Kolor wapniowy. Efektywność wapnowania gleby

Wstęp

Właściwości i zastosowanie wapnia

1 Właściwości fizyczne

2 Właściwości chemiczne

3 Zastosowanie

Pozyskiwanie wapnia

1 Elektrolityczna produkcja wapnia i jego stopów

2 Produkcja cieplna

3 Próżniowo-termiczna metoda otrzymywania wapnia

3.1 Aluminotermiczna metoda redukcji wapnia

3.2 Silikotermiczna metoda redukcji wapnia

Część praktyczna

Wykaz używanej literatury

Wstęp

Pierwiastek chemiczny II grupy układu okresowego Mendelejewa, liczba atomowa 20, masa atomowa 40,08; srebrno-biały metal lekki. Naturalnym pierwiastkiem jest mieszanina sześciu stabilnych izotopów: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca i 48Ca, z czego najczęstszym jest 40 Ca (96, 97%).

Związki Ca – wapień, marmur, gips (a także wapno – produkt kalcynacji wapienia) były stosowane w budownictwie już w starożytności. Do końca XVIII wieku chemicy uważali wapno za proste ciało stałe. W 1789 r. A. Lavoisier zasugerował, że wapno, tlenek magnezu, baryt, tlenek glinu i krzemionka są substancjami złożonymi. W 1808 roku G. Davy poddając elektrolizie mieszaninę mokrego wapna gaszonego z tlenkiem rtęci na katodzie rtęciowej otrzymał amalgamat Ca, z którego destylując rtęć otrzymał metal zwany „wapniem” (od łacińskiego kalx, rodzaj wapń - limonka).

Zdolność wapnia do wiązania tlenu i azotu umożliwiła wykorzystanie go do oczyszczania gazów obojętnych oraz jako gettera (Getter to substancja służąca do pochłaniania gazów i wytwarzania głębokiej próżni w urządzeniach elektronicznych.) w próżniowych urządzeniach radiowych.

Wapń wykorzystuje się także w metalurgii miedzi, niklu, stali specjalnych i brązów; wiążą szkodliwe zanieczyszczenia siarki, fosforu i nadmiaru węgla. Do tych samych celów stosuje się stopy wapnia z krzemem, litem, sodem, borem i aluminium.

W przemyśle wapń pozyskuje się na dwa sposoby:

) Przez ogrzewanie brykietowanej mieszaniny proszku CaO i Al w temperaturze 1200 °C w próżni 0,01 - 0,02 mm. Hg Sztuka.; wyróżnia się reakcją:

CaO + 2Al = 3CaO Al2O3 + 3Ca

Opary wapnia skraplają się na zimnej powierzchni.

) W drodze elektrolizy stopu CaCl2 i KCl za pomocą ciekłej katody miedziano-wapniowej otrzymuje się stop Cu - Ca (65% Ca), z którego oddestylowuje się wapń w temperaturze 950 - 1000 ° C w próżni 0,1–0,001 mmHg.

) Opracowano również metodę wytwarzania wapnia poprzez termiczną dysocjację węglika wapnia CaC2.

Wapń występuje bardzo powszechnie w przyrodzie w postaci różnych związków. W skorupie ziemskiej zajmuje piąte miejsce z udziałem 3,25% i najczęściej występuje w postaci wapienia CaCO 3, dolomit CaCO 3MgCO 3, gips CaSO 42H 2O, fosforyt Ca 3(PO 4)2 i fluoryt CaF 2, nie licząc znacznego udziału wapnia w składzie skał krzemianowych. Woda morska zawiera średnio 0,04% (wag.) wapnia.

W ramach zajęć omawiane są właściwości i zastosowania wapnia, a także teoria i technologia próżniowo-termicznych metod jego wytwarzania.

. Właściwości i zastosowanie wapnia

.1 Właściwości fizyczne

Wapń jest srebrzystobiałym metalem, ale matowieje pod wpływem powietrza w wyniku tworzenia się tlenku na jego powierzchni. Jest to metal ciągliwy, twardszy od ołowiu. Sieć krystaliczna ?-forma Ca (stabilna w zwykłej temperaturze) sześcienna centralnie skupiona, a = 5,56 Å . Promień atomowy 1,97 Å , promień jonowy Ca 2+, 1,04Å . Gęstość 1,54 g/cm 3(20°C). Powyżej 464°C sześciokątny ?-formularz. temperatura topnienia 851 °C, temperatura wrzenia 1482 °C; temperaturowy współczynnik rozszerzalności liniowej 22.10 -6 (0-300°C); przewodność cieplna w 20°C 125,6 W/(m K) lub 0,3 cal/(cm sec°C); pojemność cieplna właściwa (0-100 °C) 623,9 J/(kg·K) lub 0,149 cal/(g °C); oporność elektryczna w temperaturze 20°C 4,6 10 -8om lub 4,6 10 -6 om cm; współczynnik temperaturowy oporu elektrycznego wynosi 4,57·10-3 (20 °C). Moduł sprężystości 26 Gn/m 2(2600 kgf/mm 2); wytrzymałość na rozciąganie 60 MN/m 2(6 kgf/mm 2); granica sprężystości 4 MN/m 2(0,4 kgf/mm 2), granica plastyczności 38 MN/m 2(3,8 kgf/mm 2); wydłużenie względne 50%; Twardość Brinella 200-300 Mn/m 2(20-30 kgf/mm 2). Wapń o odpowiednio dużej czystości jest plastyczny, łatwo się go tłoczy, walcuje i poddaje się cięciu.

1.2 Właściwości chemiczne

Wapń jest metalem aktywnym. Tak więc w normalnych warunkach łatwo oddziałuje z tlenem atmosferycznym i halogenami:

Ca + O 2= 2 CaO (tlenek wapnia) (1)

Ca + Br 2= CaBr 2(bromek wapnia). (2)

Wapń reaguje po podgrzaniu z wodorem, azotem, siarką, fosforem, węglem i innymi niemetalami:

Ca + H 2= SaN 2(wodorek wapnia) (3)

Ca + N 2= ok 3N 2(azotek wapnia) (4)

Ca + S = CaS (siarczek wapnia) (5)

Ca + 2 P = Ca 3R 2(fosforek wapnia) (6)

Ca + 2C = CaC 2 (węglik wapnia) (7)

Wapń reaguje powoli z zimną wodą, ale bardzo energetycznie z gorącą wodą, dając mocną zasadę Ca(OH)2 :

Ca + 2 H 2O = Ca(OH)2 + N 2 (8)

Będąc energetycznym czynnikiem redukującym, wapń może usuwać tlen lub halogeny z tlenków i halogenków metali mniej aktywnych, czyli ma właściwości redukujące:

Ca + Nb 2O5 = CaO + 2 Nb; (9)

Ca + 2 NbCl 5= 5 CaCl2 + 2 Uwaga (10)

Wapń reaguje energicznie z kwasami, uwalniając wodór, reaguje z halogenami i suchym wodorem, tworząc wodorek CaH 2. Kiedy wapń ogrzewa się z grafitem, tworzy się węglik CaC. 2. Wapń otrzymuje się przez elektrolizę stopionego CaCl 2lub redukcja aluminotermiczna w próżni:

6CaO + 2Al = 3Ca + 3CaO Al2 O 3 (11)

Czysty metal stosuje się do redukcji związków Cs, Rb, Cr, V, Zr, Th, U do metali oraz do odtleniania stali.

1.3 Zastosowanie

Wapń jest coraz częściej wykorzystywany w różnych gałęziach przemysłu. Ostatnio zyskał duże znaczenie jako środek redukujący przy wytwarzaniu wielu metali.

Czysty metal. Uran otrzymuje się przez redukcję fluorku uranu metalicznym wapniem. Wapń lub jego wodorki można stosować do redukcji tlenków tytanu, a także tlenków cyrkonu, toru, tantalu, niobu i innych metali rzadkich.

Wapń jest dobrym odtleniaczem i odgazowywaczem przy produkcji miedzi, niklu, stopów chromowo-niklowych, stali specjalnych, brązów niklowych i cynowych; usuwa siarkę, fosfor i węgiel z metali i stopów.

Wapń tworzy z bizmutem związki ogniotrwałe, dlatego służy do oczyszczania ołowiu z bizmutu.

Wapń dodaje się do różnych stopów lekkich. Pomaga poprawić powierzchnię wlewka, drobnoziarnisty rozmiar i zmniejszyć utlenianie.

Powszechnie stosowane są stopy łożyskowe zawierające wapń. Do produkcji powłok kabli można stosować stopy ołowiu (0,04% Ca).

W technologii stosowane są stopy przeciwcierne wapnia i ołowiu. Minerały wapniowe są szeroko stosowane. I tak wapień wykorzystuje się do produkcji wapna, cementu, cegły silikatowej oraz bezpośrednio jako materiał budowlany, w hutnictwie (topnik), w przemyśle chemicznym do produkcji węglika wapnia, sody, sody kaustycznej, wybielaczy, nawozów, przy produkcji cukru, szkła.

Kreda, marmur, drzewce islandzkie, gips, fluoryt itp. Mają znaczenie praktyczne. Ze względu na zdolność wiązania tlenu i azotu, wapń lub stopy wapnia z sodem i innymi metalami stosuje się do oczyszczania gazów szlachetnych oraz jako getter w próżniowych urządzeniach radiowych. Wapń wykorzystuje się także do produkcji wodorku, który jest źródłem wodoru na polu.

2. Pozyskiwanie wapnia

Istnieje kilka sposobów pozyskiwania wapnia, są to elektrolityczne, termiczne, próżniowo-termiczne.

.1 Elektrolityczna produkcja wapnia i jego stopów

Istota tej metody polega na tym, że katoda początkowo styka się ze stopionym elektrolitem. W miejscu styku tworzy się kropla metalu, która dobrze zwilża katodę, która przy powolnym i równomiernym podnoszeniu katody jest usuwana wraz z nią ze stopu i krzepnie. W tym przypadku zastygła kropla pokryta jest stałą warstwą elektrolitu, chroniącą metal przed utlenianiem i azotowaniem. Poprzez ciągłe i ostrożne podnoszenie katody wapń jest wciągany w pręciki.

2.2 Produkcja cieplna

wapń chemiczny elektrolityczny termiczny

· Proces chlorkowy: Technologia polega na topieniu i odwadnianiu chlorku wapnia, topieniu ołowiu, wytwarzaniu stopu dwuskładnikowego ołów-sód, wytwarzaniu stopu trójskładnikowego ołów-sód-wapń oraz rozcieńczaniu stopu trójskładnikowego ołowiem po usunięciu soli. Reakcja z chlorkiem wapnia przebiega według równania

CaCl 2 +Nie 2Pb 5=2NaCl + PbCa + 2Pb (12)

· Proces węglikowy: Podstawą produkcji stopu ołowiowo-wapniowego jest reakcja pomiędzy węglikiem wapnia a stopionym ołowiem zgodnie z równaniem

CaC 2+ 3Pb = Pb3 Ca+2C. (13)

2.3 Próżniowo-termiczna metoda wytwarzania wapnia

Surowce do metody próżniowo-termicznej

Surowcem do termicznej redukcji tlenku wapnia jest wapno otrzymywane w procesie kalcynacji wapienia. Główne wymagania dotyczące surowców są następujące: wapno musi być tak czyste, jak to możliwe i zawierać minimum zanieczyszczeń, które można zredukować i przekształcić w metal wraz z wapniem, zwłaszcza metalami alkalicznymi i magnezem. Wapień należy wypalać aż do całkowitego rozkładu węglanu, ale nie przed jego spiekaniem, gdyż redukowalność spiekanego materiału jest mniejsza. Wypalony produkt należy chronić przed absorpcją wilgoci i dwutlenku węgla, których uwalnianie podczas odzysku zmniejsza wydajność procesu. Technologia kalcynacji wapienia i obróbki wypalonego produktu jest podobna do technologii przetwarzania dolomitu na potrzeby krzemotermicznej metody produkcji magnezu.

.3.1 Aluminotermiczna metoda redukcji wapnia

Wykres zależności temperaturowej zmiany energii swobodnej utleniania szeregu metali (rys. 1) pokazuje, że tlenek wapnia jest jednym z najtrwalszych i najtrudniejszych do redukcji tlenków. Nie można go redukować innymi metalami w zwykły sposób - w stosunkowo niskiej temperaturze i ciśnieniu atmosferycznym. Wręcz przeciwnie, sam wapń jest doskonałym środkiem redukującym dla innych trudnych do redukcji związków oraz środkiem odtleniającym dla wielu metali i stopów. Redukcja tlenku wapnia za pomocą węgla jest na ogół niemożliwa ze względu na tworzenie się węglików wapnia. Jednakże ze względu na fakt, że wapń ma stosunkowo wysoką prężność pary, jego tlenek można redukować w próżni za pomocą aluminium, krzemu lub ich stopów zgodnie z reakcją

CaO + ja? Ca + MeO (14).

Dotychczas praktyczne zastosowanie znalazła jedynie aluminotermiczna metoda wytwarzania wapnia, gdyż znacznie łatwiej jest redukować CaO za pomocą aluminium niż krzemu. Istnieją różne poglądy na temat chemii redukcji tlenku wapnia za pomocą glinu. L. Pidgeon i I. Atkinson uważają, że reakcja przebiega z utworzeniem monoglinianu wapnia:

CaO + 2Al = CaO Al 2O3 + 3Ca. (15)

V. A. Pazukhin i A. Ya. Fischer wskazują, że proces ten zachodzi wraz z tworzeniem się glinianu trójwapniowego:

CaO + 2Al = 3CaO Al 2O 3+ 3Ca. (16)

Według A.I. Voinitsky'ego w reakcji dominuje tworzenie trójglinianu pięciowapniowego:

CaO + 6Al = 5CaO · 3Al 2O3 + 9Ca. (17)

Najnowsze badania A. Yu. Taitsa i A. I. Voinitsky’ego wykazały, że aluminotermiczna redukcja wapnia zachodzi etapowo. Początkowo uwalnianiu wapnia towarzyszy powstawanie 3CaO·AI 2O 3, który następnie reaguje z tlenkiem wapnia i glinem, tworząc 3CaO 3AI 2O 3. Reakcja przebiega według następującego schematu:

CaO + 6Al = 2 (3CaO Al 2O 3)+ 2CaO + 2Al + 6Ca

(3CaO Al 2O 3) + 2CaO + 2Al = 5CaO · 3Al 2O 3+ 3Ca

CaO+ 6A1 = 5CaO 3Al 2O 3+ 9Ca

Ponieważ redukcja tlenku następuje wraz z uwolnieniem pary wapnia, a pozostałe produkty reakcji są w stanie skondensowanym, łatwo jest je oddzielić i skondensować w chłodzonych obszarach pieca. Głównymi warunkami niezbędnymi do próżniowo-termicznej redukcji tlenku wapnia są wysoka temperatura i niskie ciśnienie resztkowe w układzie. Poniżej znajduje się zależność pomiędzy temperaturą i równowagowym ciśnieniem pary wapnia. Wyraża się energię swobodną reakcji (17), obliczoną dla temperatur 1124-1728° K

F T = 184820 + 6,95 T-12,1 T lg T.

Stąd logarytmiczna zależność równowagowego ciśnienia pary wapnia (mm Hg)

Lg p = 3,59 - 4430\T.

L. Pidgeon i I. Atkinson wyznaczyli doświadczalnie równowagową prężność pary wapnia. Szczegółową analizę termodynamiczną reakcji redukcji tlenku wapnia za pomocą glinu przeprowadził I. I. Matveenko, który podał następujące zależności temperaturowe ciśnienia równowagowego par wapnia:

Lgp Ca(1) =8,64 - 12930\T mmHg.

Lgp Ca(2) =8,62 - 11780\T mmHg.

Lgp Ca(3 )=8,75 - 12500\T mm Hg.

Dane obliczone i eksperymentalne porównano w tabeli. 1.

Tabela 1 - Wpływ temperatury na zmianę elastyczności równowagowej par wapnia w układach (1), (2), (3), (3), mm Hg.

Temperatura °СDane doświadczalne Obliczone w układach(1)(2)(3)(3) )1401 1451 1500 1600 17000,791 1016 - - -0,37 0,55 1,2 3,9 11,01,7 3,2 5,6 18,2 492,7 3,5 4,4 6,6 9,50,66 1,4 2,5 8,5 25,7

Z powyższych danych jasno wynika, że ​​najkorzystniejsze warunki panują dla oddziaływań w układach (2) i (3) lub (3"). Odpowiada to obserwacjom, gdyż w pozostałościach wsadu po redukcja tlenku wapnia glinem.

Dane dotyczące elastyczności równowagowej pokazują, że redukcja tlenku wapnia glinem jest możliwa w temperaturze 1100-1150 ° C. Aby osiągnąć praktycznie akceptowalną szybkość reakcji, ciśnienie resztkowe w systemie wzrostu musi być poniżej równowagi P równa się , czyli należy zachować nierówność P równa się > P ost , a proces należy prowadzić w temperaturze około 1200°C. Badania wykazały, że w temperaturze 1200-1250°C osiąga się wysokie wykorzystanie (do 70-75%) i niskie jednostkowe zużycie aluminium (około 0,6-0,65 kg na kg wapnia).

Zgodnie z powyższą interpretacją chemii procesu optymalnym składem jest wsad przeznaczony do tworzenia w pozostałości 5CaO 3Al 2O 3. Aby zwiększyć stopień wykorzystania aluminium, warto dodać pewien nadmiar tlenku wapnia, ale nie za duży (10-20%), w przeciwnym razie będzie to miało negatywny wpływ na inne wskaźniki procesu. Wraz ze wzrostem stopnia rozdrobnienia aluminium z cząstek 0,8-0,2 mm do minus 0,07 mm (według V. A. Pazukhina i A. Ya. Fischera) zastosowanie aluminium w reakcji wzrasta z 63,7 do 78%.

Na zastosowanie aluminium wpływa również sposób brykietowania wsadu. Mieszankę wapna i sproszkowanego aluminium należy brykietować bez spoiw (w celu uniknięcia wydzielania się gazu w próżni) pod ciśnieniem 150 kg/cm3 2. Przy niższych ciśnieniach zastosowanie aluminium maleje ze względu na segregację roztopionego aluminium w nadmiernie porowate brykiety, a przy wysokich ciśnieniach – ze względu na słabą przepuszczalność gazów. Kompletność i szybkość odzysku zależą również od gęstości brykietów w retorcie. Układając je bez szczelin, gdy przepuszczalność gazu całej klatki jest niska, użycie aluminium znacznie się zmniejsza.

Rycina 2 - Schemat otrzymywania wapnia metodą próżniowo-termiczną.

Technologia metody aluminiowo-termicznej

Schemat technologiczny wytwarzania wapnia metodą aluminotermiczną przedstawiono na ryc. 2. Jako materiał wyjściowy stosuje się wapień, a jako środek redukujący stosuje się proszek aluminiowy wykonany z aluminium pierwotnego (lepszego) lub wtórnego. Aluminium stosowane jako reduktor, podobnie jak surowce, nie powinno zawierać zanieczyszczeń metalami silnie lotnymi: magnezem, cynkiem, zasadami itp., które mogą odparować i przekształcić się w kondensat. Należy to wziąć pod uwagę przy wyborze gatunków aluminium pochodzącego z recyklingu.

Według opisu S. Loomisa i P. Stauba w USA, w fabryce New England Lime Co. w Canaan (Connecticut), wapń produkowany jest metodą aluminotermiczną. Stosowane jest wapno o typowym składzie,%: 97,5 CaO, 0,65 MgO, 0,7 SiO 2, 0,6 Fe 2Oz + AlOz, 0,09 Na 2O+K 2Och, 0,5 to reszta. Kalcynowany produkt mielono w młynie Raymonda z separatorem odśrodkowym, stopień rozdrobnienia wynosił (60%) minus 200 mesh. Jako reduktor stosuje się pył aluminiowy będący produktem odpadowym powstającym przy produkcji proszku aluminiowego. Wapno palone z zamkniętych zbiorników i aluminium z beczek podawane jest na wagę dozującą, a następnie do mieszalnika. Po wymieszaniu mieszaninę brykietuje się metodą suchą. We wspomnianym zakładzie redukcja wapnia odbywa się w piecach retortowych, w których wcześniej otrzymywano magnez metodą krzemotermiczną (rys. 3). Piece ogrzewane są gazem generatorowym. Każdy piec posiada 20 poziomych retort wykonanych ze stali żaroodpornej zawierającej 28% Cr i 15% Ni.

Rysunek 3 - Piec retortowy do produkcji wapnia

Długość retorty 3 m, średnica 254 mm, grubość ścianki 28 mm. Redukcja następuje w nagrzanej części retorty, natomiast kondensacja następuje w chłodzonym końcu wystającym z mowy. Brykiety wprowadza się do retorty w workach papierowych, następnie wkłada kondensatory i zamyka retortę. Na początku cyklu powietrze jest wypompowywane za pomocą mechanicznych pomp próżniowych. Następnie podłącza się pompy dyfuzyjne i ciśnienie resztkowe zmniejsza się do 20 mikronów.

Retorty podgrzewa się do 1200°. Za 12 godzin. Po załadunku retorty są otwierane i rozładowywane. Powstały wapń ma postać pustego cylindra o gęstej masie dużych kryształów osadzonych na powierzchni stalowej tulei. Głównym zanieczyszczeniem wapnia jest magnez, który ulega redukcji w pierwszej kolejności i koncentruje się głównie w warstwie przylegającej do tulei. Średnia zawartość zanieczyszczeń wynosi; 0,5-1% Mg, ok. 0,2% Al, 0,005-0,02% Mn, do 0,02% N, inne zanieczyszczenia - Cu, Pb, Zn, Ni, Si, Fe – występują w przedziale 0,005-0,04%. A. Yu. Taits i A. I. Voinitsky wykorzystali półfabryczny elektryczny piec próżniowy z grzejnikami węglowymi do produkcji wapnia metodą aluminotermiczną i osiągnęli stopień wykorzystania aluminium na poziomie 60%, jednostkowe zużycie aluminium na poziomie 0,78 kg, jednostkowe zużycie wsadu na poziomie 60%. 4,35 kg i jednostkowe zużycie energii elektrycznej 14 kW/h na 1 kg metalu.

Powstały metal, z wyjątkiem domieszki magnezu, wyróżniał się stosunkowo dużą czystością. Średnio zawartość w nim zanieczyszczeń wynosiła: 0,003-0,004% Fe, 0,005-0,008% Si, 0,04-0,15% Mn, 0,0025-0,004% Cu, 0,006-0,009% N, 0,25% Al.

2.3.2 Metoda odzyskiwania krzemotermiczna wapń

Metoda krzemotermiczna jest bardzo kusząca; środkiem redukującym jest żelazokrzem, odczynnik znacznie tańszy niż aluminium. Proces krzemotermiczny jest jednak trudniejszy w realizacji niż proces aluminotermiczny. Redukcja tlenku wapnia przez krzem przebiega według równania

CaO + Si = 2CaO SiO2 + 2Ca. (18)

Równowagowa prężność pary wapnia, obliczona na podstawie wartości energii swobodnej, wynosi:

°С1300140015001600Р, mm Hg. st0.080.150.752.05

Dlatego w próżni rzędu 0,01 mm Hg. Sztuka. redukcja tlenku wapnia jest możliwa termodynamicznie w temperaturze 1300°. W praktyce, aby zapewnić akceptowalną prędkość, proces należy prowadzić w temperaturze 1400-1500°.

Nieco łatwiej zachodzi reakcja redukcji tlenku wapnia krzemoglinem, w której jako środki redukujące służą zarówno stopy aluminium, jak i krzemu. Eksperymenty wykazały, że początkowo dominuje redukcja za pomocą aluminium; i reakcja przebiega z ostatecznym utworzeniem bCaO 3Al 2Oz zgodnie ze schematem przedstawionym powyżej (ryc. 1). Redukcja krzemu staje się znacząca w wyższych temperaturach, gdy większość aluminium przereagowała; reakcja przebiega z utworzeniem 2CaO SiO 2. Podsumowując, reakcję redukcji tlenku wapnia z krzemoglinem wyraża się następującym równaniem:

mSi + n Al + (4m +2 ?) CaO = m(2CaO·SiO 2) + ?n(5CaO Al 2O3 ) + (2m +1, 5n) Ok.

Badania A. Yu. Taitsa i A. I. Voinitsky'ego wykazały, że tlenek wapnia ulega redukcji o 75% żelazokrzemu z wydajnością metalu 50-75% w temperaturze 1400-1450° w próżni 0,01-0,03 mm Hg. Sztuka.; krzemoglin zawierający 60-30% Si i 32-58% Al (reszta to żelazo, tytan itp.), redukuje tlenek wapnia z wydajnością metalu około 70% w temperaturach 1350-1400° w próżni 0,01-0,05 mm Hg. Sztuka. Doświadczenia w skali półfabrycznej wykazały zasadniczą możliwość wytwarzania wapnia z wapna przy użyciu żelazokrzemu i krzemoglinu. Główną trudnością sprzętową jest wybór stojaka w warunkach tego procesu wykładania.

Rozwiązując ten problem, metodę można wdrożyć w przemyśle. Rozkład węglika wapnia Otrzymywanie metalicznego wapnia poprzez rozkład węglika wapnia

CaC2 = Ca + 2C

należy uznać za metodę obiecującą. W tym przypadku jako drugi produkt otrzymuje się grafit. V. Mauderli, E. Moser i V. Treadwell, obliczywszy energię swobodną tworzenia węglika wapnia na podstawie danych termochemicznych, otrzymali następujące wyrażenie na prężność pary wapnia nad czystym węglikiem wapnia:

ok = 1,35 - 4505\T (1124-1712°K),

lgp ok = 6,62 - 13523\T (1712-2000°K).

Najwyraźniej dostępny w handlu węglik wapnia rozkłada się w znacznie wyższych temperaturach, niż wynika z tych wyrażeń. Ci sami autorzy opisują rozkład termiczny węglika wapnia na zwarte kawałki w temperaturze 1600-1800° w próżni 1 mm Hg. Sztuka. Wydajność grafitu wyniosła 94%, wapń otrzymano w postaci gęstej powłoki na lodówce. A. S. Mikulinsky, F. S. Morii, R. Sh. Shklyar w celu określenia właściwości grafitu otrzymanego przez rozkład węglika wapnia, ten ostatni ogrzewano w próżni 0,3-1 mm Hg. Sztuka. w temperaturze 1630-1750°. Powstały grafit różni się od grafitu Achesona większymi ziarnami, większą przewodnością elektryczną i mniejszą masą objętościową.

3. Część praktyczna

Dobowy wypływ magnezu z elektrolizera przy prądzie 100 kA przy zasilaniu kąpieli chlorkiem magnezu wynosił 960 kg. Napięcie na elektrolizerze wynosi 0,6 V. Określ:

)Wyjście prądowe na katodzie;

)Ilość produkowanego chloru dziennie, pod warunkiem, że prąd wyjściowy na anodzie jest równy prądowi wyjściowemu na anodzie;

)Codzienne uzupełnianie MgCl 2do elektrolizera pod warunkiem, że utrata MgCl 2 występują głównie w przypadku osadów i sublimacji. Ilość osadu wynosi 0,1 na 1 tonę Mg zawierającego MgCl 2 w sublimacie 50%. Ilość sublimacji wynosi 0,05 t na 1 t Mg. Skład wlewanego chlorku magnezu,%: 92 MgCl2 i 8 NaCl.

.Określ prąd wyjściowy na katodzie:

M pr =Ja ?·k Mg · ?

?= m pr \I· ?k Mg =960000\100000·0,454·24=0,881 lub 88,1%

.Określ ilość Cl otrzymywaną dziennie:

x=960000g\24g\mol=40000 mol

Konwersja na objętość:

x=126785,7 m3

3.a) Znajdź czysty MgCl 2, aby wyprodukować 960 kg Mg.

x=95·960\24,3=3753 kg=37,53 t.

b) straty z osadem. Ze składu elektrolizerów magnezu %: 20-35 MgO, 2-5 Mg, 2-6 Fe, 2-4 SiO 2, 0,8-2 TiO2 2, 0,4-1,0°C, 35 MgCl2 .

kg - 1000 kg

M Wow =960 kg - masa osadu na dzień.

Na dzień 96 kg osadu: 96·0,35 (MgCl2 z osadem).

c) straty z sublimatami:

kg - 1000 kg

kg sublimuje: 48·0,5=24 kg MgCl 2 z sublimatami.

Całkowity Mg, który należy uzupełnić:

33,6+24=3810,6 kg MgCl2 za dzień

Wykaz używanej literatury

Podstawy metalurgii III

<#"justify">metalurgia Al i Mg. Vetyukov M.M., Tsyplokov A.M.

Korepetycje

Potrzebujesz pomocy w studiowaniu jakiegoś tematu?

Nasi specjaliści doradzą lub zapewnią korepetycje z interesujących Cię tematów.
Prześlij swoją aplikację wskazując temat już teraz, aby dowiedzieć się o możliwości uzyskania konsultacji.

Wapń(Wapń), Ca, pierwiastek chemiczny II grupy układu okresowego Mendelejewa, liczba atomowa 20, masa atomowa 40,08; srebrno-biały metal lekki. Pierwiastek naturalny to mieszanina sześciu stabilnych izotopów: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca i 48 Ca, z czego 40 Ca występuje w największej ilości (96,97%).

Związki Ca – wapień, marmur, gips (a także wapno – produkt kalcynacji wapienia) były stosowane w budownictwie już w starożytności. Do końca XVIII wieku chemicy uważali wapno za proste ciało stałe. W 1789 r. A. Lavoisier zasugerował, że wapno, tlenek magnezu, baryt, tlenek glinu i krzemionka są substancjami złożonymi. W 1808 roku G. Davy poddając elektrolizie mieszaninę mokrego wapna gaszonego z tlenkiem rtęci na katodzie rtęciowej otrzymał amalgamat Ca, z którego destylując rtęć otrzymał metal zwany „wapniem” (od łacińskiego kalx, rodzaj wapń - limonka).

Rozkład wapnia w przyrodzie. Pod względem liczebności w skorupie ziemskiej Ca zajmuje 5. miejsce (po O, Si, Al i Fe); zawartość 2,96% wag. Energicznie migruje i gromadzi się w różnych układach geochemicznych, tworząc 385 minerałów (4. miejsce pod względem liczby minerałów). W płaszczu Ziemi jest niewiele Ca, a prawdopodobnie jeszcze mniej w jądrze Ziemi (0,02% w meteorytach żelaznych). Ca przeważa w dolnej części skorupy ziemskiej, gromadząc się w głównych skałach; większość Ca zawarta jest w skaleniu – Ca anortycie; zawartość w skałach zasadowych wynosi 6,72%, w skałach kwaśnych (granity i inne) 1,58%. W biosferze następuje wyjątkowo ostre zróżnicowanie Ca, związane głównie z „równowagą węglanową”: gdy dwutlenek węgla oddziałuje z węglanem CaCO 3, powstaje rozpuszczalny wodorowęglan Ca(HCO 3) 2: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2 = Ca 2+ + 2HCO 3-. Reakcja ta jest odwracalna i stanowi podstawę redystrybucji Ca. Gdy zawartość CO 2 w wodzie jest wysoka, Ca znajduje się w roztworze, a gdy zawartość CO 2 jest niska, mineralny kalcyt CaCO 3 wytrąca się, tworząc grube osady wapienia, kredy i marmuru.

Migracja biogenna odgrywa również ogromną rolę w historii Ca. W żywej materii pierwiastków metalowych głównym Ca jest. Znane są organizmy zawierające powyżej 10% Ca (więcej węgla), budujące swój szkielet ze związków Ca, głównie z CaCO 3 (glony wapienne, wiele mięczaków, szkarłupni, koralowców, kłączy itp.). Z pochówkiem szkieletów w morzu. zwierzęta i rośliny wiążą się z nagromadzeniem kolosalnych mas glonów, koralowców i innych wapieni, które zanurzając się w głębiny ziemi i mineralizując, zamieniają się w różnego rodzaju marmury.

Rozległe obszary o wilgotnym klimacie (strefy leśne, tundra) charakteryzują się niedoborem Ca – tutaj jest on łatwo wymywane z gleby. Jest to związane z niską żyznością gleb, niską produktywnością zwierząt domowych, ich niewielkimi rozmiarami i często chorobami układu kostnego. Dlatego też duże znaczenie ma wapnowanie gleb, żywienie zwierząt domowych i ptaków itp. W klimacie suchym CaCO 3 jest słabo rozpuszczalny, dlatego krajobrazy stepów i pustyń są bogate w Ca. Na słonych bagnach i słonych jeziorach często gromadzi się gips CaSO 4 · 2H 2 O.

Rzeki przynoszą do oceanu duże ilości Ca, który jednak nie zatrzymuje się w wodzie oceanicznej (średnia zawartość 0,04%), ale gromadzi się w szkieletach organizmów, a po ich śmierci odkłada się na dnie głównie w postaci CaCO 3. Muły wapienne są szeroko rozpowszechnione na dnie wszystkich oceanów na głębokościach nie większych niż 4000 m (na większych głębokościach CaCO 3 rozpuszcza się, a tamtejsze organizmy często cierpią na niedobór Ca).

Wody podziemne odgrywają ważną rolę w migracji Ca. W masywach wapiennych miejscami intensywnie wypłukują CaCO 3, co wiąże się z rozwojem krasu, powstawaniem jaskiń, stalaktytów i stalagmitów. Oprócz kalcytu, w morzach minionych epok geologicznych powszechne było osadzanie się fosforanów Ca (np. złoża fosforytów Karatau w Kazachstanie), dolomitu CaCO 3 ·MgCO 3, a w lagunach podczas parowania – gipsu.

Na przestrzeni historii geologicznej wzrosło tworzenie się biogennych węglanów i zmniejszyło się chemiczne wytrącanie kalcytu. W morzach prekambryjskich (ponad 600 milionów lat temu) nie było zwierząt o wapiennych szkieletach; rozpowszechniły się od kambru (koralowce, gąbki itp.). Jest to związane z wysoką zawartością CO 2 w atmosferze prekambryjskiej.

Właściwości fizyczne wapnia. Sieć krystaliczna formy α Ca (stabilna w zwykłych temperaturach) jest sześcienna skupiona na ścianie, a = 5,56 Å. Promień atomowy 1,97 Å, promień jonowy Ca 2+ 1,04 Å. Gęstość 1,54 g/cm3 (20°C). Powyżej 464 ° C sześciokątna forma β jest stabilna. t topnienia 851°C, t wrzenia 1482°C; współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej 22,10 -6 (0-300 °C); przewodność cieplna w 20°C 125,6 W/(m K) lub 0,3 cal/(cm sec°C); pojemność cieplna właściwa (0-100 °C) 623,9 J/(kg·K) lub 0,149 cal/(g °C); rezystywność elektryczna w 20 °C 4,6·10 -8 om·m lub 4,6·10 -6 om·cm; współczynnik temperaturowy oporu elektrycznego wynosi 4,57·10 -3 (20°C). moduł sprężystości 26 Gn/m2 (2600 kgf/mm2); wytrzymałość na rozciąganie 60 MN/m 2 (6 kgf/mm 2); granica sprężystości 4 MN/m 2 (0,4 kgf/mm 2), granica plastyczności 38 MN/m 2 (3,8 kgf/mm 2); wydłużenie względne 50%; Twardość Brinella 200-300 Mn/m2 (20-30 kgf/mm2). Wapń o odpowiednio dużej czystości jest plastyczny, łatwo się go tłoczy, walcuje i poddaje się cięciu.

Właściwości chemiczne wapnia. Konfiguracja zewnętrznej powłoki elektronowej atomu Ca 4s 2, zgodnie z którą Ca w związkach jest 2-wartościowy. Chemicznie Ca jest bardzo aktywny. W normalnych temperaturach Ca łatwo wchodzi w interakcję z tlenem i wilgocią zawartą w powietrzu, dlatego przechowuje się go w hermetycznie zamkniętych pojemnikach lub pod olejem mineralnym. Po podgrzaniu w powietrzu lub tlenie zapala się, dając zasadowy tlenek CaO. Znane są również nadtlenki Ca - CaO 2 i CaO 4. Ca początkowo szybko reaguje z zimną wodą, następnie reakcja ulega spowolnieniu w wyniku tworzenia się filmu Ca(OH) 2. Ca reaguje energicznie z gorącą wodą i kwasami, uwalniając H2 (z wyjątkiem stężonego HNO3). Reaguje z fluorem na zimno oraz z chlorem i bromem - powyżej 400°C, dając odpowiednio CaF 2, CaCl 2 i CaBr 2. W stanie stopionym halogenki te tworzą tzw. podzwiązki z Ca - CaF, CaCl, w którym Ca jest formalnie jednowartościowy. Po podgrzaniu Ca z siarką otrzymuje się siarczek wapnia CaS, ten ostatni dodaje siarkę, tworząc polisiarczki (CaS 2, CaS 4 i inne). Oddziałując z suchym wodorem w temperaturze 300-400°C, Ca tworzy wodorek CaH2 – związek jonowy, w którym wodór jest anionem. W temperaturze 500°C Ca i azot dają azotek Ca3N2; interakcja Ca z amoniakiem na zimno prowadzi do złożonego amoniaku Ca 6. Po podgrzaniu bez dostępu powietrza za pomocą grafitu, krzemu lub fosforu Ca daje odpowiednio węglik wapnia CaC 2, krzemki Ca 2 Si, CaSi, CaSi 2 i fosforek Ca 3 P 2. Ca tworzy związki międzymetaliczne z Al, Ag, Au, Cu, Li, Mg, Pb, Sn i innymi.

Uzyskiwanie wapnia. W przemyśle Ca otrzymuje się na dwa sposoby: 1) przez ogrzewanie brykietowanej mieszaniny proszku CaO i Al w temperaturze 1200 °C w próżni 0,01-0,02 mm Hg. Sztuka.; uwalniany w reakcji: 6CaO + 2 Al = 3CaO·Al 2 O 3 + 3Ca Pary Ca kondensują na zimnej powierzchni; 2) W drodze elektrolizy stopu CaCl 2 i KCl z ciekłą katodą miedziowo-wapniową otrzymuje się stop Cu - Ca (65% Ca), z którego oddestylowuje się Ca w temperaturze 950-1000°C w reaktorze próżnia 0,1-0,001 mm Hg. Sztuka.

Zastosowanie wapnia. W postaci czystego metalu Ca stosuje się jako środek redukujący U, Th, Cr, V, Zr, Cs, Rb i niektóre metale ziem rzadkich z ich związków. Stosowany jest także do odtleniania stali, brązów i innych stopów, do usuwania siarki z produktów naftowych, do odwadniania cieczy organicznych, do oczyszczania argonu z zanieczyszczeń azotowych oraz jako pochłaniacz gazów w elektrycznych urządzeniach próżniowych. W technologii szeroko stosowane są materiały przeciwcierne układu Pb-Na-Ca, a także stopy Pb-Ca stosowane do produkcji powłok elektrycznych. kable Stop Ca-Si-Ca (krzemowowapniowy) stosowany jest jako odtleniacz i odgazowujący przy produkcji stali wysokiej jakości.

Wapń w organizmie. Ca jest jednym z pierwiastków biogennych niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania procesów życiowych. Jest obecny we wszystkich tkankach i płynach zwierząt i roślin. W środowisku pozbawionym Ca. W niektórych organizmach zawartość Ca sięga 38%; u ludzi - 1,4-2%. Komórki organizmów roślinnych i zwierzęcych wymagają ściśle określonych proporcji jonów Ca 2+, Na + i K + w środowiskach zewnątrzkomórkowych. Rośliny pozyskują Ca z gleby. Ze względu na związek z Ca rośliny dzielą się na kalcefile i kalcefoby. Zwierzęta pozyskują Ca z pożywienia i wody. Ca jest niezbędny do tworzenia szeregu struktur komórkowych, utrzymania prawidłowej przepuszczalności zewnętrznych błon komórkowych, zapłodnienia jaj ryb i innych zwierząt oraz aktywacji szeregu enzymów. Jony Ca 2+ przenoszą pobudzenie na włókno mięśniowe, powodując jego skurcz, zwiększają siłę skurczów serca, zwiększają funkcję fagocytarną leukocytów, aktywują system ochronnych białek krwi i uczestniczą w jej krzepnięciu. W komórkach prawie cały Ca występuje w postaci związków z białkami, kwasami nukleinowymi, fosfolipidami oraz w kompleksach z nieorganicznymi fosforanami i kwasami organicznymi. W osoczu krwi ludzi i zwierząt wyższych tylko 20-40% Ca może zostać związane z białkami. U zwierząt ze szkieletem aż 97-99% całego Ca jest wykorzystywane jako materiał budowlany: u bezkręgowców głównie w postaci CaCO 3 (muszle mięczaków, koralowce), u kręgowców - w postaci fosforanów. Wiele bezkręgowców magazynuje Ca przed linieniem w celu zbudowania nowego szkieletu lub zapewnienia funkcji życiowych w niesprzyjających warunkach.

Zawartość Ca we krwi ludzi i zwierząt wyższych jest regulowana przez hormony przytarczyc i tarczycy. Witamina D odgrywa kluczową rolę w tych procesach. Wchłanianie Ca zachodzi w przedniej części jelita cienkiego. Wchłanianie Ca pogarsza się wraz ze spadkiem kwasowości jelit i zależy od stosunku Ca, P i tłuszczu w pożywieniu. Optymalny stosunek Ca/P w mleku krowim wynosi około 1,3 (w ziemniakach 0,15, w fasoli 0,13, w mięsie 0,016). Jeśli w pożywieniu występuje nadmiar P lub kwasu szczawiowego, wchłanianie Ca ulega pogorszeniu. Kwasy żółciowe przyspieszają jego wchłanianie. Optymalny stosunek Ca/tłuszcz w pożywieniu człowieka wynosi 0,04-0,08 g Ca na 1 g tłuszczu. Wydalanie Ca odbywa się głównie przez jelita. Ssaki tracą dużo Ca w mleku podczas laktacji. W przypadku zaburzeń metabolizmu fosforu i wapnia u młodych zwierząt i dzieci rozwija się krzywica, a u dorosłych zwierząt rozwijają się zmiany w składzie i strukturze szkieletu (osteomalacja).

Spośród wszystkich elementów układu okresowego można wyróżnić kilka, bez których nie tylko w organizmach żywych rozwijają się różne choroby, ale w ogóle niemożliwe jest normalne życie i rozwój. Jednym z nich jest wapń.

Co ciekawe, kiedy mówimy o tym metalu jako o prostej substancji, nie przynosi on żadnych korzyści dla ludzi, a nawet szkodzi. Jednak gdy tylko wspomnisz o jonach Ca 2+, natychmiast pojawia się wiele punktów charakteryzujących ich znaczenie.

Pozycja wapnia w układzie okresowym

Charakterystyka wapnia, jak każdego innego pierwiastka, rozpoczyna się od wskazania jego położenia w układzie okresowym. Przecież dzięki niemu można się wiele dowiedzieć o danym atomie:

• ładunek jądrowy;
• liczba elektronów i protonów, neutronów;
• stopień utlenienia, najwyższy i najniższy;
• konfiguracja elektroniczna i inne ważne rzeczy.

Pierwiastek, który rozważamy, znajduje się w czwartym głównym okresie drugiej grupy, głównej podgrupy, i ma numer seryjny 20. Również chemiczny układ okresowy pokazuje masę atomową wapnia - 40,08, co jest średnią wartością istniejące izotopy danego atomu.

Stopień utlenienia jest jeden, zawsze stały, równy +2. Formuła CaO. Łacińska nazwa pierwiastka to wapń, stąd symbol atomu Ca.

Charakterystyka wapnia jako substancji prostej

W normalnych warunkach pierwiastek ten jest metalem o srebrzystobiałym kolorze. Wzór wapnia jako substancji prostej to Ca. Dzięki dużej aktywności chemicznej może tworzyć wiele związków należących do różnych klas.

W stanie stałym skupienia nie wchodzi w skład organizmu człowieka, dlatego ma znaczenie dla potrzeb przemysłowych i technicznych (głównie syntez chemicznych).

Jest to jeden z najpowszechniejszych metali w skorupie ziemskiej, którego zawartość wynosi około 1,5%. Należy do grupy ziem alkalicznych, ponieważ po rozpuszczeniu w wodzie tworzy zasady, ale w naturze występuje w postaci wielu minerałów i soli. Woda morska zawiera dużo wapnia (400 mg/l).

Sieć krystaliczna

Charakterystykę wapnia tłumaczy się strukturą sieci krystalicznej, która może być dwojakiego rodzaju (ponieważ istnieje forma alfa i beta):

• sześcienny twarzocentryczny;
• objętościocentryczny.

Rodzaj wiązania w cząsteczce jest metaliczny; w miejscach sieci, jak w przypadku wszystkich metali, znajdują się jony atomowe.

Będąc w naturze

W naturze występuje kilka głównych substancji zawierających ten pierwiastek.

1. Woda morska.
2. Skały i minerały.
3. Organizmy żywe (muszle i muszle, tkanka kostna itp.).
4. Wody gruntowe w skorupie ziemskiej.

Jako naturalne źródła wapnia można zidentyfikować następujące rodzaje skał i minerałów.

1. Dolomit jest mieszaniną węglanu wapnia i magnezu.
2. Fluoryt to fluorek wapnia.
3. Gips - CaSO 4 · 2H 2 O.
4. Kalcyt – kreda, wapień, marmur – węglan wapnia.
5. Alabaster - CaSO 4 · 0,5H 2 O.
6. Apetyt.

W sumie istnieje około 350 różnych minerałów i skał zawierających wapń.

Metody uzyskiwania

Przez długi czas nie można było wyizolować metalu w postaci wolnej, gdyż jego aktywność chemiczna jest wysoka i nie występuje w przyrodzie w czystej postaci. Dlatego aż do XIX wieku (1808) omawiany pierwiastek był kolejną zagadką układu okresowego.

Angielski chemik Humphry Davy zdołał zsyntetyzować wapń jako metal. To on jako pierwszy odkrył osobliwości oddziaływania stopionych minerałów i soli z prądem elektrycznym. Obecnie najbardziej odpowiednią metodą otrzymywania tego metalu jest elektroliza jego soli, takich jak:

• mieszanina chlorków wapnia i potasu;
• mieszanina fluoru i chlorku wapnia.

Możliwe jest również ekstrahowanie wapnia z jego tlenku za pomocą aluminotermii, metody powszechnie stosowanej w metalurgii.

Właściwości fizyczne

Charakterystykę wapnia według parametrów fizycznych można opisać w kilku punktach.

1. Stan skupienia jest stały w normalnych warunkach.
2. Temperatura topnienia - 842 0 C.
3. Metal jest miękki i można go ciąć nożem.
4. Kolor - srebrno-biały, błyszczący.
5. Ma dobre właściwości przewodzące i przewodzące ciepło.
6. Pod wpływem długotrwałego ogrzewania zamienia się w ciecz, a następnie w stan pary, tracąc swoje właściwości metaliczne. Temperatura wrzenia 1484 0 C.

Właściwości fizyczne wapnia mają jedną osobliwość. Metal poddawany naciskowi w pewnym momencie traci swoje właściwości metaliczne i zdolność przewodzenia prądu elektrycznego. Jednak wraz z dalszym wzrostem ekspozycji zostaje on ponownie przywrócony i objawia się jako nadprzewodnik, kilkakrotnie wyższy w tych wskaźnikach niż inne pierwiastki.

Właściwości chemiczne

Aktywność tego metalu jest bardzo wysoka. Dlatego istnieje wiele interakcji, w które wchodzi wapń. Reakcje ze wszystkimi niemetalami są dla niego powszechne, ponieważ jako środek redukujący jest bardzo silny.

1. W normalnych warunkach łatwo reaguje tworząc odpowiednie związki binarne z: halogenami, tlenem.
2. Po podgrzaniu: wodór, azot, węgiel, krzem, fosfor, bor, siarka i inne.
3. Na świeżym powietrzu natychmiast wchodzi w interakcję z dwutlenkiem węgla i tlenem, przez co pokrywa się szarym nalotem.
4. Reaguje gwałtownie z kwasami, czasami powodując zapalenie.

Ciekawe właściwości wapnia pojawiają się w przypadku soli. Zatem piękne jaskinie wyrastające na stropach i ścianach to nic innego jak uformowanie się z biegiem czasu z wody, dwutlenku węgla i wodorowęglanów pod wpływem procesów zachodzących w wodach podziemnych.

Biorąc pod uwagę, jak aktywny jest metal w normalnym stanie, przechowuje się go w laboratoriach, podobnie jak metale alkaliczne. W pojemniku z ciemnego szkła, z szczelnie zamkniętą pokrywką i pod warstwą nafty lub parafiny.

Jakościową reakcją na jon wapnia jest zabarwienie płomienia na piękny, bogaty ceglasty kolor. Metal w składzie związków można również rozpoznać po nierozpuszczalnych osadach niektórych jego soli (węglan wapnia, fluorek, siarczan, fosforan, krzemian, siarczyn).

Połączenia metalowe

Rodzaje związków metali są następujące:

• tlenek;
• wodorotlenek;
• sole wapnia (średnie, kwaśne, zasadowe, podwójne, złożone).

Tlenek wapnia znany jako CaO służy do tworzenia materiału budowlanego (wapna). Jeśli ugasisz tlenek wodą, otrzymasz odpowiedni wodorotlenek, który wykazuje właściwości zasady.

Duże znaczenie praktyczne mają różne sole wapnia, które znajdują zastosowanie w różnych sektorach gospodarki. Wspomnieliśmy już powyżej, jakie rodzaje soli istnieją. Podajmy przykłady rodzajów tych połączeń.

1. Sole średnie - węglan CaCO 3, fosforan Ca 3 (PO 4) 2 i inne.
2. Kwaśny - wodorosiarczan CaHSO 4.
3. Najważniejsze z nich to wodorowęglan (CaOH) 3 PO 4.
4. Kompleks - Cl 2.
5. Podwójne - 5Ca(NO 3) 2 *NH 4 NO 3 *10H 2 O.

To właśnie w postaci związków tej klasy wapń jest ważny dla układów biologicznych, ponieważ sole są źródłem jonów dla organizmu.

Rola biologiczna

Dlaczego wapń jest ważny dla organizmu człowieka? Powodów jest kilka.

1. To właśnie jony tego pierwiastka wchodzą w skład substancji międzykomórkowej i płynu tkankowego, uczestnicząc w regulacji mechanizmów wzbudzenia, produkcji hormonów i neuroprzekaźników.
2. Wapń gromadzi się w kościach i szkliwie zębów w ilości około 2,5% całkowitej masy ciała. To całkiem sporo i odgrywa ważną rolę we wzmocnieniu tych struktur, utrzymaniu ich wytrzymałości i stabilności. Bez tego rozwój organizmu jest niemożliwy.
3. Krzepnięcie krwi zależy również od danych jonów.
4. Jest częścią mięśnia sercowego, biorącą udział w jego pobudzeniu i skurczu.
5. Bierze udział w procesach egzocytozy i innych zmian wewnątrzkomórkowych.

Jeśli ilość spożywanego wapnia nie jest wystarczająca, wówczas choroby takie jak:

• krzywica;
• osteoporoza;
• choroby krwi.

Dzienne spożycie dla osoby dorosłej wynosi 1000 mg, a dla dzieci powyżej 9. roku życia 1300 mg. Aby zapobiec nadmiarowi tego pierwiastka w organizmie, nie należy przekraczać określonej dawki. W przeciwnym razie mogą rozwinąć się choroby jelit.

Dla wszystkich innych żywych istot wapń jest nie mniej ważny. Na przykład, chociaż wiele z nich nie ma szkieletu, ich zewnętrznym środkiem wzmacniającym są również formacje tego metalu. Wśród nich:

• skorupiak;
• małże i ostrygi;
• gąbki;
• polipy koralowe.

Wszyscy noszą na plecach lub w zasadzie tworzą w trakcie życia pewien zewnętrzny szkielet, który chroni ich przed wpływami zewnętrznymi i drapieżnikami. Jego głównym składnikiem są sole wapnia.

Kręgowce, podobnie jak ludzie, potrzebują tych jonów do prawidłowego wzrostu i rozwoju i otrzymują je z pożywienia.

Istnieje wiele opcji, dzięki którym można uzupełnić brakujący pierwiastek w organizmie. Najlepsze są oczywiście metody naturalne – produkty zawierające pożądany atom. Jeżeli jednak z jakichś powodów jest to niewystarczające lub niemożliwe, dopuszczalna jest także droga medyczna.

Zatem lista produktów zawierających wapń wygląda mniej więcej tak:

• nabiał i fermentowane produkty mleczne;
• ryba;
• zielony;
• zboża (kasza gryczana, ryż, wypieki z mąki pełnoziarnistej);
• niektóre owoce cytrusowe (pomarańcze, mandarynki);
• rośliny strączkowe;
• wszystkie orzechy (zwłaszcza migdały i orzechy włoskie).

Jeśli jesteś uczulony na jakieś pokarmy lub nie możesz ich jeść z innego powodu, wówczas preparaty zawierające wapń pomogą uzupełnić poziom niezbędnego pierwiastka w organizmie.

Wszystkie są solami tego metalu, które mają zdolność łatwego wchłaniania przez organizm, szybko wchłaniają się do krwi i jelit. Wśród nich najbardziej popularne i używane są następujące.

1. Chlorek wapnia - roztwór do wstrzykiwań lub do podawania doustnego dorosłym i dzieciom. Różni się stężeniem soli w składzie; stosuje się go do „gorących zastrzyków”, ponieważ po wstrzyknięciu powoduje dokładnie to uczucie. Istnieją formy z sokiem owocowym ułatwiające podanie doustne.
2. Dostępny zarówno w postaci tabletek (0,25 lub 0,5 g), jak i roztworów do wstrzykiwań dożylnych. Często w formie tabletek zawiera różne dodatki owocowe.
3. Mleczan wapnia - dostępny w tabletkach 0,5 g.

Elektroujemność 1,00 (skala Paulinga) Potencjał elektrody −2,76 Stany utlenienia 2 Energia jonizacji
(pierwszy elektron) 589,4 (6,11) kJ/mol (eV) Właściwości termodynamiczne prostej substancji Gęstość (w normalnych warunkach) 1,55 g/cm3 Temperatura topnienia 1112 K; 838,85°C Temperatura wrzenia 1757 K; 1483,85°C Ud. ciepło topnienia 9,20 kJ/mol Ud. ciepło parowania 153,6 kJ/mol Molowa pojemność cieplna 25,9 J/(K mol) Objętość molowa 29,9 cm3/mol Sieć krystaliczna prostej substancji Struktura kratowa sześcienny, skupiony na twarzy Parametry sieci 5,580 Temperatura Debye’a 230 Inne cechy Przewodność cieplna (300 K) (201) W/(m·K) Numer CAS 7440-70-2 Widmo emisji

Historia i pochodzenie nazwy

Nazwa pierwiastka pochodzi od łac. calx (w dopełniaczu wapń) - „wapno”, „miękki kamień”. Zaproponował go angielski chemik Humphry Davy, który w 1808 roku wyizolował metaliczny wapń metodą elektrolityczną. Davy poddał mieszaninę mokrego wapna gaszonego elektrolizie na płycie platynowej, która służyła jako anoda. Katodą był drut platynowy zanurzony w cieczy. W wyniku elektrolizy otrzymano amalgamat wapnia. Po destylacji rtęci Davy otrzymał metal zwany wapniem.

Izotopy

Wapń występuje w przyrodzie jako mieszanina sześciu izotopów: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca i 48 Ca, wśród których najczęściej występujący – 40 Ca – stanowi 96,97%. Jądra wapnia zawierają magiczną liczbę protonów: Z= 20 . Izotopy 40
20Ca20
I 48
20Ca28
to dwa z pięciu podwójnie magicznych jąder istniejących w przyrodzie.

Z sześciu naturalnych izotopów wapnia pięć jest stabilnych. Szósty izotop 48 Ca, najcięższy z sześciu i bardzo rzadki (jego liczebność izotopowa wynosi tylko 0,187%), ulega podwójnemu rozpadowi beta z okresem półtrwania wynoszącym (4,39 ± 0,58)⋅10 19 lat.

W skałach i minerałach

Wapń, energicznie migrujący w skorupie ziemskiej i gromadzący się w różnych układach geochemicznych, tworzy 385 minerałów (czwarta co do wielkości liczba minerałów).

Większość wapnia zawarta jest w krzemianach i glinokrzemianach różnych skał (granity, gnejsy itp.), zwłaszcza w skaleniu - anortycie Ca.

Minerały wapniowe takie jak kalcyt CaCO 3 , anhydryt CaSO 4 , alabaster CaSO 4 ·0,5H 2 O i gips CaSO 4 ·2H 2 O, fluoryt CaF 2 , apatyty Ca 5 (PO 4) 3 (F,Cl, OH), dolomit MgCO 3 · CaCO 3 . Obecność soli wapnia i magnezu w wodzie naturalnej decyduje o jej twardości.

Skała osadowa składająca się głównie z kryptokrystalicznego kalcytu to wapień (jedną z jego odmian jest kreda). Regionalny metamorfizm przekształca wapień w marmur.

Migracja w skorupie ziemskiej

W naturalnej migracji wapnia znaczącą rolę odgrywa „równowaga węglanowa”, związana z odwracalną reakcją oddziaływania węglanu wapnia z wodą i dwutlenkiem węgla z utworzeniem rozpuszczalnego wodorowęglanu:

do za do O 3 + H. 2 O + do O 2 ⇄ do za (H do O 3) 2 ⇄ do za 2 + + 2 H. do O 3 - (\ Displaystyle (\ mathsf (CaCO_ (3) + H_ (2) O + CO_ (2) )\rightleftarrows Ca(HCO_(3))_(2)\rightleftarrows Ca^(2+)+2HCO_(3)^(-))))

(równowaga przesuwa się w lewo lub w prawo w zależności od stężenia dwutlenku węgla).

Migracja biogenna odgrywa ogromną rolę.

W biosferze

Związki wapnia znajdują się w prawie wszystkich tkankach zwierzęcych i roślinnych (patrz poniżej). Znaczna ilość wapnia występuje w organizmach żywych. Zatem hydroksyapatyt Ca 5 (PO 4) 3 OH, lub w innym wpisie 3Ca 3 (PO 4) 2 ·Ca(OH) 2, jest podstawą tkanki kostnej kręgowców, w tym człowieka; Muszle i skorupy wielu bezkręgowców, skorupki jaj itp. Zbudowane są z węglanu wapnia CaCO 3. W żywych tkankach ludzi i zwierząt znajduje się 1,4-2% Ca (ułamek masowy); w organizmie człowieka o masie 70 kg zawartość wapnia wynosi około 1,7 kg (głównie w substancji międzykomórkowej tkanki kostnej).

Paragon

Wolny wapń metaliczny otrzymuje się poprzez elektrolizę stopu składającego się z CaCl 2 (75-80%) i KCl lub z CaCl 2 i CaF 2, a także redukcję aluminotermiczną CaO w temperaturze 1170-1200 °C 4 do za O + 2 ZA l → do za ZA l 2 O 4 + 3 do za (\ Displaystyle (\ mathsf (4CaO + 2Al \rightarrow CaAl_ (2) O_ (4) + 3Ca}})

Właściwości fizyczne

Wapń metaliczny występuje w dwóch modyfikacjach alotropowych. Stabilny do 443°C α-Ca z sześcienną siatką centrowaną na ścianie (parametr A= 0,558 nm), bardziej stabilny β-Ca z sześcienną siatką skupioną na ciele α-Fe(parametr A= 0,448 nm). Standardowa entalpia Δ H. 0 (\ Displaystyle \ Delta H ^ (0)) przemiana α → β wynosi 0,93 kJ/mol.

Wraz ze stopniowym wzrostem ciśnienia zaczyna wykazywać właściwości półprzewodnika, ale nie staje się półprzewodnikiem w pełnym tego słowa znaczeniu (nie jest już też metalem). Wraz z dalszym wzrostem ciśnienia powraca do stanu metalicznego i zaczyna wykazywać właściwości nadprzewodzące (temperatura nadprzewodnictwa jest sześciokrotnie wyższa niż rtęci i znacznie przewyższa przewodnością wszystkie inne pierwiastki). Unikalne zachowanie wapnia jest pod wieloma względami podobne do strontu (tzn. zachowane są podobieństwa w układzie okresowym).

Właściwości chemiczne

W szeregu standardowych potencjałów wapń znajduje się na lewo od wodoru. Standardowy potencjał elektrody pary Ca 2+ /Ca 0 wynosi −2,84 V, zatem wapń aktywnie reaguje z wodą, ale bez zapłonu:

C a + 2 H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2 .

(\ Displaystyle (\ mathsf (Ca + 2H_ (2) O \rightarrow Ca (OH) _ (2) + H_ (2) \ uparrow.)))

Obecność rozpuszczonego wodorowęglanu wapnia w wodzie w dużej mierze decyduje o chwilowej twardości wody. Nazywa się to tymczasowym, ponieważ gdy woda wrze, wodorowęglan rozkłada się i wytrąca się CaCO 3. Zjawisko to prowadzi na przykład do tego, że z biegiem czasu w czajniku tworzy się kamień.

Aplikacja

Wapń jest szeroko stosowany w metalurgii do odtleniania stali, razem z aluminium lub w połączeniu z nim. Obróbka pozapiecowa drutami zawierającymi wapń zajmuje wiodącą pozycję ze względu na wieloczynnikowy wpływ wapnia na stan fizykochemiczny wytopu, makro- i mikrostrukturę metalu, jakość i właściwości wyrobów metalowych i stanowi integralną część część technologii produkcji stali. We współczesnej metalurgii drut iniekcyjny służy do wprowadzania do wytopu wapnia, którym jest wapń (czasami krzemowo-wapniowy lub glino-wapniowy) w postaci proszku lub sprasowanego metalu w stalowej osłonie. Wraz z odtlenianiem (usunięciem tlenu rozpuszczonego w stali) zastosowanie wapnia pozwala na otrzymanie wtrąceń niemetalicznych, które mają korzystny charakter, skład i kształt i nie ulegają zniszczeniu w dalszych operacjach technologicznych.

Izotop 48 Ca jest jednym z efektywnych i powszechnie stosowanych materiałów do produkcji pierwiastków superciężkich i odkrywania nowych pierwiastków układu okresowego. Dzieje się tak, ponieważ wapń-48 jest jądrem podwójnie magicznym, więc jego stabilność pozwala na to, aby był wystarczająco bogaty w neutrony jak na lekkie jądro; synteza jąder superciężkich wymaga nadmiaru neutronów.

Rola biologiczna

Stężenie wapnia we krwi, ze względu na jego znaczenie dla dużej liczby procesów życiowych, jest precyzyjnie regulowane, a przy prawidłowym odżywianiu i odpowiednim spożyciu niskotłuszczowych produktów mlecznych i witaminy D, niedobory nie występują. Długotrwały niedobór wapnia i/lub witaminy D w diecie zwiększa ryzyko osteoporozy, a w okresie niemowlęcym powoduje krzywicę.

Notatki

1. Twardość 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. Masy atomowe pierwiastków 2011 (Raport techniczny IUPAC) // Chemia czysta i stosowana. - 2013. - Cz. 85, nie. 5. - s. 1047-1078. - DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
3. Zespół redakcyjny: Knunyants I. L. (redaktor naczelny). Encyklopedia chemiczna: w 5 tomach - Moskwa: Encyklopedia radziecka, 1990. - T. 2. - s. 293. - 671 s. - 100 000 egzemplarzy.
4. Riley J.P. i Skirrow G. Oceanografia chemiczna V. 1, 1965.
5. Pritychenko B. Systematyka ocenianych okresów półtrwania podwójnego rozpadu beta // Arkusze danych jądrowych. - 2014. - czerwiec (t. 120). - s. 102-105. - ISSN 0090-3752. - DOI:10.1016/j.nds.2014.07.018.[poprawić]
6. Pritychenko B. Lista przyjętych wartości podwójnego rozpadu beta (ββ). (nieokreślony) . Narodowe Centrum Danych Jądrowych, Laboratorium Narodowe Brookhaven. Źródło 6 grudnia 2015 r.
7. Podręcznik chemika / Redakcja: Nikolsky B.P. - wyd. 2, poprawione. - M.-L.: Chemia, 1966. - T. 1. - 1072 s.
8. Gazeta. RU: Elementy ciśnieniowe
9. Wapń // Wielka radziecka encyklopedia: [w 30 tomach] / rozdz. wyd. A. M. Prochorow. - wyd. 3. - M.: Encyklopedia radziecka, 1969-1978.
10. Dyudkin D. A., Kisilenko V. V. Wpływ różnych czynników na absorpcję wapnia z drutu proszkowego ze złożonym wypełniaczem SK40 (rosyjski) // Elektrometalurgia: czasopismo. - 2009. - maj (nr 5). - s. 2-6.
11. Michajłow G. G., Chernova L. A. Analiza termodynamiczna procesów odtleniania stali wapniem i aluminium (rosyjski) // Elektrometalurgia: czasopismo. - 2008. - marzec (nr 3). - s. 6-8.
12. Powłokowy model jądra
13. Komisja Instytutu Medycyny (USA) ds. przeglądu referencyjnych wartości spożycia witaminy D i wapnia w diecie; Ross AC, Taylor CL, Yaktine AL, Del Valle HB, redaktorzy (2011).

Wapń jest pierwiastkiem głównej podgrupy drugiej grupy, czwartego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych D.I. Mendelejewa, o liczbie atomowej 20. Jest oznaczony symbolem Ca (łac. Wapń). Prosta substancja wapń jest miękkim, chemicznie aktywnym metalem ziem alkalicznych o srebrzystobiałym kolorze.

Wapń w środowisku

Jest go dużo w przyrodzie: pasma górskie i skały ilaste powstają z soli wapnia, występuje w wodzie morskiej i rzecznej, jest częścią organizmów roślinnych i zwierzęcych. Wapń stanowi 3,38% masy skorupy ziemskiej (5. miejsce pod względem liczebności po tlenie, krzemie, aluminium i żelazie).

Izotopy wapnia

Wapń występuje w przyrodzie jako mieszanina sześciu izotopów: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca i 48 Ca, wśród których najczęściej występujący – 40 Ca – stanowi 96,97%.

Z sześciu naturalnych izotopów wapnia pięć jest stabilnych. Niedawno odkryto, że szósty izotop 48 Ca, najcięższy z sześciu i bardzo rzadki (jego liczebność izotopowa wynosi tylko 0,187%), ulega podwójnemu rozpadowi beta z okresem półtrwania wynoszącym 5,3 x 10 19 lat.

Zawartość wapnia w skałach i minerałach

Większość wapnia zawarta jest w krzemianach i glinokrzemianach różnych skał (granity, gnejsy itp.), zwłaszcza w skaleniu - anortycie Ca.

W postaci skał osadowych związki wapnia reprezentowane są przez kredę i wapienie, składające się głównie z minerału kalcytu (CaCO 3). Krystaliczna forma kalcytu – marmur – występuje znacznie rzadziej w przyrodzie.

Minerały wapniowe takie jak kalcyt CaCO 3 , anhydryt CaSO 4 , alabaster CaSO 4 ·0,5H 2 O i gips CaSO 4 ·2H 2 O, fluoryt CaF 2 , apatyty Ca 5 (PO 4) 3 (F,Cl, OH), dolomit MgCO 3 · CaCO 3 . Obecność soli wapnia i magnezu w wodzie naturalnej decyduje o jej twardości.

Wapń, energicznie migrujący w skorupie ziemskiej i gromadzący się w różnych układach geochemicznych, tworzy 385 minerałów (czwarta co do wielkości liczba minerałów).

Migracja wapnia w skorupie ziemskiej

W naturalnej migracji wapnia znaczącą rolę odgrywa „równowaga węglanowa”, związana z odwracalną reakcją oddziaływania węglanu wapnia z wodą i dwutlenkiem węgla z utworzeniem rozpuszczalnego wodorowęglanu:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ↔ Ca (HCO 3) 2 ↔ Ca 2+ + 2HCO 3 -

(równowaga przesuwa się w lewo lub w prawo w zależności od stężenia dwutlenku węgla).

Migracja biogenna odgrywa ogromną rolę.

Zawartość wapnia w biosferze

Związki wapnia znajdują się w prawie wszystkich tkankach zwierzęcych i roślinnych (patrz także poniżej). Znaczna ilość wapnia występuje w organizmach żywych. Zatem hydroksyapatyt Ca 5 (PO 4) 3 OH, lub w innym wpisie 3Ca 3 (PO 4) 2 ·Ca(OH) 2, jest podstawą tkanki kostnej kręgowców, w tym człowieka; Muszle i skorupy wielu bezkręgowców, skorupki jaj itp. Zbudowane są z węglanu wapnia CaCO 3. W żywych tkankach ludzi i zwierząt znajduje się 1,4-2% Ca (ułamek masowy); w organizmie człowieka o masie 70 kg zawartość wapnia wynosi około 1,7 kg (głównie w substancji międzykomórkowej tkanki kostnej).

Pozyskiwanie wapnia

Wapń został po raz pierwszy uzyskany przez Davy'ego w 1808 roku za pomocą elektrolizy. Jednak podobnie jak inne metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych, pierwiastka nr 20 nie można otrzymać w drodze elektrolizy z roztworów wodnych. Wapń otrzymuje się przez elektrolizę jego stopionych soli.

Jest to proces złożony i energochłonny. Chlorek wapnia topi się w elektrolizerze z dodatkiem innych soli (są potrzebne do obniżenia temperatury topnienia CaCl2).

Stalowa katoda dotyka tylko powierzchni elektrolitu; uwolniony wapń przykleja się do niego i twardnieje. W miarę uwalniania się wapnia katoda stopniowo się podnosi, aż w efekcie powstaje wapniowy „pręt” o długości 50...60 cm, który następnie jest wyjmowany, odbijany od stalowej katody i proces rozpoczyna się od nowa. „Metoda dotykowa” wytwarza wapń silnie zanieczyszczony chlorkiem wapnia, żelazem, aluminium i sodem. Oczyszcza się go poprzez stopienie w atmosferze argonu.

Jeśli stalową katodę zastąpi się katodą wykonaną z metalu, który może być stopowany z wapniem, wówczas podczas elektrolizy uzyskany zostanie odpowiedni stop. W zależności od przeznaczenia można go stosować jako stop lub czysty wapń można otrzymać poprzez destylację w próżni. W ten sposób otrzymuje się stopy wapnia z cynkiem, ołowiem i miedzią.

Inna metoda wytwarzania wapnia – metalotermiczna – została teoretycznie uzasadniona już w 1865 roku przez słynnego rosyjskiego chemika N.N. Beketow. Wapń ulega redukcji za pomocą aluminium pod ciśnieniem zaledwie 0,01 mmHg. Temperatura procesu 1100...1200°C. Wapń otrzymuje się w postaci pary, która następnie ulega kondensacji.

W ostatnich latach opracowano inną metodę pozyskiwania pierwiastka. Opiera się na termicznej dysocjacji węglika wapnia: węglik podgrzany w próżni do 1750°C rozkłada się, tworząc pary wapnia i stały grafit.

Właściwości fizyczne wapnia

Wapń metaliczny występuje w dwóch modyfikacjach alotropowych. Do 443 °C α-Ca z sześcienną siatką skupioną na powierzchni (parametr a = 0,558 nm) jest stabilna; β-Ca z sześcienną siatką skupioną na ciele typu α-Fe (parametr a = 0,448 nm) jest stabilna bardziej stabilny. Standardowa entalpia Δ H 0 przejście α → β wynosi 0,93 kJ/mol.

Wraz ze stopniowym wzrostem ciśnienia zaczyna wykazywać właściwości półprzewodnika, ale nie staje się półprzewodnikiem w pełnym tego słowa znaczeniu (nie jest już też metalem). Wraz z dalszym wzrostem ciśnienia powraca do stanu metalicznego i zaczyna wykazywać właściwości nadprzewodzące (temperatura nadprzewodnictwa jest sześciokrotnie wyższa niż rtęci i znacznie przewyższa przewodnością wszystkie inne pierwiastki). Unikalne zachowanie wapnia jest pod wieloma względami podobne do strontu.

Pomimo wszechobecności tego pierwiastka, nawet chemicy nie wszyscy widzieli pierwiastkowy wapń. Ale ten metal, zarówno pod względem wyglądu, jak i zachowania, całkowicie różni się od metali alkalicznych, z którymi kontakt jest obarczony niebezpieczeństwem pożarów i oparzeń. Można go bezpiecznie przechowywać na powietrzu, nie zapala się od wody. Właściwości mechaniczne wapnia pierwiastkowego nie czynią go „czarną owcą” w rodzinie metali: wapń przewyższa wiele z nich pod względem wytrzymałości i twardości; można go toczyć na tokarce, rozciągać na drut, kuć, prasować.

A jednak wapń pierwiastkowy prawie nigdy nie jest używany jako materiał konstrukcyjny. Jest na to zbyt aktywny. Wapń łatwo reaguje z tlenem, siarką i halogenami. Nawet z azotem i wodorem, w pewnych warunkach, reaguje. Środowisko tlenków węgla, obojętne dla większości metali, jest agresywne dla wapnia. Spala się w atmosferze CO i CO 2 .

Naturalnie, mając takie właściwości chemiczne, wapń nie może występować w przyrodzie w stanie wolnym. Jednak związki wapnia – zarówno naturalne, jak i sztuczne – nabrały ogromnego znaczenia.

Właściwości chemiczne wapnia

Wapń jest typowym metalem ziem alkalicznych. Aktywność chemiczna wapnia jest wysoka, ale niższa niż wszystkich innych metali ziem alkalicznych. Łatwo reaguje z tlenem, dwutlenkiem węgla i wilgocią zawartą w powietrzu, dlatego powierzchnia wapnia metalicznego jest zwykle matowoszara, dlatego w laboratorium wapń zazwyczaj, podobnie jak inne metale ziem alkalicznych, jest przechowywany w szczelnie zamkniętym słoju pod warstwą nafty lub ciekłej parafiny.

W szeregu standardowych potencjałów wapń znajduje się na lewo od wodoru. Standardowy potencjał elektrody pary Ca 2+ /Ca 0 wynosi −2,84 V, zatem wapń aktywnie reaguje z wodą, ale bez zapłonu:

Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2 + Q.

Wapń reaguje z aktywnymi niemetalami (tlenem, chlorem, bromem) w normalnych warunkach:

2Ca + O 2 = 2CaO, Ca + Br 2 = CaBr 2.

Po podgrzaniu w powietrzu lub tlenie wapń zapala się. Wapń reaguje po podgrzaniu z mniej aktywnymi niemetalami (wodorem, borem, węglem, krzemem, azotem, fosforem i innymi), na przykład:

Ca + H 2 = CaH 2, Ca + 6B = CaB 6,

3Ca + N 2 = Ca 3 N 2, Ca + 2C = CaC 2,

Znane są również 3Ca + 2P = Ca 3 P 2 (fosforek wapnia), fosforki wapnia o kompozycjach CaP i CaP 5;

Znane są również 2Ca + Si = Ca 2 Si (krzemian wapnia); krzemki wapnia o kompozycjach CaSi, Ca 3 Si 4 i CaSi 2.

Występowaniu powyższych reakcji z reguły towarzyszy wydzielanie dużej ilości ciepła (to znaczy reakcje te są egzotermiczne). We wszystkich związkach z niemetalami stopień utlenienia wapnia wynosi +2. Większość związków wapnia z niemetalami łatwo ulega rozkładowi w wodzie, na przykład:

CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2,

Ca 3 N 2 + 3H 2 O = 3Ca(OH) 2 + 2NH 3.

Jon Ca 2+ jest bezbarwny. Po dodaniu do płomienia rozpuszczalnych soli wapnia, płomień staje się ceglasty.

Sole wapnia, takie jak chlorek CaCl2, bromek CaBr2, jodek CaI2 i azotan Ca(NO3)2 są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Nierozpuszczalne w wodzie są fluorek CaF 2, węglan CaCO 3, siarczan CaSO 4, ortofosforan Ca 3 (PO 4) 2, szczawian CaC 2 O 4 i kilka innych.

Ważne jest, aby w przeciwieństwie do węglanu wapnia CaCO 3, kwaśny węglan wapnia (wodorowęglan) Ca(HCO 3) 2 był rozpuszczalny w wodzie. W naturze prowadzi to do następujących procesów. Kiedy zimny deszcz lub woda rzeczna nasycona dwutlenkiem węgla przenika pod ziemię i opada na wapień, obserwuje się ich rozpuszczenie:

CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2.

W tych samych miejscach, gdzie woda nasycona wodorowęglanem wapnia wypływa na powierzchnię ziemi i jest podgrzewana przez promienie słoneczne, zachodzi reakcja odwrotna:

Ca(HCO 3) 2 = CaCO 3 + CO 2 + H 2 O.

W ten sposób w przyrodzie przenoszone są duże masy substancji. W rezultacie pod ziemią mogą tworzyć się ogromne szczeliny, a w jaskiniach tworzą się piękne kamienne „sople” - stalaktyty i stalagmity.

Obecność rozpuszczonego wodorowęglanu wapnia w wodzie w dużej mierze decyduje o chwilowej twardości wody. Nazywa się to tymczasowym, ponieważ gdy woda wrze, wodorowęglan rozkłada się i wytrąca się CaCO 3. Zjawisko to prowadzi na przykład do tego, że z biegiem czasu w czajniku tworzy się kamień.

Obecność rozpuszczonego wodorowęglanu wapnia w wodzie w dużej mierze decyduje o chwilowej twardości wody. Nazywa się to tymczasowym, ponieważ gdy woda wrze, wodorowęglan rozkłada się i wytrąca się CaCO 3. Zjawisko to prowadzi na przykład do tego, że z biegiem czasu w czajniku tworzy się kamień. wapń

Do niedawna wapń metaliczny nie znajdował prawie żadnego zastosowania. Na przykład USA przed drugą wojną światową zużywały tylko 10...25 ton wapnia rocznie, Niemcy - 5...10 ton Ale do rozwoju nowych dziedzin technologii potrzebnych jest wiele metali rzadkich i ogniotrwałych . Okazało się, że dla wielu z nich wapń jest bardzo wygodnym i aktywnym środkiem redukującym, a pierwiastek zaczęto stosować do produkcji toru, wanadu, cyrkonu, berylu, niobu, uranu, tantalu i innych metali ogniotrwałych. Czysty metaliczny wapń jest szeroko stosowany w metalotermii do produkcji metali rzadkich.

Czysty wapń stosowany jest do stopowania ołowiu stosowanego do produkcji płytek akumulatorowych i bezobsługowych akumulatorów kwasowo-ołowiowych rozruchowych o niskim stopniu samorozładowania. Do produkcji wysokiej jakości babbitów wapniowych BKA wykorzystuje się także wapń metaliczny.

Zastosowania wapnia metalicznego

Głównym zastosowaniem wapnia metalicznego jest środek redukujący w produkcji metali, zwłaszcza niklu, miedzi i stali nierdzewnej. Wapń i jego wodorek wykorzystuje się także do produkcji metali trudnych do redukcji, takich jak chrom, tor i uran. Stopy wapniowo-ołowiowe są stosowane w akumulatorach i stopach łożyskowych. Granulki wapnia służą także do usuwania śladów powietrza z urządzeń próżniowych.

Naturalna kreda w postaci proszku wchodzi w skład kompozycji do polerowania metali. Nie można jednak myć zębów naturalnym proszkiem kredowym, ponieważ zawiera on pozostałości muszli i skorup małych zwierząt, które są niezwykle twarde i niszczą szkliwo zębów.

Stosowaniewapńw syntezie jądrowej

Izotop 48 Ca jest najskuteczniejszym i powszechnie stosowanym materiałem do produkcji pierwiastków superciężkich i odkrywania nowych pierwiastków układu okresowego. Przykładowo w przypadku wykorzystania jonów 48 Ca do produkcji pierwiastków superciężkich w akceleratorach, jądra tych pierwiastków powstają setki i tysiące razy efektywniej niż przy zastosowaniu innych „pocisków” (jonów). Radioaktywny wapń jest szeroko stosowany w biologii i medycynie jako wskaźnik izotopowy w badaniu procesów metabolizmu minerałów w żywym organizmie. Za jego pomocą ustalono, że w organizmie następuje ciągła wymiana jonów wapnia pomiędzy osoczem, tkankami miękkimi, a nawet tkanką kostną. 45Ca odegrał także ważną rolę w badaniu procesów metabolicznych zachodzących w glebie oraz w badaniu procesów wchłaniania wapnia przez rośliny. Stosując ten sam izotop udało się wykryć źródła zanieczyszczenia stali i ultraczystego żelaza związkami wapnia w procesie wytapiania.

Zdolność wapnia do wiązania tlenu i azotu umożliwiła wykorzystanie go do oczyszczania gazów obojętnych oraz jako gettera (Getter to substancja służąca do pochłaniania gazów i wytwarzania głębokiej próżni w urządzeniach elektronicznych.) w próżniowych urządzeniach radiowych.

Zastosowanie związków wapnia

Niektóre sztucznie wytwarzane związki wapnia stały się jeszcze bardziej znane i powszechne niż wapień czy gips. I tak, starożytni budowniczowie używali gaszonego Ca(OH)2 i wapna palonego CaO.

Cement to także związek wapnia otrzymywany sztucznie. Najpierw wypala się mieszaninę gliny lub piasku i wapienia, aby uzyskać klinkier, który następnie jest mielony na drobny szary proszek. O cemencie (a raczej o cementach) można mówić dużo, to temat na niezależny artykuł.

To samo dotyczy szkła, które zwykle również zawiera ten pierwiastek.

Wodorek wapnia

Przez ogrzewanie wapnia w atmosferze wodoru otrzymuje się CaH 2 (wodorek wapnia), który wykorzystuje się w metalurgii (metalotermii) oraz do produkcji wodoru w terenie.

Materiały optyczne i laserowe

Fluorek wapnia (fluoryt) stosowany jest w postaci monokryształów w optyce (obiektywy astronomiczne, soczewki, pryzmaty) oraz jako materiał laserowy. Wolframian wapnia (scheelit) w postaci monokryształów znajduje zastosowanie w technologii laserowej, a także jako scyntylator.

Węglik wapnia

Węglik wapnia to substancja odkryta przypadkowo podczas testów nowej konstrukcji pieca. Do niedawna węglik wapnia CaCl 2 był używany głównie do spawania autogenicznego i cięcia metali. Podczas interakcji węglika z wodą powstaje acetylen, a spalanie acetylenu w strumieniu tlenu pozwala uzyskać temperaturę prawie 3000°C. Ostatnio acetylen, a wraz z nim węglik, są coraz rzadziej stosowane w spawalnictwie, a coraz częściej w przemyśle chemicznym.

Podobnie jak wapńźródło prądu chemicznego

Wapń, a także jego stopy z aluminium i magnezem, są stosowane w rezerwowych termicznych akumulatorach elektrycznych jako anoda (na przykład element chromianowo-wapniowy). Chromian wapnia stosowany jest w takich akumulatorach jako katoda. Osobliwością takich akumulatorów jest niezwykle długi okres trwałości (dziesiątki lat) w odpowiednim stanie, zdolność do pracy w każdych warunkach (przestrzeń, wysokie ciśnienie), wysoka energia właściwa w masie i objętości. Wada: krótka żywotność. Baterie takie stosuje się tam, gdzie konieczne jest wytworzenie kolosalnej energii elektrycznej w krótkim czasie (rakiety balistyczne, niektóre statki kosmiczne itp.).

Materiały ognioodporne odwapń

Tlenek wapnia, zarówno w postaci wolnej, jak i jako składnik mieszanek ceramicznych, wykorzystywany jest do produkcji materiałów ogniotrwałych.

Leki

Związki wapnia są szeroko stosowane jako leki przeciwhistaminowe.

• Chlorek wapnia
• Glukonian wapnia
• Glicerofosforan wapnia

Ponadto związki wapnia wchodzą w skład leków zapobiegających osteoporozie, kompleksów witaminowych dla kobiet w ciąży i osób starszych.

Wapń w organizmie człowieka

Wapń jest powszechnym makroskładnikiem odżywczym w organizmie roślin, zwierząt i ludzi. U ludzi i innych kręgowców jego większość zawarta jest w szkielecie i zębach w postaci fosforanów. Szkielety większości grup bezkręgowców (gąbki, polipy koralowców, mięczaki itp.) składają się z różnych form węglanu wapnia (wapna). Zapotrzebowanie na wapń zależy od wieku. Dla dorosłych wymagane dzienne spożycie wynosi od 800 do 1000 miligramów (mg), a dla dzieci od 600 do 900 mg, co jest bardzo ważne dla dzieci ze względu na intensywny wzrost układu kostnego. Większość wapnia, który dostaje się do organizmu człowieka wraz z pożywieniem, znajduje się w produktach mlecznych, pozostała część wapnia pochodzi z mięsa, ryb i niektórych produktów roślinnych (rośliny strączkowe są szczególnie bogate w rośliny strączkowe).

Aspiryna, kwas szczawiowy i pochodne estrogenów zakłócają wchłanianie wapnia. Wapń w połączeniu z kwasem szczawiowym tworzy nierozpuszczalne w wodzie związki będące składnikami kamieni nerkowych.

Nadmierne dawki wapnia i witaminy D mogą powodować hiperkalcemię, w następstwie której następuje intensywne zwapnienie kości i tkanek (dotykające głównie układ moczowy). Maksymalna dzienna bezpieczna dawka dla osoby dorosłej wynosi 1500 do 1800 miligramów.

Wapń w twardej wodzie

Zespół właściwości, określanych jednym słowem „twardość”, nadawany jest wodzie przez rozpuszczone w niej sole wapnia i magnezu. Twarda woda nie nadaje się do wielu sytuacji życiowych. Tworzy warstwę kamienia kotłowego w kotłach parowych i instalacjach kotłowych, utrudnia barwienie i pranie tkanin, ale nadaje się do produkcji mydła i sporządzania emulsji przy produkcji perfum. Dlatego wcześniej, gdy metody zmiękczania wody były niedoskonałe, fabryki tekstyliów i perfum lokowano zwykle w pobliżu źródeł „miękkiej” wody.

Rozróżnia się sztywność tymczasową i stałą. Twardość tymczasowa (lub węglanowa) jest nadawana wodzie przez rozpuszczalne węglowodory Ca(HCO 3) 2 i Mg(HCO 3) 2. Można go wyeliminować poprzez proste gotowanie, podczas którego wodorowęglany przekształcają się w nierozpuszczalne w wodzie węglany wapnia i magnezu.

Stałą twardość tworzą siarczany i chlorki tych samych metali. I można to wyeliminować, ale jest to znacznie trudniejsze.

Suma obu twardości daje całkowitą twardość wody. W różnych krajach jest to różnie cenione. Zwyczajowo wyraża się twardość wody liczbą miligramowych równoważników wapnia i magnezu w jednym litrze wody. Jeżeli w litrze wody znajduje się mniej niż 4 mEq, wówczas wodę uważa się za miękką; w miarę wzrostu ich stężenia staje się ono coraz bardziej ostre, a jeśli zawartość przekracza 12 jednostek, bardzo ostre.

Twardość wody określa się zwykle za pomocą roztworu mydła. Roztwór ten (o określonym stężeniu) wkrapla się do odmierzonej ilości wody. Dopóki w wodzie znajdują się jony Ca 2+ lub Mg 2+, będą one zakłócać powstawanie piany. Na podstawie zużycia roztworu mydła do pojawienia się piany oblicza się zawartość jonów Ca 2+ i Mg 2+.

Co ciekawe, w podobny sposób określano twardość wody w starożytnym Rzymie. Jako odczynnik służyło wyłącznie wino czerwone – zawarte w nim substancje barwiące również tworzą osad z jonami wapnia i magnezu.

Magazynowanie wapnia

Wapń metaliczny można długo przechowywać w kawałkach o masie od 0,5 do 60 kg. Części takie przechowywane są w papierowych workach umieszczonych w ocynkowanych żelaznych bębnach z lutowanymi i malowanymi szwami. Szczelnie zamknięte bębny umieszczane są w drewnianych skrzyniach. Kawałki ważące mniej niż 0,5 kg nie mogą być długo przechowywane - szybko zamieniają się w tlenek, wodorotlenek i węglan wapnia.