VÁPNIK: VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, ZÍSKAVANIE, POUŽITIE - CHÉMIA - 2026

Vápnika je kov alkalických zemín, patriaci do skupiny periodickej tabuľky 2 (p Becambara). Tento kov zaujíma piate miesto v hojnosti medzi prvkami prítomnými v zemskej kôre; za železom a hliníkom. Je reprezentovaný chemickým symbolom Ca a jeho atómové číslo je 20.

Vápnik predstavuje 3,64% zemskej kôry a je najhojnejším kovom v ľudskom tele, čo predstavuje 2% jeho hmotnosti. Vo svojej podstate nie je slobodný; ale je súčasťou mnohých minerálov a chemických zlúčenín.

Kovový vápnik vysokej čistoty uložený v minerálnom oleji, ktorý ho chráni pred kyslíkom a vlhkosťou. Zdroj: 2 × 910

Napríklad sa vyskytuje v minerálnom kalcite, ktorý je zase súčasťou vápenca. Uhličitan vápenatý je v krajine prítomný ako mramor, dolomit, vaječné škrupiny, koraly, perly, stalaktity, stalagmity, ako aj v škrupinách mnohých morských živočíchov alebo slimákov.

Okrem toho je vápnik súčasťou iných minerálov, ako je sadra, anhydrit, fluorit a apatit. Nie je preto prekvapujúce, že je to synonymum pre kosti na kultúrnej úrovni.

Po vystavení vzduchu sa vápnik pokryje žltkastým povlakom, produktom zmesi oxidu vápenatého, nitridu a hydroxidu. Čerstvo narezaný povrch je však lesklý, strieborne belavý. Je mäkká s tvrdosťou podľa Mohsovej stupnice 1,75.

Vápnik plní početné funkcie v živých bytostiach, medzi nimi je súčasťou zlúčenín, ktoré určujú štruktúru a fungovanie kostného systému; zasahuje do koagulačnej kaskády aktiváciou niekoľkých koagulačných faktorov identifikovaných ako faktor IV.

Okrem toho sa vápnik podieľa na sťahovaní svalov, čo umožňuje spojenie kontraktilných proteínov (aktín a myozín); a uľahčuje uvoľňovanie niektorých neurotransmiterov, vrátane acetylcholínu.

Chemicky sa takmer vždy podieľa na svojich organických alebo anorganických zlúčeninách, ako je dvojmocný katión Ca2 ⁺ . Je to jeden z katiónov s najvyšším koordinačným číslom, to znamená, že môže interagovať s niekoľkými molekulami alebo iónmi súčasne.

histórie

V starovekých časoch

Vápnikové zlúčeniny, ako je vápno (CaO) alebo sadra (CaSO ₄ ), boli človekom používané už tisícročia bez ohľadu na ich chemickú štruktúru. Vápno ako stavebný materiál a omietka na výrobu sôch sa používalo 7 000 rokov pred naším letopočtom

V Mezopotámii sa našla vápenná pec, ktorá sa používala 2 500 pred Kr. V blízkej dobe sa pri výstavbe Veľkej pyramídy v Gíze používala sadra.

Identifikácia a izolácia

Joseph Black (1755) vysvetlil, že vápno je ľahšie ako vápenec (uhličitan vápenatý), z ktorého pochádza. Je to preto, že počas zahrievania stráca oxid uhličitý.

Antoine Lavoiser (1787) dospel k záveru, že vápno musí byť oxidom neznámeho chemického prvku.

Sir Humphrey Davy (1808) práve v roku, keď objavil bór, urobil to isté s vápnikom pomocou elektrolytickej techniky, ktorú používali Jakar Berzelius a Magnus Martin.

Davy izoloval vápnik a horčík pomocou rovnakého experimentálneho návrhu. Zmiešal oxid vápenatý s oxidom ortuti na platinovej platni, ktorá sa použila ako anóda (+), zatiaľ čo katódou (-) bol platinový drôt čiastočne ponorený do ortuti.

Elektrolýzou sa vytvoril amalgám vápnika a ortuti. Na čistenie vápnika sa amalgám podrobil destilácii. Čistý vápnik sa však nezískal.

vlastnosti

Fyzický popis

Strieborno-belavý kov sa po vystavení vzduchu zmení na sivobiely. Vo vlhkom vzduchu nadobúda zakalenú modrošedú farbu. Pevný alebo suchý prášok. Kryštalická štruktúra sústredená na tvár.

Atómová hmotnosť

40,078 g / mol.

Bod topenia

842 ° C

Bod varu

1 484 ° C

Hustota

-1,55 g / cm ³ pri teplote miestnosti.

-1,378 g / cm ³ v kvapalnom stave pri teplote topenia.

Teplo fúzie

8,54 kJ / mol.

Odparovacie teplo

154,7 kJ / mol.

Molárna kalorická kapacita

25,929 J / (mol.K).

Merná kalorická kapacita

0,63 J / gK

electronegativity

1,0 v Paulingovej stupnici

Ionizačná energia

Prvá ionizácia 589,8 kJ / mol

- druhá ionizácia 1 145 kJ / mol

- iná ionizácia 4,912 kJ / mol

- Štvrtá ionizácia 6 490,57 kJ / mol a ďalšie 4 ionizačné energie.

Atómové rádio

197 hodín

Kovalentný polomer

176 ± 10 pm

Tepelná rozťažnosť

22,3 um / m · K pri 20 ° C

Tepelná vodivosť

201 W / m K

Elektrický odpor

336 nΩ · m pri 20 ° C

tvrdosť

1,75 na Mohsovej stupnici.

izotopy

Vápnik má 6 prírodných izotopov: ⁴⁰ Ca, ⁴² Ca, ⁴³ Ca, ⁴⁴ Ca, ⁴⁶ Ca a ⁴⁸ Ca a 19 rádioaktívnych syntetických izotopov. Najhojnejšie izotopy sú ⁴⁰ Ca (96,94%), ⁴⁴ Ca (2,086%) a ⁴² Ca (0,647%).

reaktivita

Vápnik spontánne reaguje s vodou a vytvára hydroxid vápenatý a plynný vodík. Reaguje s kyslíkom a dusíkom vo vzduchu za vzniku oxidu vápenatého a nitridu vápenatého. Pri štiepaní spontánne horí na vzduchu.

Pri zahrievaní vápnika reaguje s vodíkom za vzniku halogenidu. Reaguje tiež so všetkými halogénmi za vzniku halogenidov. Reaguje tiež s bórom, sírou, uhlíkom a fosforom.

Štruktúra a elektrónová konfigurácia vápnika

Atómy vápnika sú spojené kovovými väzbami, čím prispievajú svojimi dvoma valenčnými elektrónmi k prílivu elektrónov. Interakcia medzi atómami Ca a výslednými elektronickými pásmami teda končí definovaním kryštálu s kubickou štruktúrou zameranou na tvár (ccc, v španielčine; alebo fcc, v angličtine, na kocku so stredom na tvár).

Ak sa tento kryštál ccc vápnika zahreje na teplotu okolo 450 ° C, prejde na fázu hcp (kompaktný šesťuholník alebo najbližšie zabalený šesťuholník). Inými slovami, štruktúra sa stáva hustejšou, akoby pohyb elektrónov a vibrácie atómov klesali na vzdialenosť, ktorá ich oddeľuje.

Atóm vápnika má nasledujúcu elektronickú konfiguráciu:

4s ²

Čo by vysvetľovalo, že dva valenčné elektróny pre tento kov pochádzajú z jeho najvzdialenejších 4s orbitálov. Keď sa stratí, ^vytvorí sa dvojmocný katión Ca2 ⁺ , izoelektrický k argónu vzácnych plynov; to znamená, že Ar aj Ca2 ⁺ majú rovnaký počet elektrónov.

Valenčný pás týchto kryštálov sa spojí kombináciou 4s orbitálov vápnika. To isté sa deje s prázdnymi 4p orbitálmi, ktoré vytvárajú vodivé pásmo.

získanie

Vápnik sa vyrába komerčne elektrolýzou roztaveného chloridu vápenatého. Na elektródach sa vyskytujú nasledujúce reakcie:

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

Vápnik sa na katóde ukladá ako kov zachytením elektrónov z iónového vápnika.

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

V malej miere sa môže vápnik vyrábať redukciou oxidu vápenatého hliníkom alebo chloridu vápenatého kovovým sodíkom.

6 CaO + 2 AI => 3 Ca + Ca ₃ AI ₂ O ₆

CaCl ₂ + 2 Na => Ca + NaCl

aplikácia

Elementárny vápnik

Vápnik sa používa ako prísada pri výrobe sklenených žiaroviek a pridáva sa do banky počas počiatočnej výrobnej fázy. Pridáva sa tiež na konci, takže sa kombinuje s plynmi ponechanými vo vnútri banky.

Používa sa ako dezintegrátor pri výrobe kovov ako je meď a oceľ. Zliatina vápnika a cézia sa používa v kamienkoch zapaľovačov na generovanie iskier. Vápnik je redukčné činidlo, ale má tiež deoxidáciu a deoxidáciu.

Vápnik sa používa na prípravu kovov, ako je chróm, tórium, urán, zirkónium a ďalšie z ich oxidov. Používa sa ako legovacie činidlo pre hliník, meď, olovo, horčík a ďalšie základné kovy; a ako deoxidačné činidlo pre niektoré vysokoteplotné zliatiny.

Vápnik v zliatine s olovom (0,04%) slúži ako plášť pre telefónne káble. Používa sa v zliatinách s horčíkom v ortopedických implantátoch na predĺženie ich životnosti.

Uhličitan vápenatý

Je to výplňový materiál v keramike, skle, plastoch a farbách, ako aj surovina na výrobu vápna. Syntetický uhličitan s vysokou čistotou sa lekársky používa ako antacidový a výživový doplnok vápnika. Používa sa tiež ako doplnková látka v potravinách.

Oxid vápenatý

Oxid vápenatý sa používa v stavebníctve a používa sa pri dyhovaní stien. Je tiež začlenená do betónu. V 19. storočí boli spálené bloky oxidu vápenatého na osvetlenie javísk intenzívnym bielym svetlom.

Vápno (opäť, oxid vápenatý), sa používa na odstránenie nežiadúcich zložiek, ako je oxid kremičitý (SiO ₂ ), ktoré sú vo železného materiálu z ocele. Produktom reakcie je kremičitan vápenatý (Casio ₃ ) s názvom "troska".

Vápno sa kombinuje s vodou za vzniku hydroxidu vápenatého; Táto zlúčenina flokuluje a klesá a priťahuje nečistoty na dno nádrží.

Interiér komínov je lemovaný vápnom, aby sa eliminovali výpary z tovární. Napríklad, zachytáva oxid siričitý (SO ₂ ), čo prispieva k kyslé dažde, a premieňa ju na siričitan vápenatý (CaSO ₃ ).

Chlorid vápenatý

Chlorid vápenatý sa používa na kontrolu ľadu na cestách; kondicionér pre paradajky prítomné v konzervách; výroba karosérií automobilov a nákladných automobilov.

Síran vápenatý

To je obyčajne predkladané ako CaSO ₄ · 2H ₂ O (sadra), sa používa ako pomocná pôdna látka. Kalcinovaná sadra sa používa pri výrobe dlaždíc, dosiek a lamiel. Používa sa tiež na imobilizáciu zlomenín kostí.

Fosforečnany vápenaté

Fosforečnan vápenatý sa v prírode vyskytuje v rôznych formách a používa sa ako hnojivo. Kyslá vápenatá soľ (CaH ₂ PO ₄ ) sa používa ako hnojivo a stabilizátor pre plasty. Fosforečnan vápenatý sa nachádza ako súčasť kostného tkaniva, najmä ako hydroxyapatit.

Ostatné zlúčeniny vápnika

Existuje mnoho zlúčenín vápnika s rôznymi aplikáciami. Napríklad karbid vápenatý sa používa na získanie acetylénu, ktorý sa používa vo zváracích horákoch. Alginát vápenatý sa používa ako zahusťovadlo v potravinárskych výrobkoch, ako je napríklad zmrzlina.

Chlornan vápenatý sa používa ako bieliace činidlo, dezodorant, fungicíd a algaecid.

Manganistan vápenatý je raketová kvapalina. Používa sa tiež ako prostriedok na čistenie vody a pri textilnej výrobe.

Biologická funkcia

Vápnik plní v živých bytostiach početné funkcie:

- Do koagulačnej kaskády zasahuje ako faktor IV.

-Je nevyhnutné na aktiváciu niekoľkých koagulačných faktorov, vrátane trombínu.

- V kostrovom svale vápnik uvoľňuje inhibičný účinok proteínového systému na kontrakciu svalov, čo umožňuje tvorbu aktín-myozínových mostíkov, čo spôsobuje kontrakciu.

- Stabilizuje iónové kanály excitabilných buniek. Pri hypokalcémii sú aktivované sodíkové kanály, ktoré spôsobujú, že sodík vstupuje do buniek, a vytvára tak trvalú kontrakciu (tetaniu), ktorá môže byť smrteľná.

- Okrem toho vápnik uprednostňuje uvoľňovanie neurotransmitera acetylcholínu v presynaptických termináloch.

Riziká a bezpečnostné opatrenia

Exotermicky reaguje s vodou. Preto môže po požití spôsobiť vážne poškodenie úst, pažeráka alebo žalúdka.

Pracovníci sú vystavení tomuto riziku na miestach, kde sa vyrába prvok vápnik alebo na miestach, kde sa používa kov. Bezpečnostné opatrenia sú na ochranu masky, ktoré zabraňujú vdychovaniu prachu, odevu a dostatočnej ventilácii.

Hyperkalcémia je mimoriadne nebezpečná a môže byť spôsobená najmä nadmernou sekréciou paratyroidného hormónu alebo nadmerným príjmom vitamínu D. Nadmerný príjem vápnika, napríklad vyšší ako 2,5 g / deň, je zriedkavo príčinou hyperkalciémie. ,

Nadbytok vápnika sa hromadí v obličkách a spôsobuje obličkové kamene a obličkovú nefrózu. Okrem toho akumulácia vápnika v stenách krvných ciev modifikuje ich elasticitu, ktorá by mohla byť príčinou hypertenzie, spomaleného toku krvi a trombózy.

Základným opatrením je zahrnutie kalciémie medzi laboratórne testy, keď lekár pozoruje charakteristiky symptómov pacienta, ktoré spôsobujú podozrenie na hyperkalcémiu a začne primeranú liečbu.

Referencie

1. W. Hull. (1921). Kryštalická štruktúra vápnika. doi.org/10.1103/PhysRev.17.42
2. Wikipedia. (2019). Vápnik. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. Advameg, Inc. (2019). Vápnik. Vysvetlenie chémie. Obnovené z: chemistryexplained.com
4. Timothy P. Hanusa. (11. januára 2019). Vápnik. Encyclopædia Britannica. Získané z: britannica.com
5. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2019). Vápnik. PubChem Database. CID = 5460341. Získané z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. WebElements. (2019). Vápnik: základy. Obnovené z: webelements.com