wapń -Calcium
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wapń | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Wygląd | matowy szary, srebrny; z bladożółtym odcieniem | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Standardowa masa atomowa A r ° (Ca) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wapń w układzie okresowym | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| liczba atomowa ( Z ) | 20 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupa | grupa 2 (metale ziem alkalicznych) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Okres | okres 4 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Blok | blok s | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Konfiguracja elektronów | [ Ar ] 4s 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrony na powłokę | 2, 8, 8, 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Właściwości fizyczne | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Faza w STP | solidny | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Temperatura topnienia | 1115 K (842 ° C, 1548 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Temperatura wrzenia | 1757 K (1484 °C, 2703 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gęstość (blisko rt ) | 1,55 g/cm 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| gdy ciecz (przy mp ) | 1,378 g/cm 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ciepło topnienia | 8,54 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ciepło parowania | 154,7 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molowa pojemność cieplna | 25,929 J/(mol·K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ciśnienie pary
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Właściwości atomowe | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stany utleniania | +1, +2 (silnie zasadowy tlenek) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektroujemność | Skala Paulinga: 1,00 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Energie jonizacji | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Promień atomowy | empiryczne: 197 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Promień kowalencyjny | 176±22.00 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Promień Van der Waalsa | 231 godz | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Inne właściwości | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Występowanie naturalne | pierwotny | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Struktura krystaliczna | sześcienny centrowany na twarzy (FCC) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Prędkość dźwięku cienki pręt | 3810 m/s (przy 20°C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rozszerzalność cieplna | 22,3 µm/(m⋅K) (przy 25 °C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Przewodność cieplna | 201 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rezystancja | 33,6 nΩ⋅m (przy 20 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Zamawianie magnetyczne | diamagnetyczny | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molowa podatność magnetyczna | +40,0 × 10-6 cm3 / mol _ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Moduł Younga | 20 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Moduł ścinania | 7,4 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Moduł objętościowy | 17 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Współczynnik Poissona | 0,31 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Twardość Mohsa | 1,75 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Twardość Brinella | 170–416 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Numer CAS | 7440-70-2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Historia | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Odkrycie i pierwsza izolacja | Humphry'ego Davy'ego (1808) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Główne izotopy wapnia | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Wapń jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu Ca i liczbie atomowej 20. Jako metal ziem alkalicznych , wapń jest metalem reaktywnym, który pod wpływem powietrza tworzy ciemną warstwę tlenkowo-azotkową. Jego właściwości fizyczne i chemiczne są najbardziej zbliżone do cięższych homologów strontu i baru . Jest to piąty najbardziej rozpowszechniony pierwiastek w skorupie ziemskiej i trzeci najpowszechniej występujący metal, po żelazie i aluminium . Najczęstszym związkiem wapnia na Ziemi jest węglan wapnia , występujący w wapieniu i skamieniałych pozostałościach wczesnego życia morskiego; gips , anhydryt , fluoryt i apatyt są również źródłem wapnia. Nazwa wywodzi się od łacińskiego calx „ wapno ”, które otrzymywano z ogrzewania wapienia.
Niektóre związki wapnia były znane starożytnym, chociaż ich chemia była nieznana aż do XVII wieku. Czysty wapń został wyizolowany w 1808 roku przez elektrolizę jego tlenku przez Humphry'ego Davy'ego , który nazwał pierwiastek. Związki wapnia są szeroko stosowane w wielu gałęziach przemysłu: w żywności i farmaceutykach do suplementacji wapnia , w przemyśle papierniczym jako wybielacze, jako składniki cementu i izolatorów elektrycznych oraz w produkcji mydeł. Z drugiej strony metal w czystej postaci ma niewiele zastosowań ze względu na wysoką reaktywność; nadal w małych ilościach jest często używany jako składnik stopowy w hutnictwie, a czasami jako stop wapniowo-ołowiowy do produkcji akumulatorów samochodowych.
Wapń jest najobficiej występującym metalem i piątym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w organizmie człowieka . Jony wapnia (Ca 2+ ) jako elektrolity odgrywają istotną rolę w procesach fizjologicznych i biochemicznych organizmów i komórek : w szlakach transdukcji sygnału , gdzie pełnią funkcję drugiego przekaźnika ; w uwalnianiu neuroprzekaźników z neuronów ; w skurczu wszystkich typów komórek mięśniowych ; jako kofaktory wielu enzymów ; i w zapłodnieniu . Jony wapnia poza komórkami są ważne dla utrzymania różnicy potencjałów w błonach komórek pobudliwych , syntezie białek i tworzeniu kości.
Charakterystyka
Klasyfikacja
Wapń jest bardzo plastycznym srebrzystym metalem (czasami opisywanym jako bladożółty), którego właściwości są bardzo podobne do cięższych pierwiastków z tej grupy, strontu , baru i radu . Atom wapnia ma dwadzieścia elektronów ułożonych w konfiguracji elektronowej [Ar]4s 2 . Podobnie jak inne pierwiastki umieszczone w grupie 2 układu okresowego pierwiastków, wapń ma dwa elektrony walencyjne na najbardziej zewnętrznym s-orbicie, które są bardzo łatwo tracone w reakcjach chemicznych, tworząc jon dwupozytywny o stabilnej konfiguracji elektronowej gazu szlachetnego , w tym obudowa argonowa .
Dlatego wapń jest prawie zawsze dwuwartościowy w swoich związkach, które zwykle są jonowe . Hipotetyczne jednowartościowe sole wapnia byłyby stabilne w odniesieniu do swoich pierwiastków, ale nie do dysproporcji do dwuwartościowych soli i wapnia metalicznego, ponieważ entalpia tworzenia MX 2 jest znacznie wyższa niż entalpia hipotetycznego MX. Dzieje się tak z powodu znacznie większej energii sieci krystalicznej zapewnianej przez silniej naładowany kation Ca 2+ w porównaniu z hipotetycznym kationem Ca + .
Wapń, stront, bar i rad są zawsze uważane za metale ziem alkalicznych ; lżejszy beryl i magnez , również z grupy 2 układu okresowego pierwiastków, są często również uwzględniane. Niemniej jednak beryl i magnez znacznie różnią się od innych członków tej grupy pod względem zachowania fizycznego i chemicznego: zachowują się bardziej odpowiednio jak aluminium i cynk i mają częściowo słabszy metaliczny charakter metali post-przejściowych , dlatego tradycyjna definicja terminu „metal ziem alkalicznych” je wyklucza.
Właściwości fizyczne
Wapń metaliczny topi się w temperaturze 842 ° C i wrze w temperaturze 1494 ° C; wartości te są wyższe niż dla magnezu i strontu, sąsiednich metali z grupy 2. Krystalizuje w sześciennym układzie skupionym na twarzy, jak stront; powyżej 450 ° C zmienia się w anizotropowy sześciokątny, zwarty układ, taki jak magnez. Jego gęstość wynosząca 1,55 g/cm 3 jest najniższa w swojej grupie.
Wapń jest twardszy niż ołów, ale można go ciąć nożem z wysiłkiem. Chociaż wapń jest gorszym przewodnikiem elektryczności niż miedź lub aluminium objętościowo, jest lepszym przewodnikiem masowym niż oba ze względu na bardzo małą gęstość. Chociaż wapń jest niewykonalny jako przewodnik w większości zastosowań naziemnych, ponieważ szybko reaguje z tlenem atmosferycznym, rozważano jego zastosowanie jako takiego w kosmosie.
Właściwości chemiczne
Skład chemiczny wapnia jest podobny do typowego ciężkiego metalu ziem alkalicznych. Na przykład wapń spontanicznie reaguje z wodą szybciej niż magnez i wolniej niż stront, tworząc wodorotlenek wapnia i gazowy wodór. Reaguje również z tlenem i azotem w powietrzu, tworząc mieszaninę tlenku wapnia i azotku wapnia . Po drobnym rozdrobnieniu spontanicznie spala się w powietrzu, tworząc azotek. W masie wapń jest mniej reaktywny: szybko tworzy powłokę hydratacyjną w wilgotnym powietrzu, ale poniżej 30% wilgotności względnej może być przechowywany w nieskończoność w temperaturze pokojowej.
Oprócz prostego tlenku CaO, nadtlenek CaO 2 można wytworzyć przez bezpośrednie utlenianie metalicznego wapnia pod wysokim ciśnieniem tlenu i istnieją pewne dowody na istnienie żółtego ponadtlenku Ca(O 2 ) 2 . Wodorotlenek wapnia, Ca(OH) 2 , jest mocną zasadą, choć nie tak mocną jak wodorotlenki strontu, baru czy metali alkalicznych. Znane są wszystkie cztery dihalogenki wapnia. Węglan wapnia (CaCO 3 ) i siarczan wapnia (CaSO 4 ) są szczególnie obfitymi minerałami. Podobnie jak stront i bar, a także metale alkaliczne i dwuwartościowe lantanowce , europ i iterb , metaliczny wapń rozpuszcza się bezpośrednio w ciekłym amoniaku , dając ciemnoniebieski roztwór.
Ze względu na duży rozmiar jonu wapnia (Ca 2+ ), powszechne są wysokie liczby koordynacyjne, dochodzące do 24 w niektórych związkach międzymetalicznych, takich jak CaZn 13 . Wapń jest łatwo kompleksowany przez chelaty tlenowe , takie jak EDTA i polifosforany , które są przydatne w chemii analitycznej i usuwaniu jonów wapnia z twardej wody . W przypadku braku zawady przestrzennej mniejsze kationy grupy 2 mają tendencję do tworzenia silniejszych kompleksów, ale gdy zaangażowane są duże wielokleszczowe makrocykle , trend jest odwrotny.
Chociaż wapń należy do tej samej grupy co magnez, a związki magnezoorganiczne są bardzo powszechnie stosowane w chemii, związki wapnioorganiczne nie są podobnie rozpowszechnione, ponieważ są trudniejsze do wytworzenia i bardziej reaktywne, chociaż ostatnio badano je jako możliwe katalizatory . Związki wapnioorganiczne są bardziej podobne do związków organicznych terbu ze względu na podobne promienie jonowe Yb 2+ (102 pm) i Ca 2+ (100 pm).
Większość z tych związków można wytworzyć tylko w niskich temperaturach; masywne ligandy mają tendencję do faworyzowania stabilności. Na przykład, dicyklopentadienyl wapnia , Ca ( C5H5 ) 2 , musi być wytworzony przez bezpośrednią reakcję metalicznego wapnia z samym merkocenem lub cyklopentadienem ; z drugiej strony zastąpienie ligandu C5H5 większym ligandem C5 ( CH3 ) 5 zwiększa rozpuszczalność , lotność i stabilność kinetyczną związku .
izotopy
Naturalny wapń jest mieszaniną pięciu stabilnych izotopów ( 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca i 46 Ca) oraz jednego izotopu, którego okres półtrwania jest tak długi, że można go uznać za stabilny ze wszystkich praktycznych względów ( 48 Ca , z okresem półtrwania około 4,3 × 10 19 lat). Wapń jest pierwszym (najlżejszym) pierwiastkiem, który ma sześć naturalnie występujących izotopów.
Zdecydowanie najczęstszym izotopem wapnia w przyrodzie jest 40 Ca, co stanowi 96,941% całego naturalnego wapnia. Jest wytwarzany w procesie wypalania krzemu z fuzji cząstek alfa i jest najcięższym stabilnym nuklidem o równej liczbie protonów i neutronów; jego występowanie jest również uzupełniane powoli przez rozpad pierwotnego 40 K . Dodanie kolejnej cząstki alfa prowadzi do niestabilnego 44 Ti, który szybko rozpada się poprzez dwa kolejne wychwyty elektronów do stabilnego 44 Ca; stanowi to 2,806% całego naturalnego wapnia i jest drugim najczęściej występującym izotopem.
Pozostałe cztery naturalne izotopy, 42 Ca, 43 Ca, 46 Ca i 48 Ca, są znacznie rzadsze i każdy zawiera mniej niż 1% całego naturalnego wapnia. Cztery lżejsze izotopy są głównie produktami procesów spalania tlenu i spalania krzemu, pozostawiając dwa cięższe do wytworzenia w procesach wychwytu neutronów . 46 Ca jest głównie wytwarzany w „gorącym” procesie s , ponieważ jego tworzenie wymaga dość dużego strumienia neutronów, aby umożliwić krótkotrwałemu 45 Ca wychwycenie neutronu. 48 Ca jest wytwarzany przez wychwytywanie elektronów w procesie r w supernowych typu Ia , gdzie duży nadmiar neutronów i wystarczająco niska entropia zapewniają jej przetrwanie.
46 Ca i 48 Ca to pierwsze „klasycznie stabilne” nuklidy z nadmiarem odpowiednio sześciu lub ośmiu neutronów. Chociaż jest niezwykle bogaty w neutrony jak na taki lekki pierwiastek, 48 Ca jest bardzo stabilny, ponieważ jest jądrem podwójnie magicznym , mającym 20 protonów i 28 neutronów ułożonych w zamkniętych powłokach. Jego rozpad beta do 48 Sc jest bardzo utrudniony z powodu rażącego niedopasowania spinu jądrowego : 48 Ca ma zerowy spin jądrowy, będąc parzystym-parzystym , podczas gdy 48 Sc ma spin 6+, więc rozpad jest zabroniony przez zachowanie momentu pędu . Chociaż dwa stany wzbudzone 48 Sc są również dostępne do rozpadu, są one również zabronione ze względu na ich wysokie obroty. W rezultacie, gdy 48 Ca rozpada się, zamiast tego następuje to poprzez podwójny rozpad beta do 48 Ti , będąc najlżejszym nuklidem, o którym wiadomo, że ulega podwójnemu rozpadowi beta.
Ciężki izotop 46 Ca również teoretycznie może również ulec podwójnemu rozpadowi beta do 46 Ti, ale nigdy tego nie zaobserwowano. Najlżejszy i najbardziej powszechny izotop 40 Ca jest również podwójnie magiczny i może podlegać podwójnemu wychwytowi elektronów do 40 Ar , ale tego również nigdy nie zaobserwowano. Wapń jest jedynym pierwiastkiem, który ma dwa pierwotne podwójnie magiczne izotopy. Eksperymentalne dolne granice dla okresów półtrwania 40 Ca i 46 Ca wynoszą odpowiednio 5,9 × 10 21 lat i 2,8 × 10 15 lat.
Oprócz praktycznie stabilnego 48 Ca, najdłużej żyjącym radioizotopem wapnia jest 41 Ca. Rozpada się przez wychwytywanie elektronów do stabilnej 41 K z okresem półtrwania około stu tysięcy lat. Jego istnienie we wczesnym Układzie Słonecznym jako wymarły radionuklid wywnioskowano z nadmiaru 41 K: ślady 41 Ca również istnieją do dziś, ponieważ jest to nuklid kosmogeniczny , nieustannie reformowany poprzez aktywację neutronową naturalnego 40 Ca.
Znanych jest wiele innych radioizotopów wapnia o zawartości od 35 Ca do 60 Ca. Wszystkie żyją znacznie krócej niż 41 Ca, z których najbardziej stabilne to 45 Ca (okres półtrwania 163 dni) i 47 Ca (okres półtrwania 4,54 dnia). Izotopy lżejsze niż 42 Ca zwykle ulegają rozpadowi beta plus do izotopów potasu, a te cięższe niż 44 Ca zwykle ulegają rozpadowi beta minus do izotopów skandu , chociaż w pobliżu jądrowych linii kroplowych emisja protonów i emisja neutronów zaczynają być znaczącymi trybami rozpadu również.
Podobnie jak inne pierwiastki, różnorodne procesy zmieniają względną obfitość izotopów wapnia. Najlepiej zbadanym z tych procesów jest zależne od masy frakcjonowanie izotopów wapnia, które towarzyszy wytrącaniu się z roztworu minerałów wapniowych, takich jak kalcyt , aragonit i apatyt . Lżejsze izotopy są preferencyjnie włączane do tych minerałów, pozostawiając otaczający roztwór wzbogacony w cięższe izotopy o wielkości około 0,025% na jednostkę masy atomowej (amu) w temperaturze pokojowej. Zależne od masy różnice w składzie izotopów wapnia są zwykle wyrażane jako stosunek dwóch izotopów (zwykle 44 Ca/ 40 Ca) w próbce w porównaniu do tego samego stosunku w standardowym materiale odniesienia. 44 Ca/ 40 Ca różni się o około 1% wśród zwykłych materiałów ziemnych.
Historia
Związki wapnia były znane od tysiącleci, chociaż ich skład chemiczny nie został zrozumiany aż do XVII wieku. Wapno jako materiał budowlany i jako tynk do posągów było używane już około 7000 lat pne. Pierwszy datowany piec do wypalania wapna pochodzi z 2500 rpne i został znaleziony w Khafajah w Mezopotamii .
Mniej więcej w tym samym czasie w Wielkiej Piramidzie w Gizie używano odwodnionego gipsu (CaSO 4 · 2H 2 O) . Materiał ten został później użyty do wykonania tynku w grobowcu Tutenchamona . Starożytni Rzymianie używali zamiast tego zapraw wapiennych wytwarzanych przez ogrzewanie wapienia (CaCO 3 ). Sama nazwa „wapń” wywodzi się od łacińskiego słowa calx „wapno”.
Witruwiusz zauważył, że powstałe wapno było lżejsze niż pierwotny wapień, przypisując to wrzącej wodzie. W 1755 roku Joseph Black udowodnił, że było to spowodowane utratą dwutlenku węgla , który jako gaz nie był uznawany przez starożytnych Rzymian.
W 1789 roku Antoine Lavoisier podejrzewał, że wapno może być tlenkiem podstawowego pierwiastka chemicznego . W swojej tabeli pierwiastków Lavoisier wymienił pięć „ziem dających się zasolić” (tj. rud, które można zmusić do reakcji z kwasami w celu wytworzenia soli ( po łacinie salis = sól): chaux (tlenek wapnia), magnésie (magnezja, tlenek magnezu ), baryt (siarczan baru), glin (tlenek glinu, tlenek glinu) i krzemionka (krzemionka, dwutlenek krzemu)). O tych „elementach” Lavoisier rozumował:
Prawdopodobnie znamy jeszcze tylko część substancji metalicznych istniejących w przyrodzie, ponieważ wszystkie te, które mają większe powinowactwo do tlenu niż węgiel, nie są dotychczas zdolne do zredukowania się do stanu metalicznego, a w konsekwencji do bycia tylko przedstawione naszej obserwacji pod postacią tlenków, mylone są z ziemiami. Jest wielce prawdopodobne, że w takiej sytuacji znajdują się baryty, które właśnie ułożyliśmy z ziemiami; ponieważ w wielu eksperymentach wykazuje właściwości prawie zbliżone do właściwości ciał metalicznych. Jest nawet możliwe, że wszystkie substancje, które nazywamy ziemiami, mogą być tylko tlenkami metali, nieredukowalnymi żadnym dotychczas znanym procesem.
Wapń, wraz z jego pokrewnymi magnezem, strontem i barem, został po raz pierwszy wyizolowany przez Humphry'ego Davy'ego w 1808 r. Po pracach Jönsa Jakoba Berzeliusa i Magnusa Martina af Pontina nad elektrolizą , Davy wyizolował wapń i magnez, umieszczając mieszaninę odpowiedniego metalu tlenki z tlenkiem rtęci (II) na platynowej płytce, która była używana jako anoda, przy czym katodą był drut platynowy częściowo zanurzony w rtęci. Elektroliza dała następnie amalgamaty wapniowo-rtęciowe i magnezowo-rtęciowe, a oddestylowanie rtęci dało metal. Jednak czystego wapnia nie można wytworzyć masowo tą metodą, a działający komercyjnie proces jego produkcji został znaleziony dopiero ponad sto lat później.
Występowanie i produkcja
Przy stężeniu 3% wapń jest piątym najczęściej występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej i trzecim najbardziej rozpowszechnionym metalem po aluminium i żelazie . Jest to również czwarty najbardziej rozpowszechniony pierwiastek na wyżynach księżycowych . Osadowe osady węglanu wapnia przenikają powierzchnię Ziemi jako skamieniałe pozostałości dawnego życia morskiego; występują w dwóch postaciach: kalcytu romboedrycznego (częściej) i rombowego aragonitu (tworzącego się w bardziej umiarkowanych morzach). Minerały pierwszego typu obejmują wapień , dolomit , marmur , kredę i drzewce islandzkie ; złoża aragonitu tworzą Bahamy , Florida Keys i baseny Morza Czerwonego . Koralowce , muszle morskie i perły składają się głównie z węglanu wapnia. Do innych ważnych minerałów wapnia należą gips (CaSO 4 ·2H 2 O), anhydryt (CaSO 4 ), fluoryt (CaF 2 ) i apatyt ([Ca 5 (PO 4 ) 3 F]).
Głównymi producentami wapnia są Chiny (około 10000 do 12000 ton rocznie), Rosja (około 6000 do 8000 ton rocznie) i Stany Zjednoczone (około 2000 do 4000 ton rocznie). Do pomniejszych producentów należą również Kanada i Francja . W 2005 roku wyprodukowano około 24000 ton wapnia; około połowa światowego wydobywanego wapnia jest wykorzystywana przez Stany Zjednoczone, a około 80% produkcji jest wykorzystywane każdego roku.
W Rosji i Chinach metoda elektrolizy Davy'ego jest nadal stosowana, ale zamiast tego jest stosowana do stopionego chlorku wapnia . Ponieważ wapń jest mniej reaktywny niż stront lub bar, powłoka tlenkowo-azotkowa, która tworzy powietrze, jest stabilna, a obróbka tokarska i inne standardowe techniki metalurgiczne są odpowiednie dla wapnia. W Stanach Zjednoczonych i Kanadzie wapń jest zamiast tego wytwarzany przez redukcję wapna za pomocą aluminium w wysokich temperaturach.
Cykle geochemiczne
Cykl wapniowy zapewnia powiązanie między tektoniką , klimatem i obiegiem węgla . Mówiąc najprościej, wypiętrzenie się gór wystawia skały zawierające wapń, takie jak niektóre granity , na wietrzenie chemiczne i uwalnia Ca 2+ do wód powierzchniowych. Jony te są transportowane do oceanu, gdzie reagują z rozpuszczonym CO2 , tworząc wapień ( CaCO
3), które z kolei osiada na dnie morskim, gdzie jest włączane do nowych skał. Rozpuszczony CO 2 wraz z jonami węglanowymi i wodorowęglanowymi określa się mianem „ rozpuszczonego węgla nieorganicznego ” (DIC).
Rzeczywista reakcja jest bardziej skomplikowana i obejmuje jon wodorowęglanowy (HCO−
3), który powstaje, gdy CO 2 reaguje z wodą o pH wody morskiej :
Przy pH wody morskiej większość CO 2 jest natychmiast przekształcana z powrotem w HCO−
3. Wynikiem reakcji jest transport netto jednej cząsteczki CO 2 z oceanu/atmosfery do litosfery . W rezultacie każdy jon Ca 2+ uwolniony w wyniku wietrzenia chemicznego ostatecznie usuwa jedną cząsteczkę CO 2 z układu powierzchniowego (atmosfery, oceanu, gleby i organizmów żywych), magazynując ją w skałach węglanowych, gdzie prawdopodobnie pozostanie przez setki milionów lat. lata. Wietrzenie wapnia ze skał usuwa zatem CO 2 z oceanu i atmosfery, wywierając silny długoterminowy wpływ na klimat.
Używa
Wapń metaliczny jest najczęściej stosowany w produkcji stali , ze względu na jego silne chemiczne powinowactwo do tlenu i siarki . Jego tlenki i siarczki, po utworzeniu, dają płynne wtrącenia glinianu wapna i siarczków w stali, które wypływają na powierzchnię; po obróbce wtrącenia te rozpraszają się w stali i stają się małe i kuliste, poprawiając lejność, czystość i ogólne właściwości mechaniczne. Wapń jest również stosowany w bezobsługowych akumulatorach samochodowych , w których zastosowanie 0,1% stopów wapniowo - ołowiowych zamiast zwykłych stopów antymonowo -ołowiowych prowadzi do mniejszej utraty wody i mniejszego samorozładowania.
Ze względu na ryzyko rozszerzania się i pękania aluminium jest czasami włączane do tych stopów. Te stopy ołowiu i wapnia są również stosowane w odlewnictwie, zastępując stopy ołowiu i antymonu. Wapń jest również używany do wzmacniania stopów aluminium stosowanych w łożyskach, do kontroli węgla grafitowego w żeliwie oraz do usuwania zanieczyszczeń bizmutem z ołowiu. Metaliczny wapń znajduje się w niektórych środkach do czyszczenia odpływów, gdzie wytwarza ciepło i wodorotlenek wapnia , który zmydla tłuszcze i upłynnia białka (na przykład we włosach), które blokują odpływy.
Oprócz metalurgii reaktywność wapnia jest wykorzystywana do usuwania azotu z argonu o wysokiej czystości oraz jako pochłaniacz tlenu i azotu. Stosowany jest również jako środek redukujący w produkcji chromu , cyrkonu , toru i uranu . Może być również używany do przechowywania wodoru gazowego, ponieważ reaguje z wodorem, tworząc stały wodorek wapnia , z którego wodór można łatwo ponownie wyekstrahować.
Frakcjonowanie izotopów wapnia podczas tworzenia minerałów doprowadziło do kilku zastosowań izotopów wapnia. W szczególności obserwacja Skulana i DePaolo z 1997 r., Że minerały wapnia są izotopowo lżejsze niż roztwory, z których minerały się wytrącają, jest podstawą analogicznych zastosowań w medycynie i paleoceanografii. U zwierząt ze szkieletami zmineralizowanymi wapniem skład izotopowy wapnia w tkankach miękkich odzwierciedla względną szybkość tworzenia i rozpuszczania minerału szkieletowego.
U ludzi wykazano, że zmiany w składzie izotopowym wapnia w moczu są związane ze zmianami w równowadze mineralnej kości. Kiedy tempo tworzenia kości przekracza tempo resorpcji kości, stosunek 44 Ca/ 40 Ca w tkance miękkiej wzrasta i odwrotnie. Ze względu na tę zależność pomiary izotopów wapnia w moczu lub krwi mogą być przydatne we wczesnym wykrywaniu metabolicznych chorób kości, takich jak osteoporoza .
Podobny system istnieje w wodzie morskiej, gdzie 44 Ca/ 40 Ca ma tendencję do wzrostu, gdy tempo usuwania Ca 2+ przez opady mineralne przekracza dopływ nowego wapnia do oceanu. W 1997 roku Skulan i DePaolo przedstawili pierwsze dowody zmian w wodzie morskiej 44 Ca/ 40 Ca w czasie geologicznym, wraz z teoretycznym wyjaśnieniem tych zmian. Nowsze prace potwierdziły tę obserwację, wykazując, że stężenie Ca 2+ w wodzie morskiej nie jest stałe i że ocean nigdy nie jest w „stanie ustalonym” pod względem dopływu i odpływu wapnia. Ma to istotne implikacje klimatologiczne, ponieważ morski obieg wapnia jest ściśle powiązany z obiegiem węgla .
Wiele związków wapnia znajduje zastosowanie między innymi w żywności, farmaceutykach i medycynie. Na przykład wapń i fosfor są uzupełniane w żywności poprzez dodanie mleczanu wapnia , difosforanu wapnia i fosforanu trójwapniowego . Ten ostatni jest również stosowany jako środek polerujący w pastach do zębów i środkach zobojętniających sok żołądkowy . Laktobionian wapnia jest białym proszkiem stosowanym jako środek zawieszający w farmaceutykach. W piekarnictwie fosforan wapnia jest używany jako środek spulchniający . Siarczyn wapnia jest stosowany jako wybielacz w papiernictwie i jako środek dezynfekujący, krzemian wapnia jest stosowany jako środek wzmacniający w gumie, a octan wapnia jest składnikiem kalafonii wapnującej i jest używany do produkcji mydeł metalicznych i żywic syntetycznych.
Wapń znajduje się na Liście Podstawowych Leków Światowej Organizacji Zdrowia .
Źródła jedzenia
Pokarmy bogate w wapń obejmują produkty mleczne , takie jak jogurt i ser , sardynki , łosoś , produkty sojowe , jarmuż i wzbogacone płatki śniadaniowe .
Ze względu na obawy związane z długotrwałymi niepożądanymi skutkami ubocznymi, w tym zwapnieniem tętnic i kamieni nerkowych , zarówno Amerykański Instytut Medyczny ( IOM), jak i Europejski Urząd ds. wapń. Według IOM osoby w wieku 9–18 lat nie powinny przekraczać łącznego spożycia 3 g dziennie; dla osób w wieku 19–50 lat, nie więcej niż 2,5 g dziennie; dla osób w wieku 51 lat i starszych, nie przekraczać 2 g dziennie. EFSA ustalił UL dla wszystkich dorosłych na 2,5 g/dzień, ale zdecydował, że informacje dotyczące dzieci i młodzieży nie są wystarczające do określenia UL.
Rola biologiczna i patologiczna
| Wiek | Wapń (mg/dzień) |
|---|---|
| 1–3 lata | 700 |
| 4–8 lat | 1000 |
| 9–18 lat | 1300 |
| 19–50 lat | 1000 |
| >51 lat | 1000 |
| Ciąża | 1000 |
| Laktacja | 1000 |
Funkcjonować
Wapń jest niezbędnym pierwiastkiem potrzebnym w dużych ilościach. Jon Ca 2+ działa jak elektrolit i jest niezbędny dla zdrowia układu mięśniowego, krążenia i trawiennego; jest niezbędny do budowy kości; oraz wspiera syntezę i funkcję komórek krwi. Na przykład reguluje skurcze mięśni , przewodnictwo nerwowe i krzepnięcie krwi. W rezultacie wewnątrz- i zewnątrzkomórkowy poziom wapnia jest ściśle regulowany przez organizm. Wapń może pełnić tę rolę, ponieważ jon Ca 2+ tworzy stabilne kompleksy koordynacyjne z wieloma związkami organicznymi, zwłaszcza z białkami ; tworzy również związki o szerokim zakresie rozpuszczalności, umożliwiające tworzenie szkieletu .
Wiążący
Jony wapnia mogą być kompleksowane przez białka poprzez wiązanie grup karboksylowych kwasu glutaminowego lub reszt kwasu asparaginowego ; poprzez oddziaływanie z resztami fosforylowanej seryny , tyrozyny lub treoniny ; lub będąc chelatowanymi przez γ-karboksylowane reszty aminokwasowe. Trypsyna , enzym trawienny, wykorzystuje pierwszą metodę; osteokalcyna , białko macierzy kostnej, wykorzystuje trzecią.
Niektóre inne białka macierzy kostnej, takie jak osteopontyna i sialoproteina kości, wykorzystują zarówno pierwsze, jak i drugie. Powszechna jest bezpośrednia aktywacja enzymów przez wiązanie wapnia; niektóre inne enzymy są aktywowane przez niekowalencyjne połączenie z enzymami bezpośrednio wiążącymi wapń. Wapń wiąże się również z warstwą fosfolipidową błony komórkowej , zakotwiczając białka związane z powierzchnią komórki.
Rozpuszczalność
Przykładem szerokiego zakresu rozpuszczalności związków wapnia jest fosforan jednowapniowy , który jest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie, 85% zewnątrzkomórkowego wapnia stanowi fosforan dwuwapniowy o rozpuszczalności 2,0 mM , a hydroksyapatytem kości w matrycy organicznej jest fosforan trójwapniowy o stężeniu 100 mM. μM.
Odżywianie
Wapń jest powszechnym składnikiem multiwitaminowych suplementów diety , ale skład kompleksów wapnia w suplementach może wpływać na jego biodostępność, która różni się w zależności od rozpuszczalności danej soli: cytrynian wapnia , jabłczan i mleczan są wysoce biodostępne, podczas gdy szczawian jest mniejszy. Inne preparaty wapnia obejmują węglan wapnia , jabłczan cytrynianu wapnia i glukonian wapnia . Jelito pochłania około jednej trzeciej wapnia spożywanego w postaci wolnego jonu , a poziom wapnia w osoczu jest następnie regulowany przez nerki .
Hormonalna regulacja tworzenia kości i poziomów w surowicy
Hormon przytarczyc i witamina D sprzyjają tworzeniu się kości, umożliwiając i zwiększając osadzanie się tam jonów wapnia, umożliwiając szybki obrót kostny bez wpływu na masę kostną lub zawartość składników mineralnych. Kiedy poziom wapnia w osoczu spada, receptory na powierzchni komórki są aktywowane i następuje wydzielanie hormonu przytarczyc; następnie stymuluje wnikanie wapnia do puli osocza, pobierając go z docelowych komórek nerki, jelit i kości, przy czym działanie parathormonu na tworzenie kości jest antagonizowane przez kalcytoninę , której wydzielanie wzrasta wraz ze wzrostem poziomu wapnia w osoczu.
Nieprawidłowe poziomy w surowicy
Nadmierne spożycie wapnia może powodować hiperkalcemię . Jednakże, ponieważ wapń jest wchłaniany raczej nieefektywnie przez jelita, wysoki poziom wapnia w surowicy jest bardziej prawdopodobny z powodu nadmiernego wydzielania hormonu przytarczyc (PTH) lub prawdopodobnie z nadmiernego spożycia witaminy D, które ułatwiają wchłanianie wapnia. Wszystkie te stany powodują odkładanie się nadmiaru soli wapnia w sercu, naczyniach krwionośnych lub nerkach. Objawy obejmują anoreksję, nudności, wymioty, utratę pamięci, splątanie, osłabienie mięśni, zwiększone oddawanie moczu, odwodnienie i metaboliczną chorobę kości.
Przewlekła hiperkalcemia zazwyczaj prowadzi do zwapnienia tkanek miękkich i jego poważnych konsekwencji: na przykład zwapnienie może spowodować utratę elastyczności ścian naczyń i zaburzenie laminarnego przepływu krwi, a w konsekwencji pęknięcie blaszki miażdżycowej i zakrzepicę . I odwrotnie, niedostateczne spożycie wapnia lub witaminy D może skutkować hipokalcemią , często spowodowaną również nieodpowiednim wydzielaniem hormonu przytarczyc lub wadliwymi receptorami PTH w komórkach. Objawy obejmują pobudliwość nerwowo-mięśniową, która może powodować tężyczkę i zaburzenia przewodnictwa w tkance serca.
Choroba kości
Ponieważ wapń jest niezbędny do rozwoju kości, wiele chorób kości można przypisać macierzy organicznej lub hydroksyapatytowi w strukturze molekularnej lub organizacji kości. Osteoporoza to zmniejszenie zawartości minerałów w kości na jednostkę objętości i można ją leczyć poprzez suplementację wapnia, witaminy D i bisfosfonianów . Niewystarczające ilości wapnia, witaminy D lub fosforanów mogą prowadzić do rozmiękczenia kości, zwanego osteomalacją .
Bezpieczeństwo
Wapń metaliczny
| Zagrożenia | |
|---|---|
| Etykietowanie GHS : | |
|
|
| Niebezpieczeństwo | |
| H261 | |
| P231+P232 | |
| NFPA 704 (ognisty diament) | |
Ponieważ wapń reaguje egzotermicznie z wodą i kwasami, metaliczny wapń wchodzący w kontakt z wilgocią ciała powoduje poważne żrące podrażnienie. Po połknięciu wapń metaliczny ma taki sam wpływ na jamę ustną, przełyk i żołądek i może być śmiertelny. Jednak nie wiadomo, czy długotrwałe narażenie ma wyraźne skutki uboczne.
Bibliografia
Bibliografia
- Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Chemia pierwiastków (wyd. 2). Butterwortha-Heinemanna . ISBN 978-0-08-037941-8.
- Hluchan, Stephen E.; Pomerantz, Kenneth. „Wapń i stopy wapnia”. Encyklopedia chemii przemysłowej Ullmanna . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a04_515.pub2 .