vápník z kostí a dochází k lámavosti kostí nebo osteoporóze (lidově řídnutí kostí). Lékaři v Africe se často setkávají s jevem, který popisují jako "skleněné kosti". Postižený člověk pak mívá, v důsledku nedostatku vápníku a hořčíku v potravě, velmi křehké a lámavé kosti. Lidé s těmito potížemi navíc obvykle trpí i nekontrolovatelnými svalovými stahy, což bývá rovněž důsledek nedostatku vápníku a hořčíku v krvi.
5
Koncentrace vápníku uvnitř buněk je celkem nízká, neboť buňky jej využívají jako signální iont. Přítomnost vápenatého iontu v buňce tedy vyvolá kaskádu reakcí. Vápník se účastní též svalového stahu. Vápník také pomáhá stabilizovat fosfolipidové membrány tak, že kompenzuje odpuzující se záporné náboje fosfátů. Hydroxid a oxid vápenatý jsou žíraviny, chlorid vápenatý leptá sliznice a oči, při dlouhodobém působení vznikají vředy. Jinak jsou sloučeniny vápníku málo toxické.
vápenaté mořské korály
kosti a zuby potřebují vápník nejsnáze je získatelný z mléka
Použitá literatura Greenwood, N. N., Earnshaw, A.: Chemie prvků, svazek I. Informatorium, Praha1993 Brown, G. I.: Úvod do anorganické chemie. SNTL - nakladatelství technické literatury, Praha 1982 Klikorka, DrSc., J., Hájek, DrSc., B., Votinský, CSc., J.: Obecná a anorganická chemie. SNTL - nakladatelství technické literatury, Praha 1989 www.webelements.com/webelements/elements/text/Ca/econ.html www.sulinet.hu/termeszetvilaga/archiv/2001/0107/04.html www.yearofthedragon.ca/ products.html www.2spi.com/catalog/analytical/calcium-carbonate-crystals.html www.girlpower.gov/ girlarea/gamespuz http://pricesmilk.com/logos-hi-res.ssd http://som.flinders.edu.au/FUSA/NEUROSCIENCE/calcium.html
6
