VÁPNÍK: VLASTNOSTI, STRUKTURA, ZÍSKÁVÁNÍ, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Vápníku je kov alkalických zemin, patřící do skupiny periodické tabulky 2 (p Becambara). Tento kov zaujímá páté místo v hojnosti mezi prvky přítomnými v zemské kůře; za železem a hliníkem. Je reprezentován chemickým symbolem Ca a jeho atomové číslo je 20.

Vápník představuje 3,64% zemské kůry a je nejhojnějším kovem v lidském těle, což představuje 2% jeho hmotnosti. V přírodě není svobodný; ale je součástí mnoha minerálů a chemických sloučenin.

Kovový vápník s vysokou čistotou uložený v minerálním oleji chrání před kyslíkem a vlhkostí. Zdroj: 2 × 910

Například se nachází v minerálním vápence, které je zase součástí vápence. Uhličitan vápenatý je v zemi přítomen jako mramor, dolomity, skořápky, korály, perly, stalaktity, stalagmity, stejně jako ve skořápkách mnoha mořských živočichů nebo hlemýžďů.

Kromě toho je vápník součástí jiných minerálů, jako je sádra, anhydrit, fluorit a apatit. Není tedy překvapivé, že je to synonymum pro kosti na kulturní úrovni.

Při vystavení vzduchu se vápník pokryje nažloutlým povlakem, což je produkt směsi oxidu vápenatého, nitridu a hydroxidu. Nicméně, čerstvě řezaný, povrch je lesklý, stříbřitě bělavý. Je měkká s tvrdostí podle Mohsovy stupnice 1,75.

Vápník vykonává v živých bytostech četné funkce, mezi nimiž je součástí sloučenin, které určují strukturu a fungování kostního systému; zasahuje do koagulační kaskády aktivací několika koagulačních faktorů označených jako faktor IV.

Kromě toho se vápník podílí na svalové kontrakci, což umožňuje spojení kontraktilních proteinů (aktin a myosin); a usnadňuje uvolňování některých neurotransmiterů, včetně acetylcholinu.

Chemicky se téměř vždy podílí na svých organických nebo anorganických sloučeninách, jako je dvojmocný kationt Ca2 ⁺. Je to jeden z kationtů s nejvyšším koordinačním číslem, to znamená, že může interagovat s několika molekulami nebo ionty současně.

Dějiny

Ve starověku

Sloučeniny vápníku, jako je vápno (CaO) nebo sádrovec (CaSO ₄), byly používány člověkem po tisíciletí, bez ohledu na jejich chemickou strukturu. Vápno jako stavební materiál a omítka pro výrobu soch byly použity 7 000 let před naším letopočtem

V Mezopotámii byla nalezena vápenná pec používaná 2 500 před Kristem, v blízkém časovém období byla při stavbě Velké pyramidy v Gíze používána sádra.

Identifikace a izolace

Joseph Black (1755) vysvětlil, že vápno je lehčí než vápenec (uhličitan vápenatý), který mu dává původ. Je to proto, že během zahřívání ztrácí oxid uhličitý.

Antoine Lavoiser (1787) dospěl k závěru, že vápno musí být oxidem neznámého chemického prvku.

Sir Humphrey Davy (1808) právě v roce, kdy objevil bór, udělal totéž s vápníkem pomocí elektrolytické techniky, kterou používali Jakar Berzelius a Magnus Martin.

Davy izoloval vápník a hořčík pomocí stejného experimentálního návrhu. Smíchal oxid vápenatý s oxidem rtuti (II) na platinové desce, používané jako anoda (+), zatímco katodou (-) byl platinový drát částečně ponořený do rtuti.

Elektrolýza vytvořila amalgám vápníku a rtuti. Pro čištění vápníku byl amalgám podroben destilaci. Čistý vápník však nebyl získán.

Vlastnosti

Fyzický popis

Stříbrně bělavý kov se při působení vzduchu změní na šedavě bílou. Ve vlhkém vzduchu nabírá zakalenou modrošedou barvu. Pevný nebo suchý prášek. Křišťálová struktura soustředěná na obličeji.

Atomová hmotnost

40,078 g / mol.

Bod tání

842 ° C

Bod varu

1 484 ° C

Hustota

-1,55 g / cm ³ při teplotě místnosti.

-1,378 g / cm ³ v kapalném stavu při teplotě tání.

Teplo fúze

8,54 kJ / mol.

Odpařovací teplo

154,7 kJ / mol.

Molární kalorická kapacita

25,929 J / (mol · K).

Specifická kalorická kapacita

0,63 J / gK

Elektronegativita

1,0 na Paulingově stupnici

Ionizační energie

-První ionizace 589,8 kJ / mol

-Sekundová ionizace 1 145 kJ / mol

- Třetí ionizace 4,912 kJ / mol

- čtvrtá ionizace 6 490,57 kJ / mol a další 4 ionizační energie.

Atomové rádio

197 hodin

Kovalentní poloměr

176 ± 10 pm

Teplotní roztažnost

22,3 µm / m · K při 20 ° C

Tepelná vodivost

201 W / m K

Elektrický odpor

336 nΩ · m při 20 ° C

Tvrdost

1,75 na Mohsově stupnici.

Izotopy

Vápník má 6 přírodních izotopů: ⁴⁰ Ca, ⁴² Ca, ⁴³ Ca, ⁴⁴ Ca, ⁴⁶ Ca a ⁴⁸ Ca a 19 radioaktivních syntetických izotopů. Nejhojnější izotopy jsou ⁴⁰ Ca (96,94%), ⁴⁴ Ca (2,086%) a ⁴² Ca (0,647%).

Reaktivita

Vápník reaguje spontánně s vodou a vytváří hydroxid vápenatý a plynný vodík. Reaguje s kyslíkem a dusíkem ve vzduchu za vzniku oxidu vápenatého a nitridu vápenatého. Při štěpení spontánně hoří na vzduchu.

Při zahřívání vápníku reaguje s vodíkem za vzniku halogenidu. Rovněž reaguje se všemi halogeny za vzniku halogenidů. Reaguje také s bórem, sírou, uhlíkem a fosforem.

Struktura a elektronová konfigurace vápníku

Atomy vápníku jsou spojeny kovovými vazbami, což přispívá jejich dvěma valenčními elektrony k přílivu elektronů. Interakce mezi atomy Ca a výslednými elektronickými pásy tedy končí definováním krystalu s krychlovou strukturou zaměřenou na tvář (ccc, ve španělštině; nebo fcc, v angličtině, na krychli se zaměřením na obličej).

Pokud se tento krystal vápníku CCC zahřeje na teplotu kolem 450 ° C, podstoupí přechod do fáze hcp (kompaktní hexagonální nebo nejbližší zabalený hexagonální). Jinými slovy, struktura se stane hustší, jako by se pohyb elektronů a vibrace atomů zmenšily na vzdálenost, která je odděluje.

Atom vápníku má následující elektronickou konfiguraci:

4s ²

Což by vysvětlovalo, že dva valenční elektrony pro tento kov pocházejí z jeho nejvzdálenějšího 4s orbitálu. Když je ztratí, ^vytvoří se dvojmocný kationt Ca2 ⁺, izoelektrický vůči argonu vzácných plynů; to znamená, že jak Ar, tak Ca ²⁺ mají stejný počet elektronů.

Jsou to 4s orbitaly vápníku, které se spojí, aby vytvořily valenční pás těchto krystalů. Totéž se děje s prázdnými orbitaly 4p, které vytvářejí dirigentské pásmo.

Získání

Vápník se vyrábí komerčně elektrolýzou roztaveného chloridu vápenatého. Na elektrodách dochází k následujícím reakcím:

U anody: 2cl ^- (l) => Cl ₂ (g) + 2e ^-

Vápník je uložen jako kov na katodě zachycením elektronů z iontového vápníku.

Na katodě: Ca ²⁺ (l) + 2 e ^- => Ca (s)

V malém měřítku může být vápník vyráběn redukcí oxidu vápenatého hliníkem nebo chloridu vápenatého kovovým sodíkem.

6 CaO + 2 AI => 3 Ca + Ca ₃ AI ₂ O ₆

CaCl ₂ + 2 Na => Ca + NaCl

Aplikace

Elementární vápník

Vápník se používá jako přísada při výrobě skleněných žárovek, které se přidávají do baňky během počáteční fáze výroby. Přidává se také na konci, takže se kombinuje s plyny, které zůstaly uvnitř baňky.

Používá se jako dezintegrátor při výrobě kovů, jako je měď a ocel. Slitina vápníku a cesia se používá v záblescích zapalovačů k vytvoření jisker. Vápník je redukční činidlo, ale má také deoxidaci a deoxidaci.

Vápník se používá při přípravě kovů, jako je chrom, thium, uran, zirkonium a další z jejich oxidů. Používá se jako legovací činidlo pro hliník, měď, olovo, hořčík a jiné základní kovy; a jako deoxidační činidlo pro některé vysokoteplotní slitiny.

Vápník ve slitině s olovem (0,04%) slouží jako plášť pro telefonní kabely. Používá se ve slitině s hořčíkem v ortopedických implantátech, aby se prodloužila jejich životnost.

Uhličitan vápenatý

Je to výplňový materiál v keramice, skle, plastech a barvách, jakož i surovina pro výrobu vápna. Syntetický uhličitan o vysoké čistotě se používá jako léčivý přípravek jako antacidum a dietní doplněk vápníku. Používá se také jako přísada do potravin.

Oxid vápenatý

Oxid vápenatý se používá ve stavebnictví, používá se při dýhování zdí. Je také začleněn do betonu. V 19. století byly spáleny bloky oxidu vápenatého, které osvětlily jeviště intenzivním bílým světlem.

Vápno (opět, oxid vápenatý), se používá k odstranění nežádoucích složek, jako je oxid křemičitý (SiO ₂), které jsou ve železného materiálu z oceli. Produktem reakce je křemičitan vápenatý (CaSiO ₃) zvaný "struska".

Vápno se kombinuje s vodou za vzniku hydroxidu vápenatého; Tato směs flokuluje a klesá a táhne nečistoty na dno nádrží.

Interiér komínů je lemován vápnem, aby se eliminovaly výpary z továren. Například zachycuje oxid siřičitý (SO ₂), který přispívá k kyselému dešti, a přeměňuje jej na siřičitan vápenatý (CaSO ₃).

Chlorid vápenatý

Chlorid vápenatý se používá k řízení ledu na silnicích; kondicionér pro rajče přítomné v konzervách; výroba karoserií automobilů a nákladních vozidel.

Síran vápenatý

Obvykle se uvádí jako CaSO ₄ · 2H ₂ O (sádra) a používá se jako kondicionér půdy. Kalcinovaná sádra se používá při výrobě obkladů, desek a lamel. Používá se také pro imobilizaci zlomenin kostí.

Fosforečnany vápenaté

Fosfáty vápenaté se v přírodě vyskytují v různých formách a používají se jako hnojiva. Kyselá vápenatá sůl (CaH ₂ PO ₄) se používá jako hnojivo a stabilizátor pro plasty. Fosforečnan vápenatý se nachází jako součást kostní tkáně, zejména jako hydroxyapatit.

Ostatní sloučeniny vápníku

Existuje mnoho sloučenin vápníku s různými aplikacemi. Například karbid vápníku se používá k získání acetylenu, který se používá ve svařovacích hořácích. Alginát vápenatý se používá jako zahušťovadlo v potravinářských výrobcích, jako je zmrzlina.

Chlornan vápenatý se používá jako bělicí činidlo, deodorant, fungicid a algaecid.

Manganistan vápenatý je raketová kapalina. Používá se také jako prostředek k čištění vody a při výrobě textilu.

Biologická funkce

Vápník plní v živých bytostech řadu funkcí:

- Do koagulační kaskády zasahuje jako faktor IV.

-Je nezbytná pro aktivaci několika koagulačních faktorů, včetně trombinu.

- V kosterním svalu vápník uvolňuje inhibiční účinek proteinového systému na svalovou kontrakci, což umožňuje tvorbu aktin-myosinových můstků, což způsobuje kontrakci.

- Stabilizuje iontové kanály excitovatelných buněk. Při hypokalcémii jsou aktivovány sodíkové kanály, které způsobují, že sodík vstupuje do buněk, a může být generována trvalá kontrakce (tetany), která může být fatální.

- Kromě toho vápník podporuje uvolňování neurotransmiteru acetylcholinu v presynaptických terminálech.

Rizika a bezpečnostní opatření

Exotermicky reaguje s vodou. Proto může po požití způsobit vážné poškození úst, jícnu nebo žaludku.

Pracovníci jsou tomuto riziku vystaveni v místech, kde se vyrábí prvek vápníku nebo na místech, kde se používá kov. Opatření je chránit se maskami, které zabraňují vdechování prachu, oděvu a dostatečnému větrání.

Hyperkalcemie je extrémně nebezpečná a může být způsobena zejména nadměrnou sekrecí parathormonu nebo nadměrným příjmem vitamínu D. Nadměrný příjem vápníku, například vyšší než 2,5 g / den, je zřídka příčinou hyperkalcémie.

Nadbytek vápníku se hromadí v ledvinách a způsobuje ledvinové kameny a ledvinové nefrosy. Kromě toho akumulace vápníku ve stěnách krevních cév modifikuje jejich elasticitu, která by mohla být příčinou hypertenze, zpomaleného průtoku krve a trombózy.

Základním preventivním opatřením je zařazení kalcémie mezi laboratorní testy, kdy lékař pozoruje charakteristiky symptomů pacienta, díky nimž má podezření na hyperkalcemii a zahájí příslušnou léčbu.

Reference

1. W. Hull. (1921). Krystalová struktura vápníku. doi.org/10.1103/PhysRev.17.42
2. Wikipedia. (2019). Vápník. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Advameg, Inc. (2019). Vápník. Vysvětlení chemie. Obnoveno z: chemistryexplained.com
4. Timothy P. Hanusa. (11. ledna 2019). Vápník. Encyclopædia Britannica. Obnoveno z: britannica.com
5. Národní centrum pro biotechnologické informace. (2019). Vápník. PubChem Database. CID = 5460341. Obnoveno z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. WebElements. (2019). Vápník: základy. Obnoveno z: webelements.com