vápnik v prírode. Chemické a fyzikálne vlastnosti vápnika, jeho interakcia s vodou

Vápnik bol človeku známy už v staroveku vo forme alkalických zlúčenín, ako je krieda alebo vápenec. Vo svojej čistej forme bol tento prvok získaný začiatkom 19. storočia. Zároveň sa zistilo, že z hľadiska základných vlastností patrí vápnik medzi alkalické kovy.

Vápnik hrá dôležitú biologickú úlohu – je hlavnou makroživinou kostry (vrátane vonkajšej) u väčšiny druhov na planéte, je súčasťou hormónov a je regulátorom interakcií neurónov a svalov. Chemicky čistý vápnik sa používa pri rôznych reakciách, v metalurgii a v mnohých iných odvetviach.

všeobecné charakteristiky

Vápnik je jedným z typických členov rodiny aktívnych alkalických kovov. Vo svojej čistej forme, textúrou a vzhľadom, pripomína železo, s menej výrazným leskom. Krehký, láme sa tvorbou heterogénnych kryštalických granúl. Vápnik je známy predovšetkým vo forme svojich zlúčenín (krieda, vápenec, oxid kremičitý a iné), kde pôsobí ako belavá drobivá látka.

Nenachádza sa vo svojej čistej forme kvôli vysokej reaktivite. Je súčasťou väčšiny minerálov, medzi ktorými má najväčší význam mramor, žula, alabaster a niektoré ďalšie cenné horniny.

Základné fyzikálne a chemické vlastnosti

Patrí do druhej skupiny periodickej sústavy prvkov a vykazuje podobné fyzikálne vlastnosti ako ostatní predstavitelia alkalickej skupiny:

• Relatívne nízka hustota (1,6 g/cm3);
• Hranica teploty topenia - 840 0 C za normálnych podmienok;
• Priemerná tepelná vodivosť je vo všeobecnosti výrazne nižšia ako u väčšiny kovov;

Vo všeobecnosti fyzika vápnika nepredstavuje žiadne zvláštne prekvapenie. Tento prvok, ktorý má typickú kryštálovú mriežku, má pomerne nízku pevnosť a takmer nulovú ťažnosť, ľahko sa drobí a láme s vytvorením charakteristického kryštálového vzoru na hranici lomu.

Nedávne štúdie však ukázali niekoľko veľmi zaujímavých výsledkov. Zistilo sa, že pri vysokom atmosférickom tlaku sa fyzikálne vlastnosti prvku začínajú meniť. Objavujú sa vlastnosti polovodičov, ktoré sú pre akékoľvek kovy absolútne necharakteristické. Extrémny tlak vedie k objaveniu sa vápnika a supravodivých vlastností. Tieto štúdie majú ďalekosiahle dôsledky, ale rozsah vápnika je zatiaľ obmedzený na jeho obvyklé vlastnosti.

Vápnik vo svojich chemických vlastnostiach nijako nevyniká a je typickým kovom alkalických zemín:

• Vysoká reaktivita;
• Ochotná interakcia s atmosférou a vytvorenie charakteristického matného filmu na povrchu prvku;
• Aktívne interaguje s vodou, ale na rozdiel od prvkov, ako je sodík, nedochádza k výbušnej exotermickej reakcii;
• Reaguje so všetkými aktívnymi nekovmi vrátane jódu a brómu;

Na rozdiel od aktívnejších alkalických kovov potrebuje vápnik na reakciu s kovmi a relatívne inertnými prvkami (napríklad s uhlíkom) katalyzátor alebo silné zahrievanie. Vápnik sa skladuje v tesne uzavretých sklenených nádobách, aby sa zabránilo spontánnym reakciám.

Vápnik je jednou z piatich najbežnejších látok na planéte, hneď po kyslíku, kremíku a hliníku so železom. Navyše v prírode sa tento prvok vyskytuje najmä vo forme pevných alebo sypkých minerálov. Najznámejšou zlúčeninou vápnika je vápenec. Vápnik tiež tvorí širokú škálu rôznych minerálov, od vyššie spomínanej žuly a mramoru až po menej bežné baryty a ryhy. Podľa približných odhadov výskumníkov je obsah vápnika v čistom ekvivalente asi 3,4 % hmotnosti.

Rozsah priemyselného použitia

V priemyselnej sfére je vápnik zaradený do skupiny veľmi žiadaných materiálov pre účely metalurgie. S jeho pomocou sa získavajú rafinované kovy vrátane uránu a tória, ako aj niektoré prvky vzácnych zemín. Prídavok vápnika do tavenín ocele prispieva k viazaniu a odstraňovaniu voľného kyslíka, čo zlepšuje štrukturálne vlastnosti kovovej zliatiny. Vápnik sa používa aj ako elektrolytický prvok v akumulátoroch a batériách.

Vápnik sa nachádza v štvrtej veľkej perióde, druhá skupina, hlavná podskupina, poradové číslo prvku je 20. Podľa Mendelejevovej periodickej tabuľky je atómová hmotnosť vápnika 40,08. Vzorec najvyššieho oxidu je CaO. Vápnik má latinský názov vápnik, takže symbol atómu prvku je Ca.

Charakteristika vápnika ako jednoduchej látky

Za normálnych podmienok je vápnik strieborno-biely kov. S vysokou chemickou aktivitou je prvok schopný tvoriť veľa zlúčenín rôznych tried. Prvok má hodnotu pre technické a priemyselné chemické syntézy. Kov je široko distribuovaný v zemskej kôre: jeho podiel je asi 1,5%. Vápnik patrí do skupiny kovov alkalických zemín: po rozpustení vo vode dáva alkálie, ale v prírode sa vyskytuje vo forme viacerých minerálov a. Morská voda obsahuje vápnik vo vysokých koncentráciách (400 mg/l).

Charakteristiky vápnika závisia od štruktúry jeho kryštálovej mriežky. Tento prvok má dva typy: kubický plošne centrický a objemovo centrický. Typ väzby v molekule je kovový.

Prírodné zdroje vápnika:

• apatit;
• alabaster;
• sadra;
• kalcit;
• fluorit;
• dolomit.

Fyzikálne vlastnosti vápnika a spôsoby výroby kovu

Za normálnych podmienok je vápnik v pevnom stave agregácie. Kov sa topí pri 842 °C. Vápnik je dobrý elektrický a tepelný vodič. Pri zahrievaní prechádza najprv do kvapaliny a potom do parného stavu a stráca svoje kovové vlastnosti. Kov je veľmi mäkký a dá sa rezať nožom. Vrie pri 1484 °C.

Pod tlakom vápnik stráca svoje kovové vlastnosti a elektrickú vodivosť. Potom sa však obnovia kovové vlastnosti a objavia sa vlastnosti supravodiča, niekoľkonásobne väčšie ako ostatné.

Po dlhú dobu nebolo možné získať vápnik bez nečistôt: kvôli vysokej chemickej aktivite sa tento prvok v prírode nevyskytuje v čistej forme. Prvok bol objavený začiatkom 19. storočia. Vápnik ako kov prvýkrát syntetizoval britský chemik Humphrey Davy. Vedec objavil vlastnosti interakcie tavenín pevných minerálov a solí s elektrickým prúdom. V súčasnosti zostáva elektrolýza vápenatých solí (zmesi chloridov vápnika a draslíka, zmesi fluoridu vápenatého a chloridu vápenatého) najdôležitejšou metódou výroby kovu. Vápnik sa tiež extrahuje z jeho oxidu pomocou aluminotermie, čo je metóda bežná v metalurgii.

Chemické vlastnosti vápnika

Vápnik je aktívny kov, ktorý vstupuje do mnohých interakcií. Za normálnych podmienok ľahko reaguje a vytvára zodpovedajúce binárne zlúčeniny: s kyslíkom, halogénmi. Kliknutím získate viac informácií o zlúčeninách vápnika. Pri zahrievaní vápnik reaguje s dusíkom, vodíkom, uhlíkom, kremíkom, bórom, fosforom, sírou a ďalšími látkami. Na čerstvom vzduchu okamžite interaguje s kyslíkom a oxidom uhličitým, preto sa pokryje sivým povlakom.

Prudko reaguje s kyselinami, niekedy sa vznieti. V soliach má vápnik zaujímavé vlastnosti. Napríklad jaskynné stalaktity a stalagmity sú uhličitan vápenatý, ktorý sa postupne vytvára z vody, oxidu uhličitého a hydrogenuhličitanu v dôsledku procesov vo vnútri podzemnej vody.

Vápnik sa pre svoju vysokú aktivitu v normálnom stave skladuje v laboratóriách v tmavom uzavretom skle pod vrstvou parafínu alebo petroleja. Kvalitatívnou reakciou na vápenatý ión je sfarbenie plameňa do bohatej tehlovočervenej farby.

Kov v zložení zlúčenín možno identifikovať pomocou nerozpustných zrazenín niektorých solí prvku (fluorid, uhličitan, síran, kremičitan, fosforečnan, siričitan).

Reakcia vody s vápnikom

Vápnik je uložený v bankách pod vrstvou ochrannej tekutiny. Ak chcete vykonať, demonštrovať, ako prebieha reakcia vody a vápnika, nemôžete len získať kov a odrezať z neho požadovaný kus. Kovový vápnik v laboratóriu sa ľahšie používa vo forme hoblín.

Ak nie sú žiadne kovové hobliny a v banke sú iba veľké kusy vápnika, budete potrebovať kliešte alebo kladivo. Hotový kus vápnika požadovanej veľkosti sa umiestni do banky alebo pohára s vodou. Vápnikové hobliny sa umiestnia do misky v gázovom vrecku.

Vápnik klesá na dno a začína sa vývoj vodíka (najskôr v mieste, kde sa nachádza čerstvý zlom kovu). Postupne sa z povrchu vápnika uvoľňuje plyn. Proces pripomína rýchly var, súčasne vzniká zrazenina hydroxidu vápenatého (hasené vápno).

Kúsok vápnika sa vznáša hore, zachytený bublinami vodíka. Asi po 30 sekundách sa vápnik rozpustí a voda sa zakalí na bielu v dôsledku tvorby hydroxidovej kaše. Ak sa reakcia neuskutoční v kadičke, ale v skúmavke, možno pozorovať vývoj tepla: skúmavka sa rýchlo zahreje. Reakcia vápnika s vodou nekončí veľkolepým výbuchom, ale interakcia dvoch látok prebieha búrlivo a vyzerá efektne. Zážitok je bezpečný.

Ak sa vrecúško so zvyšným vápnikom vyberie z vody a drží na vzduchu, tak po chvíli v dôsledku prebiehajúcej reakcie dôjde k silnému zahriatiu a zvyšok v gáze vykypí. Ak sa časť zakaleného roztoku prefiltruje cez lievik do kadičky, potom sa pri prechode oxidu uhoľnatého CO₂ cez roztok vytvorí zrazenina. Na to nie je potrebný oxid uhličitý – vydychovaný vzduch môžete do roztoku vháňať cez sklenenú trubicu.

Ufa State Petroleum Technical University

Katedra všeobecnej a analytickej chémie

Prezentácia na tému: "Prvok vápnik. Vlastnosti, získavanie, aplikácia "

Pripravil študent skupiny BTS-11-01 Prokaev G.L.

Docent Krasko S.A.

Úvod

História a pôvod mena

Byť v prírode

Potvrdenie

Fyzikálne vlastnosti

Chemické vlastnosti

Aplikácie kovového vápnika

Použitie zlúčenín vápnika

Biologická úloha

Záver

Bibliografia

Úvod

Vápnik je prvkom hlavnej podskupiny druhej skupiny, štvrtej periódy periodického systému chemických prvkov D. I. Mendelejeva, s atómovým číslom 20. Označuje sa symbolom Ca (lat. Vápnik). Jednoduchá látka vápnik (číslo CAS: 7440-70-2) je mäkký, reaktívny, strieborno-biely kov alkalických zemín.

Vápnik sa nazýva kov alkalických zemín, je klasifikovaný ako prvok S. Na vonkajšej elektronickej úrovni má vápnik dva elektróny, takže dáva zlúčeniny: CaO, Ca (OH) 2, CaCl2, CaSO4, CaCO3 atď. Vápnik patrí medzi typické kovy - má vysokú afinitu ku kyslíku, redukuje takmer všetky kovy z ich oxidov a tvorí pomerne silnú zásadu Ca (OH) 2.

Napriek všadeprítomnosti prvku #20 dokonca ani chemici nevideli elementárny vápnik. Ale tento kov, ako navonok, tak aj v správaní, nie je vôbec podobný alkalickým kovom, ktorých kontakt je plný nebezpečenstva požiarov a popálenín. Dá sa bezpečne skladovať na vzduchu, od vody sa nevznieti.

Elementárny vápnik sa takmer nikdy nepoužíva ako konštrukčný materiál. Na to je príliš aktívny. Vápnik ľahko reaguje s kyslíkom, sírou, halogénmi. Dokonca aj s dusíkom a vodíkom za určitých podmienok reaguje. Prostredie oxidov uhlíka, inertné pre väčšinu kovov, je agresívne pre vápnik. Horí v atmosfére CO a CO2.

História a pôvod mena

Názov prvku pochádza z lat. calx (v genitívnom prípade calcis) - "vápno", "mäkký kameň". Navrhol to anglický chemik Humphrey Davy, ktorý v roku 1808 izoloval kovový vápnik elektrolytickou metódou. Davy elektrolyzoval zmes vlhkého haseného vápna s oxidom ortuťnatým HgO na platinovej platni, ktorá bola anódou. Ako katóda slúžil platinový drôt ponorený do tekutej ortuti. V dôsledku elektrolýzy sa získal amalgám vápnika. Keď z nej Davy odohnal ortuť, dostal kov nazývaný vápnik.

Zlúčeniny vápnika – vápenec, mramor, sadra (ako aj vápno – produkt pálenia vápenca) sa v stavebníctve používali už pred niekoľkými tisícročiami. Do konca 18. storočia považovali chemici vápno za jednoduché teleso. V roku 1789 A. Lavoisier navrhol, že vápno, horčík, baryt, oxid hlinitý a oxid kremičitý sú zložité látky.

Byť v prírode

Vzhľadom na vysokú chemickú aktivitu vápnika vo voľnej forme v prírode nenájdete.

Vápnik tvorí 3,38 % hmotnosti zemskej kôry (5. miesto v množstve po kyslíku, kremíku, hliníku a železe).

Izotopy. Vápnik sa v prírode vyskytuje ako zmes šiestich izotopov: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca a 48Ca, z ktorých najbežnejší - 40Ca - je 96,97%.

Zo šiestich prirodzene sa vyskytujúcich izotopov vápnika je päť stabilných. Nedávno sa zistilo, že šiesty izotop 48Ca, najťažší zo šiestich a pomerne vzácny (jeho izotopová abundancia je len 0,187 %), podlieha dvojitému beta rozpadu s polčasom rozpadu 5,3. × 1019 rokov.

v horninách a mineráloch. Väčšina vápnika je obsiahnutá v zložení silikátov a hlinitokremičitanov rôznych hornín (žuly, ruly atď.), najmä v živcoch - anortite Ca.

Vo forme sedimentárnych hornín sú zlúčeniny vápnika zastúpené kriedou a vápencom, ktoré pozostávajú najmä z minerálu kalcit (CaCO3). Kryštalická forma kalcitu - mramor - sa v prírode vyskytuje oveľa zriedkavejšie.

Pomerne rozšírené sú vápenaté minerály ako kalcit CaCO3, anhydrit CaSO4, alabaster CaSO4 0,5H2O a sadra CaSO4 2H2O, fluorit CaF2, apatity Ca5(PO4)3(F,Cl,OH), dolomit MgCO3 CaCO3. Prítomnosť vápenatých a horečnatých solí v prírodnej vode určuje jej tvrdosť.

Vápnik, ktorý energicky migruje v zemskej kôre a hromadí sa v rôznych geochemických systémoch, tvorí 385 minerálov (štvrtý z hľadiska počtu minerálov).

Migrácia v zemskej kôre. Pri prirodzenej migrácii vápnika hrá významnú úlohu „uhličitanová rovnováha“, spojená s reverzibilnou reakciou interakcie uhličitanu vápenatého s vodou a oxidom uhličitým za vzniku rozpustného hydrogenuhličitanu:

CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca (HCO3) 2 ↔ Ca2+ + 2HCO3ˉ

(rovnováha sa posúva doľava alebo doprava v závislosti od koncentrácie oxidu uhličitého).

biogénna migrácia. V biosfére sa zlúčeniny vápnika nachádzajú takmer vo všetkých živočíšnych a rastlinných tkanivách (pozri tiež nižšie). Významné množstvo vápnika je súčasťou živých organizmov. Takže hydroxyapatit Ca5(PO4)3OH alebo v inom zápise 3Ca3(PO4)2·Ca(OH)2 je základom kostného tkaniva stavovcov, vrátane ľudí; škrupiny a schránky mnohých bezstavovcov, vaječné škrupiny atď., sú zložené z uhličitanu vápenatého CaCO3.V živých tkanivách ľudí a zvierat 1,4-2% Ca (hmotnostný zlomok); v ľudskom tele s hmotnosťou 70 kg je obsah vápnika asi 1,7 kg (hlavne v zložení medzibunkovej látky kostného tkaniva).

Potvrdenie

Voľný kovový vápnik sa získava elektrolýzou taveniny pozostávajúcej z CaCl2 (75-80 %) a KCl alebo z CaCl2 a CaF2, ako aj aluminotermickou redukciou CaO pri 1170-1200 °C:

CaO + 2Al = CaAl204 + 3Ca.

Bol tiež vyvinutý spôsob získavania vápnika tepelnou disociáciou karbidu vápnika CaC2

Fyzikálne vlastnosti

Kovový vápnik existuje v dvoch alotropných modifikáciách. Odolné do 443°C α -Ca s kubickou mriežkou, vyššia stabilná p-Ca s kubickou telesne centrovanou mriežkou typu α - Fe. Štandardná entalpia ΔH0 prechod α → β je 0,93 kJ/mol.

Vápnik je ľahký kov (d = 1,55), strieborno-bielej farby. Je tvrdší a topí sa pri vyššej teplote (851°C) ako sodík, ktorý je vedľa neho v periodickej tabuľke. Je to preto, že na ión vápnika v kove pripadajú dva elektróny. Preto je chemická väzba medzi iónmi a elektrónovým plynom silnejšia ako väzba sodíka. Pri chemických reakciách sa valenčné elektróny vápnika prenášajú na atómy iných prvkov. V tomto prípade sa tvoria ióny s dvojitým nábojom.

Chemické vlastnosti

Vápnik je typický kov alkalických zemín. Chemická aktivita vápnika je vysoká, ale nižšia ako u všetkých ostatných kovov alkalických zemín. Ľahko reaguje s kyslíkom, oxidom uhličitým a vlhkosťou vo vzduchu, a preto je povrch kovového vápnika zvyčajne matne šedý, takže vápnik sa zvyčajne skladuje v laboratóriu, podobne ako iné kovy alkalických zemín, v tesne uzavretej nádobe pod vrstvou petroleja alebo tekutého parafínu.

V sérii štandardných potenciálov sa vápnik nachádza naľavo od vodíka. Štandardný elektródový potenciál páru Ca2+/Ca0 je -2,84 V, takže vápnik aktívne reaguje s vodou, ale bez vznietenia:

2H20 \u003d Ca (OH)2 + H2 + Q.

S aktívnymi nekovmi (kyslík, chlór, bróm) vápnik za normálnych podmienok reaguje:

Ca + 02 = 2 CaO, Ca + Br2 = CaBr2.

Pri zahrievaní na vzduchu alebo kyslíku sa vápnik zapáli. S menej aktívnymi nekovmi (vodík, bór, uhlík, kremík, dusík, fosfor a iné) vápnik interaguje pri zahrievaní, napr.

Ca + H2 = CaH2, Ca + 6B = CaB6,

Ca + N2 = Ca3N2, Ca + 2C = CaC2,

Ca + 2P = Ca3P2 (fosfid vápenatý),

fosfidy vápenaté z CaP a CaP5 kompozícií sú tiež známe;

Ca + Si = Ca2Si (silicid vápenatý),

Známe sú aj silicidy vápenaté v zložení CaSi, Ca3Si4 a CaSi2.

Priebeh vyššie uvedených reakcií je spravidla sprevádzaný uvoľňovaním veľkého množstva tepla (to znamená, že tieto reakcie sú exotermické). Vo všetkých zlúčeninách s nekovmi je oxidačný stav vápnika +2. Väčšina zlúčenín vápnika s nekovmi sa vodou ľahko rozloží, napríklad:

CaH2 + 2H2O \u003d Ca (OH)2 + 2H2, N2 + 3H20 \u003d 3Ca (OH)2 + 2NH3.

Ión Ca2+ je bezfarebný. Keď sa do plameňa pridajú rozpustné vápenaté soli, plameň sa zmení na tehlovočervený.

Soli vápnika, ako je chlorid CaCl2, bromid CaBr2, jodid CaI2 a dusičnan Ca(NO3)2, sú vysoko rozpustné vo vode. Fluorid CaF2, uhličitan CaCO3, síran CaSO4, ortofosfát Ca3(PO4)2, oxalát CaC2O4 a niektoré ďalšie sú nerozpustné vo vode.

Dôležitá je skutočnosť, že na rozdiel od uhličitanu vápenatého CaCO3 je kyslý uhličitan vápenatý (hydrouhličitan) Ca(HCO3) 2 rozpustný vo vode. V prírode to vedie k nasledujúcim procesom. Keď studený dážď alebo riečna voda nasýtená oxidom uhličitým prenikne do podzemia a padne na vápence, pozoruje sa ich rozpúšťanie:

CaCO3 + CO2 + H2O \u003d Ca (HCO3) 2.

Na tých istých miestach, kde voda nasýtená hydrogénuhličitanom vápenatým prichádza na povrch zeme a je ohrievaná slnečnými lúčmi, dochádza k opačnej reakcii:

Ca (HCO3)2 \u003d CaCO3 + CO2 + H2O.

Takže v prírode dochádza k prenosu veľkých hmôt látok. V dôsledku toho môžu v podzemí vzniknúť obrovské štrbiny a v jaskyniach vznikajú nádherné kamenné „cencúle“ – stalaktity a stalagmity.

Prítomnosť rozpusteného hydrogénuhličitanu vápenatého vo vode do značnej miery určuje dočasnú tvrdosť vody. Nazýva sa to dočasné, pretože pri varení vody sa hydrogénuhličitan rozkladá a vyzráža sa CaCO3. Tento jav vedie napríklad k tomu, že sa v kanvici časom vytvorí vodný kameň.

vápnik kovový chemický fyzikálny

Hlavné použitie kovového vápnika je ako redukčné činidlo pri výrobe kovov, najmä niklu, medi a nehrdzavejúcej ocele. Vápnik a jeho hydrid sa tiež používajú na získanie ťažko obnoviteľných kovov, ako je chróm, tórium a urán. Zliatiny vápnika s olovom sa používajú v batériách a ložiskových zliatinách. Vápnikové granule sa tiež používajú na odstránenie stôp vzduchu z elektrovákuových zariadení. Rozpustné vápenaté a horečnaté soli určujú celkovú tvrdosť vody. Ak sú vo vode prítomné v malom množstve, potom sa voda nazýva mäkká. S vysokým obsahom týchto solí sa voda považuje za tvrdú. Tvrdosť sa odstraňuje varom; voda sa niekedy destiluje, aby sa úplne odstránila.

Metalthermy

Čistý kovový vápnik je široko používaný v metalotermii na získanie vzácnych kovov.

Legovanie

Čistý vápnik sa používa na legovanie olova, ktoré sa používa na výrobu dosiek batérií, bezúdržbových štartovacích olovených batérií s nízkym samovybíjaním. Kovový vápnik sa tiež používa na výrobu vysokokvalitných vápnikových babbitov BKA.

Jadrová fúzia

Izotop 48Ca je najefektívnejší a najpoužívanejší materiál na výrobu superťažkých prvkov a objavovanie nových prvkov v periodickej tabuľke prvkov. Napríklad v prípade použitia 48Ca iónov na výrobu superťažkých prvkov v urýchľovačoch sa jadrá týchto prvkov tvoria stokrát a tisíckrát efektívnejšie ako pri použití iných „projektilov“ (iónov).

Použitie zlúčenín vápnika

hydrid vápenatý. Zahrievaním vápnika vo vodíkovej atmosfére sa získava CaH2 (hydrid vápenatý), ktorý sa využíva v metalurgii (metalotermia) a pri výrobe vodíka na poli.

Optické a laserové materiály. Fluorid vápenatý (fluorit) sa používa vo forme monokryštálov v optike (astronomické objektívy, šošovky, hranoly) a ako laserový materiál. Volfráman vápenatý (scheelit) vo forme monokryštálov sa používa v laserovej technike a tiež ako scintilátor.

karbid vápnika. Karbid vápenatý CaC2 sa široko používa na získavanie acetylénu a na redukciu kovov, ako aj pri výrobe kyánamidu vápenatého (zahrievaním karbidu vápnika v dusíku na 1200 °C je reakcia exotermická, prebieha v kyánamidových peciach).

Zdroje chemického prúdu. Vápnik, ako aj jeho zliatiny s hliníkom a horčíkom, sa používajú v rezervných tepelných elektrických batériách ako anóda (napríklad prvok chrómanu vápenatého). V takých batériách ako katóda sa používa chróman vápenatý. Charakteristickou črtou takýchto batérií je extrémne dlhá životnosť (desaťročia) v použiteľnom stave, schopnosť prevádzky v akýchkoľvek podmienkach (priestor, vysoké tlaky), vysoká merná energia na hmotnosť a objem. Nevýhodou je krátke trvanie. Takéto batérie sa používajú tam, kde je potrebné krátkodobo vytvoriť kolosálnu elektrickú energiu (balistické rakety, niektoré kozmické lode atď.).

Žiaruvzdorné materiály. Oxid vápenatý, ako vo voľnej forme, tak aj ako súčasť keramických zmesí, sa používa pri výrobe žiaruvzdorných materiálov.

Lieky. V medicíne Ca lieky odstraňujú poruchy spojené s nedostatkom Ca iónov v organizme (s tetániou, spazmofíliou, rachitídou). Ca prípravky znižujú precitlivenosť na alergény a používajú sa na liečbu alergických ochorení (sérová choroba, spánková horúčka a pod.). Ca prípravky znižujú zvýšenú priepustnosť ciev a pôsobia protizápalovo. Používajú sa pri hemoragickej vaskulitíde, chorobe z ožiarenia, zápalových procesoch (zápal pľúc, zápal pohrudnice a pod.) a niektorých kožných ochoreniach. Predpisuje sa ako hemostatikum, na zlepšenie činnosti srdcového svalu a zosilnenie účinku digitalisových prípravkov, ako protijed pri otravách horčíkovými soľami. Spolu s inými liekmi sa Ca prípravky používajú na stimuláciu pôrodu. Chlorid vápenatý sa podáva ústami a intravenózne.

Medzi Ca prípravky patrí aj sadra (CaSO4), používaná v chirurgii na sadrové odliatky a krieda (CaCO3), podávaná perorálne so zvýšenou kyslosťou žalúdočnej šťavy a na prípravu zubného prášku.

Biologická úloha

Vápnik je bežnou makroživinou rastlín, zvierat a ľudí. U ľudí a iných stavovcov sa ho väčšina nachádza v kostre a zuboch vo forme fosfátov. Kostry väčšiny skupín bezstavovcov (huby, koralové polypy, mäkkýše atď.) sú zložené z rôznych foriem uhličitanu vápenatého (vápna). Vápnikové ióny sa podieľajú na procesoch zrážania krvi, ako aj na udržiavaní konštantného osmotického tlaku krvi. Vápnikové ióny slúžia aj ako jeden z univerzálnych druhých poslov a regulujú celý rad vnútrobunkových procesov – svalovú kontrakciu, exocytózu vrátane sekrécie hormónov a neurotransmiterov atď. Koncentrácia vápnika v cytoplazme ľudských buniek je asi 10−7 mol, v medzibunkových tekutinách asi 10− 3 mol.

Väčšina vápnika, ktorý sa do ľudského tela dostáva s jedlom, sa nachádza v mliečnych výrobkoch, zvyšný vápnik sa nachádza v mäse, rybách a niektorých rastlinných potravinách (bohaté sú najmä strukoviny). Vstrebávanie prebieha v hrubom aj tenkom čreve a uľahčuje ho kyslé prostredie, vitamín D a vitamín C, laktóza a nenasýtené mastné kyseliny. Dôležitá je aj úloha horčíka v metabolizme vápnika, pri jeho nedostatku sa vápnik „vymýva“ z kostí a ukladá sa v obličkách (obličkové kamene) a svaloch.

Asimilácii vápnika bráni aspirín, kyselina šťaveľová, deriváty estrogénu. V kombinácii s kyselinou šťaveľovou poskytuje vápnik vo vode nerozpustné zlúčeniny, ktoré sú súčasťou obličkových kameňov.

Vzhľadom na veľké množstvo procesov spojených s vápnikom je obsah vápnika v krvi presne regulovaný a pri správnej výžive nedochádza k jeho nedostatku. Dlhodobá absencia stravy môže spôsobiť kŕče, bolesti kĺbov, ospalosť, poruchy rastu a zápchu. Hlbší nedostatok vedie k trvalým svalovým kŕčom a osteoporóze. Zneužívanie kávy a alkoholu môže byť príčinou nedostatku vápnika, pretože jeho časť sa vylučuje močom.

Nadmerné dávky vápnika a vitamínu D môžu spôsobiť hyperkalcémiu s následnou intenzívnou kalcifikáciou kostí a tkanív (postihujú najmä močový systém). Dlhodobý nadbytok narúša fungovanie svalových a nervových tkanív, zvyšuje zrážanlivosť krvi a znižuje vstrebávanie zinku kostnými bunkami. Maximálna denná bezpečná dávka pre dospelého je 1500 až 1800 miligramov.

Produkty Vápnik, mg/100 g

Sezam 783

Žihľava 713

Plantain veľký 412

Sardinky v oleji 330

Budra brečtan 289

Psia šípka 257

Mandle 252

Plantain kopijovitý. 248

Lieskový orech 226

Potočnica 214

Sójové bôby suché 201

Deti do 3 rokov - 600 mg.

Deti od 4 do 10 rokov - 800 mg.

Deti od 10 do 13 rokov - 1000 mg.

Adolescenti od 13 do 16 rokov - 1200 mg.

Mládež 16 a starší - 1000 mg.

Dospelí vo veku 25 až 50 rokov - 800 až 1200 mg.

Tehotné a dojčiace ženy - 1500 až 2000 mg.

Záver

Vápnik je jedným z najrozšírenejších prvkov na Zemi. V prírode je ho veľa: horské masívy a ílovité skaly vznikajú z vápenatých solí, nachádza sa v morskej a riečnej vode, je súčasťou rastlinných a živočíšnych organizmov.

Vápnik neustále obklopuje obyvateľov mesta: takmer všetky hlavné stavebné materiály - betón, sklo, tehla, cement, vápno - obsahujú tento prvok vo významných množstvách.

Prirodzene, s takýmito chemickými vlastnosťami sa vápnik v prírode nenachádza vo voľnom stave. Ale zlúčeniny vápnika - prírodné aj umelé - sa stali prvoradými.

Bibliografia

1.Redakčná rada: Knunyants I. L. (šéfredaktor) Chemická encyklopédia: v 5 zväzkoch - Moskva: Sovietska encyklopédia, 1990. - T. 2. - S. 293. - 671 s.

2.Doronin. N. A. Kaltsy, Goshimizdat, 1962. 191 strán s ilustráciami.

.Dotsenko V.A. - Terapeutická a preventívna výživa. - Q. výživa, 2001 - N1-str.21-25

4.Bilezikian J. P. Metabolizmus vápnika a kostí // In: K. L. Becker, ed.

5.M.Kh. Karapetyants, S.I. Drakin - Všeobecná a anorganická chémia, 2000. 592 strán s ilustráciami.

DEFINÍCIA

Vápnik- dvadsiaty prvok periodickej tabuľky. Označenie - Ca z latinského "vápnika". Nachádza sa vo štvrtom období skupiny IIA. Vzťahuje sa na kovy. Základný poplatok je 20.

Vápnik je jedným z najrozšírenejších prvkov v prírode. Obsahuje približne 3 % (hmotnosti) v zemskej kôre. Vyskytuje sa ako početné ložiská vápenca a kriedy, ako aj mramoru, čo sú prírodné odrody uhličitanu vápenatého CaCO 3 . Vo veľkom množstve sa nachádza aj sadra CaSO 4 × 2H 2 O, fosforit Ca 3 (PO 4) 2 a napokon rôzne kremičitany s obsahom vápnika.

Vápnik je vo forme jednoduchej látky kujný, pomerne tvrdý biely kov (obr. 1). Na vzduchu sa rýchlo pokryje vrstvou oxidu a pri zahriatí horí jasným červenkastým plameňom. Vápnik pomerne pomaly reaguje so studenou vodou, ale rýchlo vytláča vodík z horúcej vody a vytvára hydroxid.

Ryža. 1. Vápnik. Vzhľad.

Atómová a molekulová hmotnosť vápnika

Relatívna molekulová hmotnosť látky (M r) je číslo, ktoré ukazuje, koľkokrát je hmotnosť danej molekuly väčšia ako 1/12 hmotnosti atómu uhlíka a relatívna atómová hmotnosť prvku (Ar r) je koľkokrát je priemerná hmotnosť atómov chemického prvku väčšia ako 1/12 hmotnosti atómu uhlíka.

Pretože vápnik vo voľnom stave existuje vo forme monatomických molekúl Ca, hodnoty jeho atómových a molekulových hmotností sú rovnaké. Sú rovné 40,078.

Izotopy vápnika

Je známe, že vápnik sa v prírode nachádza vo forme štyroch stabilných izotopov 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca a 48Ca, s jasnou prevahou izotopu 40Ca (99,97 %). Ich hmotnostné čísla sú 40, 42, 43, 44, 46 a 48. Jadro atómu izotopu vápnika 40 Ca obsahuje dvadsať protónov a dvadsať neutrónov a zvyšné izotopy sa od neho líšia len počtom neutrónov.

Existujú umelé izotopy vápnika s hmotnostnými číslami od 34 do 57, z ktorých najstabilnejší je 41 Ca s polčasom rozpadu 102 tisíc rokov.

Ióny vápnika

Na vonkajšej energetickej úrovni atómu vápnika sú dva elektróny, ktoré sú valenčné:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 .

Vápnik sa v dôsledku chemickej interakcie vzdáva svojich valenčných elektrónov, t.j. je ich donorom a mení sa na kladne nabitý ión:

Cao-2e → Ca2+.

Molekula a atóm vápnika

Vo voľnom stave existuje vápnik vo forme monatomických molekúl Ca. Tu sú niektoré vlastnosti, ktoré charakterizujú atóm a molekulu vápnika:

zliatiny vápnika

Vápnik slúži ako legujúca zložka niektorých zliatin olova.

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

História a pôvod mena

Názov prvku pochádza z lat. calx (v prípade genitívu kalcis) - "vápno", "mäkký kameň". Navrhol to anglický chemik Humphry Davy, ktorý v roku 1808 izoloval kovový vápnik elektrolytickou metódou. Davy elektrolyzoval zmes vlhkého hydratovaného vápna na platinovej platni, ktorá bola anódou. Ako katóda slúžil platinový drôt ponorený do kvapaliny. V dôsledku elektrolýzy sa získal amalgám vápnika. Keď z nej Davy odohnal ortuť, dostal kov nazývaný vápnik.

izotopy

Vápnik sa v prírode vyskytuje ako zmes šiestich izotopov: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca a 48 Ca, z ktorých najbežnejší - 40 Ca - je 96,97%. Vápnikové jadrá obsahujú magický počet protónov: Z= 20. izotopy 40
20 Ca20
a 48
20 Ca28
sú dve z piatich dvojitých magických jadier, ktoré existujú v prírode.

Zo šiestich prirodzene sa vyskytujúcich izotopov vápnika je päť stabilných. Šiesty izotop 48Ca, najťažší zo šiestich a veľmi vzácny (jeho izotopová abundancia je len 0,187 %), podlieha dvojitému beta rozpadu s polčasom rozpadu (4,39 ± 0,58)⋅10 19 rokov.

V horninách a mineráloch

Vápnik, ktorý energicky migruje v zemskej kôre a hromadí sa v rôznych geochemických systémoch, tvorí 385 minerálov (štvrtý z hľadiska počtu minerálov).

Väčšina vápnika je obsiahnutá v zložení silikátov a hlinitokremičitanov rôznych hornín (žuly, ruly atď.), najmä v živcoch - anortite Ca.

Minerály vápnika ako kalcit CaCO 3, anhydrit CaSO 4, alabaster CaSO 4 0,5 H 2 O a sadrovec CaSO 4 2H 2 O, fluorit CaF 2, apatity Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl, OH), dolomit MgCO 3 CaC03. Prítomnosť vápenatých a horečnatých solí v prírodnej vode určuje jej tvrdosť.

Sedimentárna hornina, pozostávajúca hlavne z kryptokryštalického kalcitu - vápenca (jednou z jeho odrôd je krieda). Pôsobením regionálnej metamorfózy sa vápenec premieňa na mramor.

Migrácia v zemskej kôre

Pri prirodzenej migrácii vápnika hrá významnú úlohu „uhličitanová rovnováha“, spojená s reverzibilnou reakciou interakcie uhličitanu vápenatého s vodou a oxidom uhličitým za vzniku rozpustného hydrogenuhličitanu:

(rovnováha sa posúva doľava alebo doprava v závislosti od koncentrácie oxidu uhličitého).

Dôležitú úlohu zohráva biogénna migrácia.

V biosfére

Zlúčeniny vápnika sa nachádzajú takmer vo všetkých živočíšnych a rastlinných tkanivách (pozri nižšie). Významné množstvo vápnika je súčasťou živých organizmov. Takže hydroxyapatit Ca 5 (PO 4) 3 OH alebo v inom zázname 3Ca 3 (PO 4) 2 Ca (OH) 2 - základ kostného tkaniva stavovcov vrátane ľudí; škrupiny a schránky mnohých bezstavovcov, vaječné škrupiny atď. sú vyrobené z uhličitanu vápenatého CaCO 3. V živých tkanivách ľudí a zvierat 1,4-2 % Ca (hmotnostný zlomok); v ľudskom tele s hmotnosťou 70 kg je obsah vápnika asi 1,7 kg (hlavne v zložení medzibunkovej látky kostného tkaniva).

Potvrdenie

Voľný kovový vápnik sa získava elektrolýzou taveniny pozostávajúcej z CaCl2 (75-80 %) a KCl alebo z CaCl2 a CaF2, ako aj aluminotermickou redukciou CaO pri 1170-1200 °C 4 C a O + 2 A l → C a A l 2 O 4 + 3 C a (\displaystyle (\mathsf (4CaO+2Al\rightarrow CaAl_(2)O_(4)+3Ca))))

Fyzikálne vlastnosti

Kovový vápnik existuje v dvoch alotropných modifikáciách. Odolné do 443 °C a-Ca s kubickou plošne centrovanou mriežkou (parameter a= 0,558 nm), vyššia stabilná p-Ca s kubickou telesne centrovanou mriežkou typu a-Fe(parameter a= 0,448 nm). Štandardná entalpia ∆ H 0 (\displaystyle \Delta H^(0)) prechod α → β je 0,93 kJ/mol.

Postupným zvyšovaním tlaku začína vykazovať vlastnosti polovodiča, no nestáva sa polovodičom v plnom zmysle slova (už to tiež nie je kov). S ďalším zvýšením tlaku sa vráti do kovového stavu a začne vykazovať supravodivé vlastnosti (teplota supravodivosti je šesťkrát vyššia ako teplota ortuti a vo vodivosti ďaleko prevyšuje všetky ostatné prvky). Jedinečné správanie vápnika je v mnohých ohľadoch podobné stronciu (to znamená, že paralely v periodickom systéme sú zachované).

Chemické vlastnosti

V sérii štandardných potenciálov sa vápnik nachádza naľavo od vodíka. Štandardný elektródový potenciál páru Ca 2+ / Ca 0 −2,84 V, takže vápnik aktívne reaguje s vodou, ale bez vznietenia:

Prítomnosť rozpusteného hydrogénuhličitanu vápenatého vo vode do značnej miery určuje dočasnú tvrdosť vody. Nazýva sa to dočasné, pretože pri varení vody sa hydrogénuhličitan rozkladá a vyzráža sa CaCO 3 . Tento jav vedie napríklad k tomu, že sa v kanvici časom vytvorí vodný kameň.

Aplikácia

Hlavné použitie kovového vápnika je ako redukčné činidlo pri výrobe kovov, najmä niklu, medi a nehrdzavejúcej ocele. Vápnik a jeho hydrid sa tiež používajú na výrobu ťažko redukovateľných kovov, ako je chróm, tórium a urán. Zliatiny vápnika a olova sa používajú v niektorých typoch batérií a pri výrobe ložísk. Vápnikové granule sa tiež používajú na odstránenie stôp vzduchu z elektrovákuových zariadení. Čistý kovový vápnik sa široko používa v metalotermii na získanie prvkov vzácnych zemín.

Vápnik je široko používaný v metalurgii na deoxidáciu ocele spolu s hliníkom alebo v kombinácii s ním. Mimopecné spracovanie drôtmi s obsahom vápnika zaujíma popredné miesto vďaka multifaktorovému účinku vápnika na fyzikálno-chemický stav taveniny, makro- a mikroštruktúru kovu, kvalitu a vlastnosti kovových výrobkov a je neoddeliteľnou súčasťou technológie výroby ocele. V modernej metalurgii sa na zavádzanie vápnika do taveniny používa vstrekovací drôt, ktorým je vápnik (niekedy silikokalcium alebo hliník vápnik) vo forme prášku alebo lisovaného kovu v oceľovom plášti. Spolu s deoxidáciou (odstránením kyslíka rozpusteného v oceli) umožňuje použitie vápnika získať nekovové inklúzie priaznivého charakteru, zloženia a tvaru, ktoré sa pri ďalších technologických operáciách nezrútia.

Izotop 48 Ca je jedným z najúčinnejších a najužitočnejších materiálov na výrobu superťažkých prvkov a objavovanie nových prvkov v periodickej tabuľke prvkov. Je to spôsobené tým, že vápnik-48 je dvojnásobne magické jadro, takže jeho stabilita umožňuje, aby bol dostatočne bohatý na neutróny pre ľahké jadro; syntéza superťažkých jadier vyžaduje nadbytok neutrónov.

Biologická úloha

Koncentrácia vápnika v krvi je vzhľadom na jeho význam pre veľké množstvo životne dôležitých procesov presne regulovaná a pri správnej výžive a dostatočnom príjme nízkotučných mliečnych výrobkov a vitamínu D nedochádza k jeho nedostatku. Dlhodobý nedostatok vápnika a/alebo vitamínu D v strave vedie k zvýšenému riziku osteoporózy a spôsobuje rachitu v detstve.

Poznámky

1. Tvrdosť podľa Brinella 200-300 MPa
2. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Atómové hmotnosti prvkov 2011 (Technická správa IUPAC) // Čistá a aplikovaná chémia. - 2013. - Zv. 85, č. 5. - S. 1047-1078. - DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
3. Redakcia: Knunyants I. L. (šéfredaktor). Chemická encyklopédia: v 5 zväzkoch - Moskva: Sovietska encyklopédia, 1990. - T. 2. - S. 293. - 671 s. - 100 000 kópií.
4. Riley J.P. a Skirrow G. Chemická oceánografia V. 1, 1965.
5. Prityčenko B. Systematics of Evaluated Half-Lives of Double-beta Decay // Nuclear Data Sheets. - 2014. - Jún (roč. 120). - S. 102-105. - ISSN 0090-3752. - DOI:10.1016/j.nds.2014.07.018 .[opraviť]
6. Prityčenko B. Zoznam prijatých hodnôt dvojitého beta (ββ) poklesu (neurčité) . National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Získané 6. decembra 2015.
7. Príručka chemika / Redakčná rada: Nikolsky B.P. a ďalší - 2. vyd., opravené. - M.-L.: Chémia, 1966. - T. 1. - 1072 s.
8. Noviny. En: Prvky pod tlakom
9. Vápnik // Veľká sovietska encyklopédia: [v 30 zväzkoch] / kap. vyd. A. M. Prochorov. - 3. vyd. - M.: Sovietska encyklopédia, 1969-1978.
10. Dyudkin D. A., Kisilenko V. V. Vplyv rôznych faktorov na asimiláciu vápnika z plneného drôtu s komplexným plnivom SK40 (rus.) // Elektrometallurgiya: zhurnal. - 2009. - máj (č. 5). - S. 2-6.
11. Mikhailov G. G., Chernova L. A. Termodynamická analýza procesov deoxidácie ocele vápnikom a hliníkom (ruština) // Elektrometallurgiya: zhurnal. - 2008. - marec (č. 3). - S. 6-8.
12. Shell Model jadra
13. Výbor Institute of Medicine (US) na preskúmanie referenčných diétnych dávok vitamínu D a vápnika; Ross AC, Taylor CL, Yaktine AL, Del Valle HB, redaktori (2011).