Eszkola

Wapń – charakterystyka

Wapń (symbol – Ca) jest pierwiastkiem chemicznym, metalem, leżącym w IV okresie i II grupie (berylowce) i bloku s układu okresowego.

Symbol Ca
Nazwa w jęz. angielskim calcium
Nazwa w jęz. łacińskim calcium
Stan skupienia (w warunkach standardowych) ciało stałe
Charakter chemiczny metal
Liczba atomowa 20
Masa atomowa [u] 40,078(4)
Numer grupy, okres, blok energetyczny II, IV, s
Stopnie utlenienia II
Konfiguracja elektronowa uproszczona [Ar]4s2
Zapełnienie powłok elektronowych 2, 8, 8, 2
Elektroujemność wg Paulinga 1,00
Temperatura topnienia [ºC] 842
Temperatura wrzenia [ºC] 1484
Ciepło właściwe [J/(kg•K)] 632
Gęstość  [kg/m3] 1550

Odkrycie

Związki wapnia (szczególnie skały wapienne) były znane i wykorzystywane przez ludzi już kilka tysięcy lat przed naszą erą. Wapno (tj. tlenek lub wodorotlenek wapnia) stosowano m.in. w budownictwie i rzeźbiarstwie. Najstarsze obiekty datowane są na 7500 lat p.n.e. Identyfikacji wapnia jako pierwiastka dokonano na przełomie XVIII i XIX w. Pierwszą osobą, która go wyizolowała był brytyjski chemik Humphry Davy. Dokonał tego w 1808 r. z wykorzystaniem metod elektrochemii – wydzielił niewielką ilość wapnia z wapna na platynowej katodzie. Nie była to wydajna metoda, ale pozwoliła na analityczną identyfikację pierwiastka. Stosunkowo czysty wapń uzyskano kilkadziesiąt lat później w 1898 r. przez elektrolizę stopionego jodku wapnia.

Występowanie

Wapń jest piątym najpowszechniej występującym w skorupie ziemskiej pierwiastkiem i trzecim najczęstszym metalem. Warto jednak pamiętać, że wapń nie występuje naturalnie w stanie wolnym. Rezerwuarem wapnia są skamieniałości prehistorycznych organizmów morskich. Występują w dwóch formach: heksagonalnego kalcytu (to m.in. wapień, dolomit, marmur, kreda)  lub rombowego aragonitu. Ważnymi skałami wapiennymi są również: kalcyt, gips, anhydryt, fluoryt, apatyt i krzemiany wapnia.

Otrzymywanie 

Największą produkcję wapnia przypisuje się Chinom, Rosji oraz Stanom Zjednoczonym. Na terenie Europy największym producentem tego pierwiastka jest Francja. Wapń otrzymywany jest z zastosowaniem elektrolizy stopionego chlorku lub fluorku wapnia (metoda analogiczna do tej, wykorzystanej do pierwszej izolacji) :

2Cl → Cl2 + 2e- - reakcja anodowa
Ca2+ + 2e- → Ca - reakcja katodowa
CaCl2 → Ca + Cl2 - reakcja sumaryczna

lub przez prażenie jego tlenku z glinem w beztlenowej atmosferze:

3CaO + 2Al → Al2O3 + 3Ca

Właściwości fizyko-chemiczne

Wapń w warunkach standardowych (tj. temp. – 273,15K, ciśnienie – 105Pa)  ma postać metalicznego ciała stałego o lśniącym, srebrzystobiałym kolorze i  gęstości 1550kg/m3. Czysty wapń można kroć nożem – jego twardość jest podobna do twardości ołowiu. Temperatura topnienia wapnia wynosi 842ºC a wrzenia 1484ºC. Wapń jest dobrym przewodnikiem elektrycznym. 

Wapń bardzo łatwo reaguje z tlenem – na powietrzu pokrywa się matową warstwą tlenku wapnia (CaO). Może też reagować z azotem tworząc azotek wapnia. Wapń ulega również łagodnej reakcji z wodą oraz dość burzliwej reakcji z rozcieńczonymi kwasami (azotowym, solnym, siarkowym, octowym).

Zastosowanie i znaczenie

Wapń w stanie czystym jest stosowany w metalurgii do usuwaniu tlenu oraz siarki. Jego dodatek wzmacnia wybrane stopy. Służy również do oczyszczana i osuszania m.in. alkoholi, benzyny, ropy. Jest wykorzystywany do produkcji akumulatorów samochodowych. Wapń można stosować jako reduktor tlenków uranu lub toru.

Szersze zastosowanie posiadają związki wapnia: azotan wapnia używany jest jako nawóz, siarczan w postaci gipsu lub anhydrytu stosowany jest w budownictwie, medycynie urazowej, rzeźbiarstwie. Karbid (CaC2) jest substratem produkcji acetylenu. Chlorek wapnia jest dodatkiem do żywności oraz znalazł zastosowanie w odladzaniu dróg. Wapno palone tj. tlenek wapnia jest składnikiem zaprawy murarskiej.

W świecie biologicznym wapń zaliczany jest do ważnych makroelementów. Jest składnikiem kości (dokładniej budującego je hydroksyapatytu), a w postaci jonowej jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania m.in. tkanki mięśniowej. Co więcej, bierze udział w krzepnięciu krwi, przewodzeniu impulsów elektrycznych układu nerwowego oraz w reakcjach immunologicznych. Jest aktywatorem enzymów. W organizmie człowieka gospodarka wapniowa jest regulowana przez  hormony: parathormon, kalcytoninę i witaminę D.

Izotopy

Wapń posiada 16 izotopów, z czego 6 uważanych jest za stabilne (40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca i 48Ca). Najpowszechniejszym izotopem wapnia jest 40Ca (stanowi 96.941% tego pierwiastka w przyrodzie).

Związki

Wapń w związkach występuje na II stopniu utlenienia. Tworzy wiązania o charakterze jonowym i pełni rolę kationu.

Wodorek wapnia (CaH2) jest silnym reduktorem i wykorzystywany jest do otrzymywania czystych metali z ich tlenków. Powstaje w podczas napylania metalicznego wapnia wodorem w temperaturze 500-700ºC.

Tlenek wapnia (wapno palone CaO) należy do tlenków zasadowych, w reakcji z wodą tworzy wodorotlenek wapnia. Ma właściwości higroskopijne. Jest otrzymywany na drodze prażenia węglanu wapnia w 900-1000ºC.

CaCO3 → CaO + CO2

Wodorotlenek wapnia (wapno gaszone, Ca(OH)2) jest substancją słabo rozpuszczającą się w wodzie. Otrzymywany jest na drodze reakcji tlenku wapnia z wodą:

CaO + H2O → Ca(OH)

Jego wodny roztwór, nazywany wodą wapienną, jest stosunkowo silną zasadą o pH ok. 12. W obecności dwutlenku węgla ulega zmętnieniu, wskutek wytrącania się węglanu wapnia:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O

Wodorotlenek wapnia stosowany jest w budownictwie jako składnik zaprawy murarskiej, baza o właściwościach dezynfekujących, w przemyśle cukrowniczym do oczyszczania soku buraczanego (podczas etapu saturacji), w produkcji nawozów sztucznych lub jako zmiękczacz wody.

Węglan wapnia (CaCO3) jest głównym składnikiem skał wapiennych: kalcytu, aragonitu, dolomitu czy koralu. Jest stosowany jako dodatek do żywności, w kosmetyce jako składnik pudrów. Jest też popularnym materiałem budowlanym.