Do drugiej grupy układu okresowego zaliczane są tzw. metale ziem alkalicznych, czyli: beryl Be, magnez Mg, wapń Ca, stront Sr, bar Ba i rad Ra. Symbole wapnia to Ca i pochodzi on od nazwy łacińskiej wapnia (łac. calx czyli wapno ).

  • występowanie wapnia w przyrodzie:

Związki wapnia są bardzo szeroko rozpowszechnione w przyrodzie i często występują razem ze związkami chemicznymi, w skład których wchodzi magnez. Wapń nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym. W skorupie ziemskiej pierwiastek ten występuje w ilości 3,39%. Zajmuje on piąte miejsce pod względem rozpowszechnienia. Najczęściej spotykanym związkiem wapnia jest węgla wapnia o wzorze CaCO3, który występuje w postaci kalcytu, marmuru, kredy, albo soli złożonej z węglanu magnezu i węglanu wapnia, zwanej dolomitem (CaCO3 MgCO3). Węglan wapnia i dolomit bardzo często tworzą rozległe łańcuchy górskie. Duże złoża w przyrodzie tworzy także gips CaSO4 2H2O - siarczan wapnia. Wapń występuje w przyrodzie obok innych metali w wielu minerałach i skałach jako krzemiany. Wapń jest także spotykany w dużych ilościach w formie minerału CaF2 fluorytu i fosforanu wapnia (apatyt, fosforyt). Związki wapnia wchodzą również w skład organizmów roślinnych, zwierzęcych i człowieka. Naturalny wapń to mieszanina pięciu trwałych izotopów: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca, z niewielką ilością jednego długo żyjącego izotopu 48Ca, który jest promieniotwórczy. Wapń jest ważnym, składnikiem organizmów żywych (wchodzi w skład zębów, kości, bierze udział w przesyłaniu impulsów nerwowych). Człowiek o masie 70 kilogramów posiada około 1 kg wapnia. Aż 99% tego pierwiastka występuje głównie w kościach jako fosforan wapnia. Poza tym wapń wchodzi w skład płynów ustrojowych (jako jony wapniowe Ca2+), bierze on udział w bardzo wielu procesach regulacyjnych (na przykład wydzielanie insuliny, neurotransmiterów, hormonów), w procesie krzepnięcia krwi oraz skurczu mięsni szkieletowych. Niedobór wapnia powoduje między innymi deformacje kości i wzmożoną pobudliwość nerwowo-mięśniowa (tężyczka). Wapń nieustannie podlega przemianom, które polegają na wbudowywaniu do kości i szkliwa oraz resorpcji. Prawidłowe stężenie tego pierwiastka redukuje ryzyko wystąpienia chorób serca, udaru, nowotworu jelita grubego oraz kamieni nerkowych. Wapń wspomaga wchłanianie żelaza, łagodzi bezsenność, buduje silne kości i zęby oraz poprawia działanie systemu nerwowego. Niedobór tego pierwiastka może u dzieci powodować krzywicę (głównie w przypadku, gdy występuje również niedobór witaminy D), a u młodzieży bóle kości, związane ze wzrostem. Natomiast u ludzi dorosłych, niedostateczne ilości wapnia w diecie powodują osteoporozę. Ponadto duża podatność na stres, alergia, większa skłonność do stanów zapalnych, bolesne skurcze mięśni oraz nasilone problemy z próchnicą zębów także mogą wskazywać, że brakuje wapnia w organizmie. Wapń i żelazo są dwoma składnikami mineralnymi, których najczęściej brakuje w podstawowym pożywieniu kobiet.

  • metody otrzymywania:

Techniczny sposób otrzymywania wapnia polega na elektrolizie stopionego chlorku wapnia zmieszanego z fluorkiem wapnia lub chlorkiem potasu.

2Cl ® Cl2 + 2e- (reakcja przebiegająca na anodzie)

Ca2+ + 2e- ®Ca (reakcja, która zachodzi na katodzie)

CaCl2 ® Ca + Cl2 (reakcja sumaryczna)

Obecność chlorku potasu, albo fluorku wapnia w mieszaninie jest związana z obniżaniem temperatury topnienia chlorku wapnia. Temperatura elektrolizy nie powinna przekraczać bowiem temperatury potrzebnej do utrzymania mieszaniny tych związków chemicznych w stanie ciekłym. Zwiększenie temperatury stopionych soli powoduje straty wydzielonego na katodzie wapnia. Czysty wapń jest otrzymywany z wapnia otrzymanego poprzez elektrolizę na skutek destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem. Wapń po raz pierwszy został otrzymany w 1808 roku przez angielskiego uczonego H. Davyego jako amalgamat, który był produktem elektrolizy na katodzie rtęciowej.

  • właściwości chemiczne i fizyczne wapnia:

Wapń jest srebrzystobiałym metalem. Jego masa atomowa wynosi 40,078u, natomiast liczba atomowa( liczba porządkowa) to 20. Wapń występuje w formie sześciu izotopów. Są to 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca, 48Ca. Temperatura topnienia wapnia ma wartość 850°C, natomiast temperatura wrzenia 1484°C. Gęstość tego pierwiastka to 1,55g/cm3. Wapń jest metalem twardym, który da się strugać, walcować i toczyć. W powietrzu pierwiastek ten ulega powolniejszemu utlenieniu niż metale alkaliczne. Aby zabezpieczyć wapń przed utleniającym działaniem powietrza przechowuje się go pod naftą.

Konfiguracja elektronowa wapnia ma postać: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2. Posiada on dwa elektrony na powłoce walencyjnej. Taka konfiguracja elektronowa wapnia sprawia, że atomy tego pierwiastka wykazują tendencję do tworzenia jonów dwudodatnich. Atomy wapnia oddając dwa elektrony z ostatniej powłoki, upodobniają się do najbliższego gazu szlachetnego, czyli argonu.

Elektroujemność wapnia ma wartość 1,00, natomiast jego pierwszy potencjał jonizacji jest równy 6,11317[eV]. Wapń posiada promień atomowy wynoszący 223pm. Wapń oraz jego związki zwykle nie są toksyczne, wyjątek stanowi krzemian wapnia. Długotrwałe wdychanie pyłów krzemianu wapnia może powodować pylicę płuc.

Wapń ma silne właściwości redukujące i wykazuje duże powinowactwo do tlenu.

Wapń po zapaleniu łatwo pali się w powietrzu. Produktem spalania jest tlenek wapnia i azotek wapnia Ca3N2. Wapń reaguje także z innymi niemetalami. Ulega on również reakcji z wodą, która zachodzi już w temperaturze pokojowej:

Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2

W wyniku tej reakcji otrzymujemy wodór oraz wodorotlenek wapnia.

Wapń ulega także energicznej reakcji z rozcieńczonymi kwasami, w której wydziela się wodór. W wyniku przepuszczania nad wapniem strumienia wodoru otrzymuje się biały krystaliczny wodorek:

Ca + H2 = CaH2

Wodorek wapnia znany jest w handlu pod nazwą hydrolitu. Wapń reaguje energicznie z fluorowcami tworząc odpowiednie halogenki.

Wapń nie ma szerszego zastosowania praktycznego, natomiast ogromne znaczenia mają jego związki.

Wapno gaszone, palone i woda wapienna:

Tlenek wapnia o wzorze CaO, nazywany jest wapnem palonym i otrzymywany jest poprzez spalanie wapnia w powietrzu, albo w wyniku prażenia wodorotlenku, azotanu lub węglanu wapnia. Technicznie wapno palone jest uzyskiwane na skutek prażenia węglanu wapnia (zwanego potocznie wapieniem) w około 900°C w specjalnie do tego celu przystosowanych piecach, które nazywane są wapiennikami. Reakcja w takim piecu zachodzi według równania:

CaCO3 = CO2 + CaO

Tlenek wapnia to białe, bardzo trudno topliwe ciało stałe. Ten związek chemiczny w wysokiej temperaturze (w piecu elektrycznym) ulega reakcji z węglem tworząc karbid (węglik wapnia CaC2). W reakcji z wodą wapno palone tworzy wodorotlenek wapnia, zgodnie z równaniem:

CaO + H2O = Ca(OH)2

Wodorotlenek wapnia nazywany jest wapnem gaszonym. Proces gaszenia wapna palonego to reakcja odwracalna i egzotermiczna. W wyższej temperaturze wodorotlenek wapnia traci wodę i tworzy z powrotem tlenek wapnia. Tlenek wapnia znalazł zastosowanie do wykładania pieców, w produkcji szkła oraz jako nawóz sztuczny dla kwaśnych gleb. Wodorotlenek wapnia )wapno gaszone) jest to biały, bezpostaciowy proszek, który bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie i jego rozpuszczalność maleje ze wzrostem temperatury. Roztwór wodorotlenku wapnia w wodzie nazywa się wodą wapienną. Zawiesina wodorotlenku wapnia w wodzie to mleko wapienne. Po rozdrobnieniu wapna gaszonego z wodą na papkę i zmieszaniu z piaskiem, otrzymujemy tak zwana zaprawę murarską, która jest stosowana w budownictwie do spajania cegieł i kamieniu oraz do tynkowania. Wodorotlenek wapnia, który jest składnikiem zaprawy murarskiej, wchodzi w reakcję z dwutlenkiem węgla, który jest składnikiem atmosfery, zgodnie z poniższym równaniem:

CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O

W reakcji tej otrzymujemy wodę oraz węglan wapnia (dlatego świeże mury wilgotnieją). Proces ten można przyspieszyć spalając w nowowybudowanych pomieszczeniach koks w żelaznych otwartych paleniskach. Oprócz powyższej reakcji zachodzi również znacznie wolniej reakcja pomiędzy wapnem gaszonym i dwutlenkiem krzemu:

Ca(OH)2 + SiO2 = CaSiO3 + H2O

Utworzony w wyniku tych reakcji węglan i krzemian wapnia nadają zaprawie murarskiej dużą spoistość oraz twardość, w związku z czym stare mury charakteryzują się dużą twardością oraz wytrzymałością. Zaprawa murarska twardnieje przy dostępie powietrza, jednak nie jest ona odporna na działanie wody.

Wodorotlenek wapnia znalazł zastosowanie w przemyśle, jako tania i mocna zasada. Jest także stosowany do oczyszczania cukru, do wyrobu wapna bielącego, w celu wydzielania amoniaku z wody amoniakalnej, wyrobu zaprawy murarskiej, do tynkowania oraz zmiękczania wody. Wodorotlenek wapnia jako woda wapienna jest wykorzystywany w medycynie oraz w chemii analitycznej (w celu wykrycia dwutlenku węgla). Chlorek, siarczan i azotan wapnia są otrzymywane poprzez reakcję odpowiedniego kwasu z wodorotlenkiem lub węglanem wapnia.

Węglan wapnia jest bardzo szeroko rozpowszechniony w przyrodzie, gdzie występuje w różnorodnych postaciach. Krystaliczny węglan wapnia to kalcyt, natomiast jego piękne, bezbarwne kryształy zwane są szpatem islandzkim (ta odmiana jest spotykana w Islandii). Jest on stosowany w budowie przyrządów optycznych, np. polarymetrów. Drobnokrystaliczna odmiana węglanu wapnia nazywa się marmurem. Marmur może przybierać bardzo różne barwy - od śnieżnobiałego do czarnego, a spotyka się także marmury o innej barwie.

Zbity węglan wapnia to wapień. Jest on wykorzystywany do wyrobu wapna palonego i bezwodnika kwasu węglowego. Kreda to również zbity węglan wapnia. Jest ona złożona z małych skorupek mikroorganizmów morskich (otwornic). Perły, korale i skorupki jaj są także zbudowane przede wszystkim z węglanu wapnia.

Węglan wapnia jest bardzo mało rozpuszczalny w wodzie, natomiast rozpuszcza się w wodzie, która zawiera dwutlenek węgla i tworzy wodorowęglan wapnia (kwaśny węglan wapnia):

CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2

Wodorowęglan wapnia może stracić dwutlenek węgla, w wyniku ogrzewania, powstaje wtedy węglan obojętny, który nie jest rozpuszczalny w wodzie i opada na dno.

Węglan wapnia jest stosowany do produkcji szkła i w hutnictwie, jako topnik. Kreda jest używana do pisania, do produkcji pasty do zębów, kitu, farb oraz proszków oczyszczających.

  • twardość wody:

Wszystkie wody naturalne zawierają różnorodne związki chemiczne, takie jak: wodorowęglany magnezu i wapnia ( w mniejszych ilościach manganu oraz żelaza), siarczan wapnia CaSO4, chlorek magnezu MgCl2, siarczan magnezu MgSO4, chlorek sodu NaCl, chlorek wapnia CaCl2, tlenek glinu, krzemionkę, rozpuszczone gazy oraz związki organiczne. sole magnezu oraz wapnia rozpuszczone w wodzie powodują tak zwaną twardość wody. Twardość wody, która jest spowodowana obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu, nazywamy twardością węglanową lub twardością przemijającą, ponieważ może być usunięta przez zagotowanie wody. Na skutek ogrzewania wody (powyżej 60°C), wodorowęglany ulegają rozkładowi:

Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O

Twardość trwałą lub niewęglanową, wywołuje obecność soli: MgCl2, CaCl2, MgSO4, CaSO4, itp., które nie zmieniają się pod wpływem zagotowania wody. Suma twardości trwałej i przemijającej zwana jest twardością całkowitą.

Miara twardości wody są tak zwane stopnie twardości. Wyróżnia się stopnie angielskie, francuskie i niemieckie.

Woda twarda nie może być stosowana do zasilania kotłów parowych, w pralniach oraz w gospodarstwach domowych. Zastosowanie do prania twardej wody powoduje, że piana mydlana nie powstaje od razu. Mydło jest częściowo zużywane na tworzenie nierozpuszczalnego osadu magnezowych i wapniowych soli kwasów tłuszczowych, co powoduje duże zużycie mydła i brudzenie pranych rzeczy.

Rozkład wodorowęglanów na gorąco i odparowanie nasyconych roztworów siarczanu wapnia powoduje powstanie silnie przylegającego do ścian naczynia osadu, zwanego kamieniem kotłowym. Obecność kamienia kotłowego powoduje straty opałowe i może się przyczynić do wybuchu kotłów (w przypadku odpryśnięcia warstwy kamienia). Oczyszczanie wody do zasilania kotłów, czyli tak zwane zmiękczanie może się odbywać na dwa sposoby: przez ogrzewanie wody oraz metodami chemicznymi.

Metoda usuwania twardości poprzez destylację jest bardzo kosztowna i rzadko stosowana. Zmiękczanie wody przez ogrzewanie polega na ogrzaniu wody do temperatury powyżej 60°C. Na skutek ogrzewania woda traci twardość przemijającą, zgodnie z poniższą reakcją:

Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O

Najczęściej stosowanym sposobem zmiękczania wody jest używanie odczynników chemicznych, takich jak soda Na2CO3, wodorotlenek wapnia Ca(OH)2, wodorotlenek sodu NaOH, fosforan sodu Na3PO4. Wodorotlenek wapnia powoduje usunięcie twardości przemijającej w następujący sposób:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 ¯ + 2H2O

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = MgCO3 ¯+ CaCO3 ¯+ 2H2O

Trwała twardość wody, która jest wywołana obecnością rozpuszczonych soli wapnia i magnezu (siarczanu(VI) wapnia, chlorku magnezu, siarczanu(VI) magnezu) może być usunięta poprzez dodanie sody.

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4

  • zastosowanie ważniejszych związków wapnia:

Wapń ma kilka praktycznych zastosowań. Jest on na przykład składnikiem stopów ołowiu i glinu. Stanowi także odtleniacz do żelaza, miedzi, stopów miedzi oraz stali. Jest stosowany także jako środek redukujący do otrzymywania metali z ich tlenków. Jednak bardzo ważne znaczenie mają przede wszystkim związki tego pierwiastka:

Fluorek wapnia jest spotykany w przyrodzie jako minerał, zwany fluorytem. Fluorek wapniowy jest stosowany przede wszystkim jako surowiec do otrzymywania fluorowodoru. Fluoryt jest używany także przy produkcji emalii, ze względu na to, że jest to ciało topliwe znalazł zastosowanie jako topnik w procesie hutniczym.

Chlorek wapnia jest produktem ubocznym wielu procesów zachodzących w przemyśle, głównie powstaje przy otrzymywaniu sody metodą Solvaya. W stanie bezwodnym związek ten jest białym, bardzo higroskopijnym ciałem stałym, którego temperatura topnienia wynosi 780°C. Na skutek rozpuszczenia w wodzie bezwodnego chlorku wapnia wydzielają się duże ilości ciepła. Krystalizuje on z wody pod postacią związku uwodnionego, a bezwodny chlorek wapnia jest otrzymywany na skutek ogrzewania w temperaturze przekraczającej 260°C chlorku uwodnionego. Chlorek wapnia jest stosowany do otrzymywania wapnia. Bezwodny chlorek wapnia jest stosowany do osuszania cieczy i gazów, a roztwory chlorku wapnia wykorzystywane są do impregnowania drewna, które po wykonaniu impregnowania staje się niepalne. Mieszanina uwodnionego chlorku wapnia (CaC2 × 6H2O) z lodem jest mieszaniną oziębiającą, za pomocą której można uzyskać temperaturę około -55°C ( co stanowi 218K). Roztwory chlorku wapnia są wykorzystywane w wielu różnorodnych przypadkach, gdy konieczne jest zmniejszenie prężności pary. Znalazły one także zastosowanie do zwilżania dróg, aby pozbyć się z nich kurzu.

Siarczan(VI) wapnia występuje w przyrodzie w dwóch postaciach, jako bezwodny siarczan wapnia, czyli anhydryt, oraz jako dwuwodny gips, o wzorze CaSO4 × 2H2O. Czysta odmianę gipsu nazywamy alabastrem i jest on wykorzystywany w rzeźbiarstwie. Gips powstaje w wyniku krystalizacji ze słonych jezior i mórz oraz na skutek uwodnienia anhydrytu. Jest on bardzo szeroko rozpowszechniony w Polsce, gdzie spotkać go można pomiędzy Staszowem a Krakowem (przede wszystkim Dolina Nidy) i na dolnym Śląsku. Gips jest wykorzystywany w produkcji materiałów budowlanych (np. cementu, spoiwa szybko wiążącego), w chirurgii, dentystyce, w przemyśle chemicznym, jako materiał dekoracyjny i rzeźbiarski oraz w modelarstwie. Gipsu nie używa się do produkowania ozdób zewnętrznych, ponieważ jest on częściowo rozpuszczalny w wodzie. Gips jest także dodatkiem do farb malarskich, a szczególnie jest stosowany przy drukowaniu tapet w przemyśle papierniczym i do otrzymywania kwasu siarkowego.

Azotan(V) wapnia, czyli saletra norweska jest otrzymywana w reakcji kwasu azotowego(V) i węglanu wapnia:

CaCO3 + 2HNO3Ca(NO3)2 + H2O + CO2.

Azotan wapnia jest silnie higroskopijnym, krystalicznym ciałem stałym, które ma temperaturę topnienia równą 561oC, a jego gęstość wynosi 2,5g/cm3. Saletra norweska jest rozpuszczalna w wodzie oraz alkoholu. Związek ten tworzy jednowodny hydrat (o wzorze Ca(NO3)2 × H2O), który w temperaturze przekraczającej 100oC traci cząsteczkę wody i przechodzi w sól bezwodną. Saletra posiada właściwości utleniające i ma działanie drażniące dla oczu. Higroskopijność saletry norweskiej może być praktycznie całkowicie usunięta poprzez dodanie do niej wapna palonego. Azotan(V) wapnia jest szeroko stosowany jako nawóz sztuczny.

Dolomit to sól podwójna, o wzorze MgCO3. CaCO3, która praktycznie zawsze zawiera domieszki żelaza, czasem także niklu, cynku i kobaltu. Dolomit to główny składnik skał o tej samej nazwie, czyli dolomitów. Wchodzi on również w skład marmurów dolomitowych oraz żyłowych utworów hydrotermalnych. Minerał ten występuje w Polsce w okolicach Olkusza, Bytomia, Zawiercia, na Dolnym Śląsku, w Tatrach i w Górach Świętokrzyskich. Jest on wykorzystywany do produkcji materiałów ogniotrwałych, w budownictwie, jest topnikiem w metalurgii, nawozem i stosuje się go w przemyśle chemicznym.

Fosforan wapnia Ca3(PO4)2 występuje w przyrodzie jako sole podwójne: fosforyt i apatyt. Fosforany to bardzo ważne nawozy sztuczne. Ze względu na to, że fosforan wapnia jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie, może być asymilowany przez rośliny. Rozpuszczalny w wodzie jest z kolei fosforan, który zawiera jeden atom wapnia w swej cząsteczce. W związku z tym naturalne fosforany, które posiadają trzy cząsteczki wapnia w cząsteczce, są przeprowadzane w postać rozpuszczalną w wodzie na skutek działania na nie kwasem siarkowym(VI):

Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 + 4H2O = Ca(H2PO4)2 + 2(CaSO4 × 2H2O)

Powstała w tej reakcji mieszanina nazywa się superfosfatem i jest cennym nawozem fosforowym.

Kolejnym ważnym związkiem wapnia jest węglik wapnia CaC2, czyli tzw. karbid. Jest on substratem w reakcji otrzymywani acetylenu z wodą. Karbid nie jest rozpuszczalny w żadnym z pospolitych rozpuszczalników. Karbid otrzymywany jest przez prażenie tlenku wapnia z węglem:

2CaO + 5C = 2CaC2 + CO2

Czysty węglik wapnia jest to biała krystaliczna substancja, o temperaturze topnienia około 2300°C. Natomiast karbid techniczny ma szare zabarwienie i jest on zanieczyszczony węglem, tlenkiem wapnia oraz fosforkiem wapnia Ca3P2. Pod wpływem reakcji z wodą, karbid ulega rozkładowi dając wodorotlenek wapnia i etyn (acetylen):

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2

Karbid w warunkach normalnych ulega egzotermicznej reakcji z woda dając acetylen:

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2.

Dawniej węglik wapnia był źródłem światła w przenośnych lampkach tzw. karbidówkach i w latarniach morskich ( na skutek bezpośredniego spalania acetylenu). Znalazł on także zastosowanie w produkcji acetylenu oraz ze względu na swoje właściwości redukujące w hutnictwie metali ciężkich.

Metafosforan wapnia Ca(PO3)2 jest otrzymywany poprzez działanie w wysokich temperaturach parami pięciotlenku difosforu na apatyty albo fosforyty. W jego skład wchodzi około 28,3% fosforu i ma on podobne działanie do superfosfatu. Związek ten jest mineralnym nawozem fosforowym.

Ankeryt to nazwa minerału, który jest solą o wzorze CaFe[CO3]2. Czasami minerał ten zawiera pewne domieszki manganu lub magnezu. Ulega on krystalizacji w układzie trygonalnym, a jego barwa może być czerwona, zielona bądź brunatna. Minerał ten tworzy się w wyniku metasomatozy, czyli wypierania w dolomicie magnezu przez żelazo. Duże pokłady tego minerału znajdują się na Węgrzech i w Bułgarii (okolice Sofii). Ankeryt jest bardzo cennym surowcem metalurgicznym.