Wapń i jego związki występowanie i otrzymywanie właściwości fizyczne i chemiczne ważniejsze związki wapnia

Wapń – występowanie Występowanie: występuje wyłącznie w postaci związanej CaCO3 w minerałach- kalcyt, aragonit, wapień, marmur, kreda, CaCO3. MgCO3 – dolomit, CaSO4.2H2O – gips krystaliczny i alabaster, CaSO4 – anhydryt, Ca3(PO4)3 – apatyty i fosforyty, CaF2 – fluoryt Kationy wapnia Ca2+ w wodzie pochodzące z rozpuszczalnych soli wapnia (wodorowęglanu, siarczanu(VI) i chlorku) są przyczyną twardości wody

Wapń – otrzymywanie Elektroliza stopionego chloru wapnia: CaCl2  Ca2+ + 2Cl- K(-): Ca2+ + 2e-  Ca A(+): 2Cl-  Cl2 + 2e- Redukcja glinem CaCO3 3CaCO3 + 2Al  3Ca + Al2(CO3)3

Metaliczny wapń

Zastosowanie wapnia i jego związków Metaliczny wapń: w metalurgii do odtlenienia i odsiarczania metali i ich stopów, odsiarczanie produktów naftowych CaCO3, Ca(OH)2, CaO: materiały budowlane, nawozy do odkwaszania gleb, w przemyśle szklarskim, cukierniczym CaC2 –karbid: do otrzymywanie etynu (acetylenu) CaSO4.2H2O: gips w budownictwie i ortopedii

Wapń – właściwości fizyczne W związkach występuje ma stopniu utlenienia +II, jest elektronodawcą, jest dobrym reduktorem, tworzy związki o wiązaniach jonowych Srebrzystobiały metal z metalicznym połyskiem dość twardy i kruchy, o gęstości większej od gęstości wody, na powietrzu matowieje w wyniku wchodzenia w reakcję z tlenem, wodą i CO2, wapń i jego kationy barwią płomień palnika na kolor ceglastoczerwony

Wapń – właściwości chemiczne Spalanie w powietrzu: powstaje CaO i Ca3N2 2Ca + O2  2CaO Tlenek wapnia reaguje z wodą, reakcja zachodzi szybciej niż reakcja wapnia z wodą, ponieważ powierzchnia metalu pokrywa się warstewką dość słabo rozpuszczalnego wodzie Ca(OH)2 CaO + H2O  Ca(OH)2 3Ca + N2  Ca3N2 (azotek wapnia) Azotek wapnia reaguje z wodą z wydzieleniem amoniaku Ca3N2 +6H2O  3Ca(OH)2 + 2NH3

Wapń – właściwości chemiczne –cd Reakcje z kwasami: ulega roztworzeniu z wydzieleniem wodoru: Ca + 2HCl  CaCl2 + H2 Ca + H2SO4  CaSO4 + H2 3Ca + 2H3PO4  Ca3(PO4)2 + 3H2 Reakcja z wodą: ulega roztworzeniu z wydzieleniem wodoru Ca + 2H2O  Ca(OH)2 + H2

Wapń – właściwości chemiczne –cd Nie wszystkie sole rozpuszczają się w wodzie, dobrze rozpuszczają się: chlorek, bromek, jodek, azotan(V), manganian(VII), octan Wodne roztwory soli wapnia mają odczyn obojętny (sole kwasów mocnych) lub zasadowy (sole kwasów słabych, które ulegają hydrolizie anionowej) Wapń reaguje z fluorowcami a w podwyższonej temp. reaguje z fosforem, siarką i węglem Ca + 2C  CaC2 – karbid (acetylenek wapnia), ten z kolei reaguje z wodą i powstaje etyn (acetylen) CaC2 + 2H2O  C2H2 + Ca(OH)2

Ważniejsze związki wapnia Węglan(IV) wapnia – CaCO3: bezbarwana lub biała substancja o krystalicznej budowie, trudno rozpuszczalna w wodzie, stosowana do otrzymywania wapna palonego, laboratoryjnego otrzymywania CO2, produkcja cementu CaCO3  CaO + CO2 CaCO3 + 2HCl  CaCl2 + H2O + CO2 Cement jest mieszaniną krzemianów i glinokrzemianów wapnia oraz tlenku glinu, po dodaniu wody i piasku następuje twardnienie betonu, które jest procesem chemicznym, podczas którego powstają uwodnione krzemiany, gliniany i glinokrzemiany wapnia CaSiO3 + 4H2O  CaSiO3.4H2O

Ważniejsze związki wapnia - cd Zjawiska krasowe: rozpuszczania i wytrącania skał wapiennych Pod wpływem wód powierzchniowych nasyconych rozpuszczonym CO2 CaCO3 + CO2 + H2O  Ca(HCO3)2 – rozpuszczanie W podwyższonej temp stężenie rozpuszczonego CO2 jest bardzo małe Ca(HCO3)2  CaCO3 + H2O + CO2 wytrącanie

Tatry – Jaskinia Bielańska

Kreta – Jaskinia Zoniana

Turcja – Pamukkale: trawertyny wapienne

Twardość wody i metody jej usuwania Twardość przemijająca (węglanowa): wynika z obecności wodorowęglanów(IV) wapnia i magnezu w wodzie (kationów Ca2+ oraz Mg2+ z rozpuszczalnych wodorowęglanów) Twardość nieprzemijająca (trwała): wynika z obecności siarczanów(VI) i chlorków wapnia oraz magnezu w wodzie Usuwanie twardości węglanowej przez gotowanie wody (metoda fizyczna): Ca(HCO3)2  ↓CaCO3 + CO2 + H2O Mg(HCO3)2  ↓MgCO3 + CO2 + H2O oraz Mg(HCO3)2  ↓Mg(OH)2 + 2CO2

Twardość wody i metody jej usuwania – cd Usuwanie twardości przemijającej i trwałej metodami chemicznymi 1. Metoda sodowa (Na2CO3) CaCl2 + Na2CO3  2NaCl + CaCO3 2. Metoda wapienna (Ca(OH)2(aq) Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2  ↓CaCO3 +↓MgCO3 + 2H2O 3. Metoda fosforanowa (Na3PO4) 3MgSO4 + 2Na3PO4  ↓Mg3(PO4)2 + 3Na2SO4 4. Za pomocą mydła C17H35COONa Ca2+ + 2HCO3- + 2C17H35COO- + 2Na+  ↓(C17H35COO)2Ca + 2Na+ + 2HCO3-

Twardość wody i metody jej usuwania – cd Jonity – substancje stałe ( najczęściej żywice polimerowe) o charakterze jonowym stosowane między innymi do zmiękczania wody. Substancje te są zdolne od wymiany osadzonych na nich kationów (kationity -kationy wodoru/sodu) lub anionów (anionity – aniony wodorotlenowe) na jony obecne w wodzie Mg2+, Ca2+, HCO3-. Jonity mogą być regenerowane za pomocą roztworu kwasu lub zasady.

Ważniejsze związki wapnia - cd Tlenek wapnia (wapno palone) – CaO: biała, krystaliczna substancja pochłaniająca z powietrza H2O i CO2, otrzymuje się w procesie prażenia węglanu(IV) wapnia, wapno palone stosowane jest w budownictwie do zapraw tynkarskich, malarskich i murarskich CaO gwałtownie reaguje z wodą (proces gaszenia wapna palonego jest silnie egzoenergetyczny) CaO + H2O  Ca(OH)2 Proces twardnienia zapraw murarskich (ciasto wapienne + piasek) – proces bardzo powolny Ca(OH)2 + CO2  CaCO3 + H2O Ca(OH)2 + SiO2  CaSiO3 + H2O Prażony tlenek z węglem: CaO + 3C  CaC2 + CO

Ważniejsze związki wapnia - cd Wodorotlenek wapnia (wapno gaszone) – Ca(OH)2: substancja stała, krystaliczna, słabo rozpuszczalna w wodzie, ale prawie całkowicie zdysocjowana (jest mocnym elektrolitem , silną zasadą), powoduje poparzenia chemiczne i termiczne skóry, błon śluzowych Wodorotlenek wapnia reaguje z CO2 Ca(OH)2 + CO2  CaCO3 + H2O Ca(OH)2 + 2CO2  Ca(HCO3)2 (aq) przy nadmiarze CO2 Zastosowanie: ciasto wapienne stosowane do zapraw murarskich i tynkarskich, mleko wapienne do bielenia ścian i dezynfekcji, nienasycony roztwór wodorotlenku wapnia stosowany jest do wykrywania CO2.

Ważniejsze związki wapnia - cd Siarczan(VI) – CaSO4: występuje w postaci bezwodnej (anhydryt), w postaci uwodnionej CaSO4. 2H2O - gips krystaliczny, (CaSO4)2.H2O - gips palony Procesy palenie i utwardzania gipsu - palenie: 2CaSO4. 2H2O  (CaSO4)2.H2O + 3H2O - utwardzanie: (CaSO4)2.H2O + 3H2O  2CaSO4. 2H2O

Ważniejsze związki wapnia - cd Chlorek wapnia – CaCl2: - bezwodny – biała, silnie higroskopijna substancja, proces rozpuszczania w wodzie jest procesem silnie egzoenergetycznym, - hydraty (sole uwodnione) – mogą zawierać różną ilość cząsteczek wody krystalicznej, w trakcie rozpuszczania np. CaCl2.6H2O następuje pobieranie energii cieplnej z otoczenia – proces endoenergetyczny, stąd jest stosowany w mieszaninie z lodem do otrzymywania niskich temperatur.