Grupa druga. Wielki budowniczy - część 3
Wapń, a właściwie jego połączenia, to nie tylko składnik szkieletu człowieka i innych zwierząt, ale i kośćca rozumianego bardziej metaforycznie. Minerały wapnia tworzą całe pasma górskie oraz pokrywają olbrzymie połacie Ziemi, dzięki niemu istnieje również budownictwo, czyli szkielet gospodarki.
Składnik minerałów…
Najważniejszym surowcem wapnia jest węglan CaCO3. Bogactwo form, które mogą przybierać jego postacie krystaliczne, jest nieporównywalne z żadnym innym minerałem - opisano ponad 600 różnych odmian. Wśród nich jednym z najbardziej rozpowszechnionych minerałów na Ziemi jest kalcyt. W postaci czystej przezroczysty, często jest zabarwiony domieszkami innych metali (1). Pod wpływem czynników środowiskowych przeobraża się w skały wapienne, np. marmury czy kredę.
Muzeum Mineralogicznego im. Fersmana w Moskwie)
Wapienie budują całe pasma górskie, a wiele z nich jest pozostałościami po życiu kwitnącym miliony lat temu w ciepłych morzach (2). Również minerały siarczanowe występują w dużych ilościach: anhydryt CaSO4 i gips CaSO4×2H2O. Do eksploatowanych na skalę przemysłową minera-łów wapnia zaliczyć trzeba także apatyty, fosforyty (oba są fosforanami) oraz fluoryt CaF2.
Skały wapienne to znane i używane od zarania dziejów cywilizacji surowce dla budownictwa (marmur i wapienie) oraz przemysłu metalurgicznego (topniki i zasadowe wykładziny pieców hutniczych). Czysty węglan wapnia służy jako dodatek do kosmetyków i medykamentów. Gips i anhydryt to również surowce dla budownictwa (zaprawy gipsowe, okładziny ścienne), lecz znalazły zastosowania także w innych dziedzinach, np. jako opatrunek usztywniający przy złamaniach. Szlachetną odmianą gipsu jest alabaster - ceniony kamień rzeźbiarski.
Z minerałów wapnia otrzymuje się jego związki. Najważniejszym z nich jest tlenek CaO, na skalę przemysłową uzyskiwany przez prażenie wapieni w piecach zwanych wapiennikami. Tlenek wapnia (wapno palone) służy do wytwarzania zapraw murarskich oraz jako surowiec w przemyśle nawozów sztucznych, chemicznym, metalurgicznym i szklarskim.
Przez działanie wodą otrzymuje się wodorotlenek wapnia Ca(OH)2 (wapno gaszone) o analogicznych zastosowaniach. Jego wodny roztwór (woda wapienna) lub zawiesina (mleko wapienne) to najtańsza mocna zasada używana w przemyśle, np. przy produkcji sacharozy w cukrowniach, jako środek do bielenia drzewek i ścian czy produkcji wapna chlorowanego.
Przez prażenie koksu z tlenkiem wapnia otrzymuje się węglik CaC2 (właściwie acetylenek) zwany karbidem. Głównym celem produkcji karbidu jest proste otrzymywanie acetylenu (w reakcji z wodą), stosowanego jako gaz spawalniczy oraz surowiec wyjściowy do wielu syntez chemicznych. Chlorek wapnia jest produktem odpadowym ważnego procesu przemysłowego - otrzymywania sody. Aby zagospodarować powstające hałdy CaCl2 (soda to jeden ze związków wytwarzanych w największych ilościach), używa się go do osuszania gazów (jest silnie higroskopijny) oraz usuwania zimowego oblodzenia dróg (tworzy wraz z lodem i śniegiem mieszaninę zamarzającą dopiero w bardzo niskich temperaturach).
to pokłady kredy z pozostałościami po dawno wymarłym życiu
…i organizmów żywych
Świat ożywiony także korzysta ze związków wapnia. Jony tego metalu to jeden z głównych kationów wewnątrzkomórkowych (m.in. bierze udział w przewodzeniu impulsów nerwowych), tak istotny, że gdy brakuje go w płynach ustrojowych, wycofywany jest do nich z tkanki kostnej.
W skład kośćca wchodzi hydroksyapatyt (jeden z fosforanów wapnia), zaś szkliwo zębów dodatkowo wzmacnia obecność fluoru w jego cząsteczkach. Niedobory wapnia mają bardzo przykre skutki - zaburzenia rytmu serca, ciśnienia i krzepliwości krwi oraz osteoporozę. Dlatego niezmiernie ważne jest zapewnienie regularnych dostaw tego pierwiastka, najlepiej w produktach naturalnych - nabiale (3). Mimo dostępności licznych suplementów diety zawierających wapń, nie przesadzaj z ich stosowaniem, nadmiar jest również szkodliwy.
Wapń w postaci węglanu buduje także szkielety i pancerzyki różnych drobnych organizmów, które ginąc usiały nimi dna pradawnych mórz. Odkrywamy je dzisiaj jako pokłady rozmaitych skał wapiennych, nierzadko zawierających skamieniałe ślady wymarłego życia, a współcześnie nadal tworzą się rafy koralowe. Rośliny także wykorzystują związki wapnia, np. do regulacji tempa wzrostu.
Jak zwykle Davy
W historii odkryć pierwiastków z grupy litowców i berylowców nazwisko angielskiego chemika potarza się nader często. W roku 1808 przeprowadził elektrolizę zwilżonego wodą tlenku wapnia z użyciem rtęciowej katody, a po odparowaniu rtęci otrzymał próbkę nowego metalu (tak, jak w przypadku magnezu, strontu i baru). Pierwiastkowi nadał łacińskie imię Calcium, od używanej już w starożytności nazwy calx określającej wapno budowlane. W Polsce zawsze stosowaliśmy wapno i nasza nazwa pochodzi z tego źródła.
Związki wapnia to prawdziwa potęga gospodarcza, ale sam metal to tylko dodatek do stopów łożyskowych oraz reduktor w metalurgii niektórych metali. Nie jest więc wytwarzany w dużych ilościach.
Chemicznie wapń jest bliskim krewnym cięższych metali grupy drugiej, stojąc na czele wapniowców obejmujących jego samego oraz stront, bar i rad (analogicznie do podrodziny potasowców z grupy 1 i chlorowców z 17). W toku analizy wykrywa się go wraz z pozostałymi wapniowcami: tworzy trudno rozpuszczalne węglan, siarczan, fosforan i fluorek. Sole wapnia barwią płomień palnika na kolor ceglastoczerwony. Pozostawiam ci samodzielne wykonanie prób (4).
Kilka reakcji
Dla wapniowców odczynnikiem grupowym, czyli takim, za pomocą którego można wykryć kilka podobnych chemicznie kationów, jest jon siarczanowy(VI). Wszystkie one tworzą siarczany wytrącające się z roztworu, ale rozpuszczalność tych soli jest bardzo zróżnicowana. Dla CaSO4 wynosi ok. 2 g w dm3 wody, dla SrSO4 ok. 0,1 g, a dla BaSO4 tylko 0,002 g. Różnicę w rozpuszczalności wykorzystasz do odróżnienia kationów strontu od baru.
Potrzebny będzie specjalny odczynnik - woda gipsowa. Pod tą nazwą kryje się nasycony roztwór CaSO4. Do naczynia wsyp łyżeczkę zwykłego gipsu szpachlowego i wlej pół szklanki wody. Zamieszaj intensywnie i pozwól zawiesinie opaść na dno. Po sklarowaniu roztworu (możesz go przesączyć) przechowuj ciecz w zamkniętym naczyniu, ponieważ CO2 z powietrza powoduje wytrącanie osadu węglanu i mętnienie. Przygotuj roztwory soli strontu oraz baru o niewielkim stężeniu. Do probówek dodaj porcję wody gipsowej. Widzisz różnicę? W przypadku soli baru biały osad pojawia się natychmiast, dla strontu wytrącanie następuje powoli, po pewnym czasie. Możliwość odróżnienia kationów Sr2+ od Ba2+ wynika ze stopnia rozpuszczalności siarczanów. Czuła reakcja anionów siarczanowych z kationami baru jest podstawą wykrywania i ilościowego oznaczania obu jonów.
Do następnego eksperymentu potrzebna ci będzie woda wapienna, czyli nasycony roztwór wodorotlenku wapnia. Raczej nie dysponujesz wodorotlenkiem lub tlenkiem tego metalu, ale do próby wystarczy dowolna rozpuszczalna sól, np. chlorek lub azotan. Rozpuść jej porcję w wodzie i zacznij dodawać roztwór wodorotlenku sodu. Zaobserwujesz zmętnienie zawartości naczynia ponieważ Ca(OH)2 jest dość słabo rozpuszczalny (unikaj nadmiaru NaOH). Gdy zawiesina opadnie na dno, zlej ciecz znad osadu - to twoja woda wapienna. Jeśli nie masz żadnej rozpuszczalnej soli wapnia, możesz użyć węglanu (w jego zastępstwie nawet skorupek jajka), który rozpuścisz w kwasie solnym lub octowym (unikaj nadmiaru), a następnie potraktujesz roztworem NaOH (5).
co świadczy, że w ich skład wchodzi węglan wapnia
Wlej wodę wapienną do naczynia, weź zwykłą słomkę do napojów, usiądź wygodnie i zacznij wdmuchiwać powietrze do roztworu. Po chwili ciecz zmętnieje - to efekt wytrącania osadu węglanu:
Ca(OH)2 + CO2 → CaCo3↓ + H2O
Jednak po dłuższym wdmuchiwaniu powietrza ciecz zacznie się klarować:
CaCo3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2
Powstający wodorowęglan wapnia jest znacznie lepiej rozpuszczalny niż węglan.
Po całkowitym rozpuszczaniu osadu wyjmij słomkę z naczynia i ogrzej zawartość do wrzenia. Ponownie pojawia się zmętnienie - to wodorowęglan wapnia uległ rozkładowi według "odwróconego" równania ostatniej reakcji.
Doświadczenie, choć proste (być może widziałeś je już w szkole), zachodzi w przyrodzie na ogromną skalę i ma niezwykle istotne znaczenie, także gospodarcze. Pod wpływem rozpuszczonego w wodzie dwutlenku węgla skały wapienne oraz węglan magnezu ulegają erozji i przekształcają się w rozpuszczalne wodorowęglany tych pierwiastków, które następnie mogą znowu przechodzić w nierozpuszczalne osady (z powodu podniesienia temperatury lub wyparowania wody).
Powoduje to tworzenie się zjawisk krasowych, np. jaskiń ze stalaktytami i stalagmitami (6). Rozpuszczony w wodzie wodorowęglan wapnia (a także inne sole wapnia i magnezu) odpowiada za jej twardość. Ściślej za jeden z jej rodzajów, tzw. twardość węglanową (lub przemijającą; ponieważ, jak zauważyłeś, w prosty sposób - gotowanie - można usunąć z roztworu rozpuszczone związki).
Z jednej strony jest to zjawisko korzystne, ponieważ taka woda jest smaczna i dostarcza organizmowi niezbędnych składników mineralnych. Ma ono jednak i niekorzystne skutki. Przede wszystkim dla urządzeń w których woda jest ogrzewana. Powstający osad - kamień kotłowy - składa się z węglanów wapnia i magnezu, często z domieszką innych rozpuszczonych w wodzie soli, np. żelaza, które nadają mu beżowe za-barwienie (7). Osad tworzy się na ściankach naczyń, a głównie na elementach grzewczych, izoluje wodę od źródła ciepła i zmniejsza średnicę rur.
Na pewno nie jeden raz odkamieniałeś czajnik, aby uniknąć odrywających się płatków osadu w herbacie. Kamień kotłowy stanowi prawdziwy problem dla armatury grzewczej, nie tylko grzałek czajnika lub pralki, ale i przemysłowych kotłów. Osad, oprócz tego, że zwiększa wydatek energii na ogrzanie wody (i oczywiście koszty), często powoduje awarie: izolowana od wody grzałka może ulec przepaleniu, a zaczopowana rurka instalacji - rozerwaniu.
Innym niekorzystnym skutkiem obecności w wodzie rozpuszczonych związków wapnia i magnezu jest zwiększenie ilości detergentów koniecznych dla uzyskania pożądanego efektu prania.
Do wielu zastosowań woda musi być zmiękczona, czyli pozbawiono zawartych w niej związków. To złożona problematyka, w której chemia i technologia nie powiedziały jeszcze ostatniego słowa. Zagadnienie twardości wody i jej uzdatniania to jednak temat na osobny artykuł.
Krzysztof Orliński
