• Ogólne wiadomości o wapniu:

Wapń (symbol Ca, z łac. calcium) należy do drugiej grupy układu okresowego, zwanej berylowcami. Jego liczba atomowa wynosi 20, natomiast masa atomowa 40,08. Wapń jest miękkim, srebrzystobiałym i lekkim metalem. Temperatura wrzenia wapnia ma wartość1487ºC, temperatura topnienia wynosi 839ºC, natomiast gęstość 1,55g/cm3. Jest to bardzo aktywny pod względem chemicznym i silnie elektrododatni pierwiastek. Wapń reaguje z tlenem, znajdującym się w powietrzu, dlatego przechowywany jest zwykle pod naftą. Pierwiastek ten rozkłada wodę i tworzy wodorotlenek wapnia Ca(OH)2. Ulega on także bezpośredniej reakcji z fluorowcami, azotem i siarka. Lotne sole tego pierwiastka zabarwiają płomień na kolor pomarańczowoczerwony. Wapń w powietrzu utlenia się wolniej niż metale alkaliczne. Pierwiastek ten w swoich połączeniach występuje na +II stopniu utlenienia. Pomimo tego, że pierwiastek ten znano już w czasach prehistorycznych, metaliczny wapń otrzymano dopiero w 1808 roku. Dokonał tego H. B. Davy, który wykonał elektrolizę mieszaniny tlenku rtęci(II) i wapna palonego.

Wapń oraz jego sole nie są przeważnie związkami toksycznymi. Wyjątek stanowi krzemian wapnia o wzorze CaSiO3. Wdychanie pyłów tego związku przez długi okres czasu może powodować pylicę płuc.

Głównymi izotopami (odmiany tego samego pierwiastka, posiadające różną liczbę neutronów w jądrze. Izotopy mają te same właściwości chemiczne, natomiast różnią się właściwościami fizycznymi.) wapnia są 40Ca (96,9%) oraz 44Ca (2,1%). Konfiguracja elektronowa wapnia wygląda następująco: [Ar]4s2. Wapń posiada dwa elektrony na powłoce walencyjnej.

  • Występowanie w przyrodzie:

Wapń jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie, gdzie spotykany jest jedynie w stanie związanym. W przyrodzie pierwiastek ten występuje w postaci licznych związków, z których najbardziej rozpowszechnionym jest węglan wapnia. Wapń występuje także w przyrodzie w postaci glinokrzemianów i krzemianów. Jako węglan wapnia CaCO3, tworzy dwie odmiany krystaliczne: rombowy aragonit oraz kalcyt, który ma budowę heksagonalną. Kalcyt wchodzi w skład takich skał jak wapienie, marmur i kreda, tworzących bogate złoża, a nawet całe łańcuchy górskie. Siarczan wapnia występuje obficie w postaci bezwodnej jako anhydryt, CaSO4, oraz jako gips, który jest formą uwodnioną i ma wzór CaSO4 2H2O. Minerałami, będącymi solami wapnia, są również: apatyt Ca3(PO4)2 Ca(Cl, F)2, fosforyt Ca3(PO4)2 i fluoryt CaF2. Połączenia wapnia, przede wszystkim ortofosforan wapnia, są składnikami szkieletu organizmów roślinnych oraz zwierzęcych. Wapń jest również składnikiem kości i zębów.

  • Otrzymywanie wapnia:

Wapń jest otrzymywany poprzez elektrolizę stopionego chlorku wapnia zmieszanego z fluorkiem wapnia lub chlorkiem potasu. Obecność fluorku wapnia lub chlorku potasu obniż temperaturę topnienia chlorku wapnia. Temperatura elektrolizy nie powinna być wyższa od temperatury potrzebnej do utrzymania mieszaniny tych soli w stanie ciekłym. Podwyższenie temperatury stopionych soli powoduje straty wydzielonego na katodzie wapnia. Czysty wapń jest otrzymywany z wapnia otrzymanego w wyniku elektrolizy poprzez destylację pod zmniejszonym ciśnieniem. Wapń po raz pierwszy otrzymał Davy w 1808 roku przez zastosowanie elektrolizy.

reakcja zachodząca na anodzie:

reakcja przebiegająca na katodzie:

sumarycznie:

  • Związki chemiczne wapnia:

Tlenek wapnia CaO, zwany potocznie wapnem palonym jest białym higroskopijnym proszkiem, którego temperatura topnienia wynosi 2567ºC, jest to zatem związek trudno topliwy. Tlenek wapnia pochłania dwutlenek węgla, który znajduje się w powietrzu. Wapno palone ulega bardzo gwałtownej reakcji z wodą. Podczas tej reakcji wydzielają się bardzo duże ilości ciepła, a reakcja ta nazywa się gaszeniem wapna:

CaO + H2O = Ca(OH)2

Powstający wodorotlenek wapnia jest to bezpostaciowy proszek, który z większą ilością wody tworzy hydrożel używany w mieszaninie z piaskiem jako zaprawa murarska.

Na skale techniczną tlenek wapnia otrzymuje się poprzez prażenie wapieni w bardzo wysokich temperaturach (około 1000ºC):

CaCO3 = CaO + CO2

Produkt zwany wapnem palonym jest wykorzystywany w budownictwie, przemyśle metalurgicznym, chemicznym, szklarskim oraz do celów nawozowych

Tlenek wapnia znalazł zastosowanie do otrzymywania zaprawy murarskiej, jako topnik w przemyśle szklarskim i ceramicznym, środek owadobójczy, w produkcji karbidu, w rolnictwie służy do zmniejszenia zakwaszenia gleb. CaO jest również wykorzystywany do defekacji w cukrownictwie, w garbarstwie w celu usuwania włosów ze skór oraz stanowi on surowiec do otrzymywania farb wapiennych. Służy on również do oczyszczania gazów i zmydlania tłuszczów podczas otrzymywania stearyny.

Nadtlenek wapnia CaO2 może być otrzymany na skutek reakcji tlenku wapniowego z nadtlenkiem wodoru:

CaO + H2O2 = CaO2 + H2O

Wodorotlenek wapnia (wapno gaszone) ma wzór Ca(OH)2. Jest on białą krystaliczną substancją, która trudno rozpuszcza się w wodzie. Wodna zawiesina tego związku w wodzie nosi nazwę mleka wapiennego, natomiast klarowny, nasycony roztwór jest zwany wodą wapienną. Wodorotlenek wapnia jest otrzymywany w reakcji tlenku wapnia z wodą. Reakcja ta nosi nazwę gaszenia wapna i w czasie jej trwania wydzielają się znaczne ilości ciepła.

Wodorotlenek wapnia jest wykorzystywany do otrzymywania wodorotlenku sodu, wodorotlenku potasu, sody oraz innych związków zawierających wapń. Jest on również środkiem bakteriobójczym.

Azotan(V) wapnia Ca(NO3)2 to tzw. saletra norweska. Ten związek nieorganiczny występuje jako bezbarwne kryształy, które są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie. Związek ten ma ponadto silne właściwości higroskopijne. Higroskopijność można praktycznie całkowicie usunąć poprzez dodanie wapna palonego. Azotan wapnia otrzymuj się na skutek reakcji węglanu wapnia i kwasu azotowego:

CaCO3 + 2HNO3 = 14Ca(NO3)2 + CO2 + H2O

Azotan(V) wapnia występuje w niewielkich ilościach w przyrodzie. Saletra wapniowa znalazła zastosowanie jako nawóz mineralny.

Węglan wapnia CaCO3 występuje w przyrodzie w dwóch postaciach krystalicznych: jako heksagonalny kalcyt i aragonit, który ma budowę rombową. Osad węglanu wapnia wytrącony na gorąco z rozcieńczonych roztworów wykazuje strukturę nietrwałego aragonitu i z biegiem czasu przechodzi w kalcyt. Osad strącony na zimno jest bezpostaciowy i również stopniowo przechodzi w kalcyt. Węglan wapnia trudno rozpuszcza się w czystej wodzie, natomiast charakteryzuje się dosyć dobrą rozpuszczalnością w roztworach chlorku amonu. Na skutek działania na węglan wapnia wodnych roztworów dwutlenku węgla otrzymujemy dobrze rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2

Reakcja ta jest odwracalna i zmniejszenie ilości dwutlenku węgla w roztworze (na przykład w wyniku zagotowania) powoduje ponowne wytracenie obojętnego węglanu. Proces rozpuszczania węglanu wapnia w wodzie zawierającej duże ilości CO2 i ponowne strącanie węglanu zachodzą w przyrodzie. Wody podziemne, które zawierają dwutlenek węgla rozpuszczają skały wapienne. Wydostając się na powierzchnię tracą go i powstaje węglan. Procesy te powodują powstanie grubych warstw węglanu wapnia na ścianach jaskiń i powstają stalagmity oraz stalaktyty.

Obecność wodorowęglanu wapnia w wodzie pitnej jest pożądana, ponieważ związek ten polepsza jej walory smakowe. Natomiast woda przeznaczona do celów przemysłowych oraz używana w gospodarstwach domowych powinna zawierać małe ilości wodorowęglanu wapnia, ponieważ zwiększa on tzw. twardość wody. Twardość wody jest spowodowana przez obecność w wodzie soli magnezu oraz wapnia (chlorków, siarczanów i wodorowęglanów). Te wody, które są twarde dają z mydłem dużo białego osadu soli wapniowych kwasów stearynowego i palmitynowego (mydło to sól sodowa tych kwasów). Gdy gotujemy wodę twardą wodorowęglan wapnia przechodzi w CaCO3, co przyczynia się do zmniejszenia jej twardości. Twardość wody, które przechodzi po zagotowaniu zwana jest twardością przemijającą. Natomiast twardość trwała, której nie da się usunąć przez zagotowanie pochodzi przeważnie od CaSO4 i można ją usunąć poprzez dodanie do wody niewielkiej ilości Na2CO3:

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4

Twardość wody zmniejsza znacznie dodatek polifosforanów sodu, przede wszystkim Na5P3O10, które są stosowane przy wyrobie proszków do prania. jony polifosforanowe tworzą z jonami wapniowymi i magnezowymi kompleksy, które nie ulegają wytrącaniu na włóknach tkanin po dodaniu mydła.

Miarą twardości wody są tak zwane stopnie twardości. Wyróżniamy stopnie niemieckie, francuskie i angielskie. Wody twardej nie można stosować do zasilania kotłów parowych, w gospodarstwach domowych, ani w pralniach. Przy zastosowaniu do prania wody twardej nie tworzy się od razu piana mydlana.

Węglan wapnia jest wykorzystywany do otrzymywania past do zębów, papieru, kitu, farb, gum, cementu, kredy do pisania oraz wapna palonego.

Dwuwodorofosforan(V) wapnia posiada wzór Ca(H2PO4)2. Jest on bezbarwną substancją krystaliczną. Związek ten traci wodę krystalizacyjną w temperaturze przekraczającej 109ºC. Dwuwodorofosforan(V) wapnia rozpuszcza się w wodzie oraz kwasach, a otrzymywany jest na skutek reakcji kwasu siarkowego i fosforanu wapnia:

Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 = Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4

Związek ten znalazł zastosowanie do produkcji szkła, jako składnik nawozów sztucznych oraz proszku do pieczenia.

Węglik wapnia, którego nazwa techniczna brzmi karbid ma wzór CaC2. Jest on bezbarwna masą krystaliczną, która nie rozpuszcza się w zasadach oraz kwasach. Temperatura topnienia karbidu wynosi 2300ºC. W reakcji z wodą tworzy on etyn (acetylen):

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2

Na dużą skalę węglik wapnia jest otrzymywany z koksu i wapienia poprzez ogrzewanie ich mieszaniny w łukowych piecach elektrycznych:

CaO + 3C = CaC2 + CO

Węglik wapnia wykorzystywany jest do otrzymywania acetylenu i azotniaku. Jest on również środkiem redukującym rudy oraz tlenki metali.

Siarczan wapnia CaSO4 występuje w przyrodzie jako gips (dwuhydrat o wzorze CaSO4 2H2O) oraz jako bezwodny siarczan CaSO4, zwany anhydrytem. Czysta odmiana gipsu nosi nazwę alabastru i jest wykorzystywana w rzeźbiarstwie. Siarczan wapnia nie jest zbyt dobrze rozpuszczalny w wodzie. W temperaturze poniżej 333K w równowadze z roztworem nasyconym jest gips. Powyżej tej temperatury w równowadze z roztworem nasyconym znajduje się anhydryt. Gips, ogrzewany, oddaje wodę dopiero w temperaturze powyżej 373K i przechodzi w gips półwodny o wzorze CaSO41/2H2O, który ma zdolność do ponownego wiązani wody i może zastygać po zarobieniu z wodą w postaci białej, porowatej i twardej masy. W temperaturze około 460Kgips całkowicie traci wodę, jednak wykazuje jeszcze zdolność do jej ponownego związania. Ta zdolność znika po podniesieniu temperatury do 600K. W 1300K zachodzi rozkład gipsu do CaO. Odwodniony gips, tzw. gips sztukatorski ma szerokie zastosowanie w budownictwie.

Zastosowanie gipsu do odlewania rzeźb polega na tym, że papka wlana do formy łatwo twardnieje odtwarzając wiernie jej kształt. Gips jest również wykorzystywany w chirurgii - do unieruchomienia części ciała w wypadku złamania kości.

Siarczek wapnia CaS powstaje na skutek redukcji gipsu za pomocą węgla w wysokich temperaturach:

CaSO4 + 4C = CaS + 4CO

Siarczek wapnia łatwo ulega hydrolizie. Wykorzystywany jest w garbarstwie do pozbywania się włosów ze skór.

Fluorek wapnia CaF2 występuje w przyrodzie w postaci minerału, zwanego fluorytem w postaci pięknych kryształów, często zabarwionych na zielono, albo wykazujących fiołkową fluorescencję. Fluorek wapnia ma regularna sieć przestrzenną i jest on wykorzystywany przede wszystkim jako surowiec do otrzymywania fluorowodoru:

CaF2 + H2SO4 = CaSO4 + 2HF

Fluoryt jest także stosowany przy otrzymywaniu emalii, a ponieważ jest on ciałem topliwym jest wykorzystywany jako topnik w procesach hutniczych.

Chlorek wapnia CaCl2 powstaje w dużych ilościach jako produkt uboczny różnych procesów chemicznych w przemyśle, a głównie przy otrzymywaniu sody przy zastosowaniu metody Solvaya. Bezwodny chlorek wapnia jest rozpuszczalny w wodzie, przy czym wydziela się znaczna ilość ciepła. W stanie bezwodnym chlorek wapnia to białe ciało stałe, o silnych właściwościach higroskopijnych. Chlorek wapnia z wody krystalizuje w postaci uwodnionej, natomiast bezwodny CaCl2 jest otrzymywany z chlorku uwodnionego przez ogrzewanie w temperaturze wyższej niż 260ºC. Proces ten należy prowadzić ostrożnie, ponieważ szybkie ogrzewanie powoduje częściową hydrolizę chlorku wapnia i powstanie chlorowodoru. Przeważnie chlorku wapnia nie odwadnia się całkowicie. Uwodniony chlorek jest rozpuszczalny w wodzie i pochłania przy tym duże ilości ciepła, dlatego jest on wykorzystywany do otrzymywania mieszaniny oziębiającej. Chlorek wapnia wykorzystywany jest do otrzymywania wapnia. Bezwodny CaCl2 służy do osuszania cieczy oraz gazów, a roztwory chlorku wapnia wykorzystywane są do impregnowania drewna, które na skutek tego staja się niepalne. Chlorek wapnia tworzy połączenia nie tylko z wodą, lecz również z amoniakiem oraz z alkoholem, w związku z czym do osuszania tych substancji stosowane jest wapno palone.

Bromek wapnia CaBr2 tworzy sześciowodne oraz trójwodne hydraty. Związek ten łatwiej ulega rozpuszczeniu w wodzie niż chlorek wapnia.

Węglan wapnia i żelaza CaFe(CO3)2 występuje w przyrodzie jako minerał ankeryt, który może zawierać również pewne ilości manganu i magnezu. Ten związek chemiczny krystalizuje w układzie trygonalnym. Jest on zielony, brunatny albo czerwony. Tworzy się on na skutek metasomatozy, w wyniku wyparcia magnezu przez żelazo w dolomicie. Jest on cennym surowcem metalurgicznym, który występuje na Węgrzech i w Bułgarii.

Krzemian wapnia i żelaza CaFe(CO3)2 jest spotykany w przyrodzie w postaci minerału, zwanego zoizytem. Ulega on krystalizacji w układzie rombowym i występuje przeważnie jako ziarniste, zbite lub włókniste skupienia. Jego twardość to 6-6,5 w skali Mohsa. Minerał ten posiada szarą, zieloną, szarobiałą, albo brązową barwę. Odmiana, która ma kolor niebieski zwana jest tanzanitem, natomiast odmiana różowa to thullit. Zoizyt ma szklisty, bądź perłowy połysk. Jest on spotykany w metamorficznych skałach, które utworzyły się na skutek działania dużego ciśnienia i niskiej temperatury oraz w skałach magmowych. Największe pokłady tego minerału znajdują się w Norwegii, Austrii, Szwajcarii, Tanzanii i Stanach Zjednoczonych. Zoizyt występuje również w Polsce. Jego złoża znajdują się na Dolnym Śląsku (w okolicach Ząbkowic Śląskich, Jordanowa oraz Kłodzka).

  • Zastosowanie wapnia:

Wapń zaliczany jest do makroelementów, a jego związki kompleksowe z białkami pełnią bardzo ważne funkcje w organizmie i biorą udział w różnych procesach fizjologicznych i biochemicznych (np. praca mięśni).

Wapń znalazł zastosowanie jako reduktor służący do otrzymywania wielu metali z rud, na przykład: toru, uranu, cyrkonu, miedzi. Jest on także używany jako dodatek do utwardzania stopów łożyskowych. Wykorzystywany jest tez do odsiarczania metali.

Ogromne znaczenie mają związki wapnia. Wodorotlenek wapnia, zwany wapnem gaszonym jest stosowany w budownictwie do produkcji zaprawy murarskiej. Węgla wapnia jest kamieniem budowlanym, natomiast siarczan wapnia jest dodawany do cementu oraz jest to gips sztukatorski.

Wapno palone (czyli tlenek wapnia), który stanowi higroskopijny, biały proszek otrzymywany na skutek prażenia węglanu wapnia, znalazł zastosowanie w metalurgii, przemyśle ceramicznym, szklarskim oraz do produkcji zaprawy murarskiej. Tlenek wapnia wykorzystuje się także do wapnowania gleby. Poprzez działanie na wapno palone wodą (tzw. gaszenie wapna) otrzymuje się wodorotlenek wapnia, który nazywany jest wapnem gaszonym. Związek ten jest tania zasadą oraz środkiem bakteriobójczym. Wykorzystywany jest do dezynfekcji, a także bielenia wnętrz, do oczyszczania soku buraczanego i otrzymywania wapna chlorowanego. Wapno gaszone wchodzi także w skład zaprawy murarskiej, która jest mieszaniną piasku, wody i wapna gaszonego. Sole wapnia znalazły zastosowanie jako nawozy do obniżenia kwasowości gleby, przede wszystkim w przypadku roślin takich jak koniczyna, pszenica, lucerna i jęczmień. Nawozami nazywamy substancje, które zawierają składniki pokarmowe, które są konieczne do prawidłowego rozwoju roślin. Są to np. wapń, fosfor, potas, azot, siarka, magnez i mikroelementy. Nawozy są dostarczane do roślin w wyniku nawożenia, które jest stosowane, aby zwiększyć zbiory i poprawić własności gleb. Nawozy można podzielić na: naturalne i mineralne.

Chlorek wapnia i tlenek wapnia ze względu na swoje właściwości związane z pochłanianiem wody są stosowane jako materiały osuszające. Fluorek wapnia znalazł zastosowanie w produkcji szkła optycznego. Inny związek wapnia, węglik wapnia, który zwany jest karbidem, wykorzystywany jest do otrzymywania etynu. Tlenek wapnia wchodzi w skład ceramicznych nadprzewodników wysokotemperaturowych.

  • Ciekawe doświadczenia z udziałem związków wapnia:

Płonąca galaretka:

Do wykonania tego doświadczenia potrzebne są: etanol, wskaźnik (np. fenoloftaleina), octan wapnia. Na skutek zmieszania tych dwóch substancji powstaje kolorowa galaretka, która jest palna. Galaretka ta powstaje, na skutek istnienia wiązań wodorowych.

Chemiczna roślina:

Potrzebna jest probówka oraz następujące odczynniki: szkło wodne, czyli roztwór krzemianu sodu w wodzie, oraz chlorek wapnia. Do probówki wlewamy szkło wodne i dodajemy wody. Następnie wrzuca się jeden mały kryształ chlorku wapnia. Po chwili można zaobserwować wzrost chemicznej rośliny, który odbywa się do pewnego momentu. Wzrost ten odbywa się na skutek działania siły osmotycznej. Wrzucony kryształ otacza się błoną, która jest półprzepuszczalna i utworzona przez krzemian wapnia. Aby zaszło wyrównanie stężeń woda chce się dostać do wnętrza przez błonę. Następnie błona pęka i roztwór się wylewa. Potem powstaje kolejna błona itd. Cykl ten powtarza się do tego czasu, aż substraty (szkło wodne i chlorek wapnia) nie przereagują ze sobą do końca. Proces ten można przedstawić za pomocą następującego równania sumarycznego:

CaCl2 + Na2SiO2 = 2NaCl + CaSiO3