vápník -Calcium

Vápník,  20 Ca
Vápník pod argonem Schutzgasatmosphäre.jpg
Vápník
Vzhled matně šedá, stříbrná; se světle žlutým nádechem
Standardní atomová hmotnost A r ° (Ca)
Vápník v periodické tabulce
Vodík Hélium
Lithium Berylium Bor Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon
Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlór Argon
Draslík Vápník Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Žehlička Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Bróm Krypton
Rubidium Stroncium Yttrium Zirkonium niob Molybden Technecium Ruthenium Rhodium palladium stříbrný Kadmium Indium Cín Antimon Tellur Jód Xenon
Cesium Baryum Lanthanum Cerium Praseodym Neodym Promethium Samarium europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium lutecium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Merkur (prvek) Thallium Vést Vizmut Polonium Astatin Radon
Francium Rádium Actinium Thorium Protaktinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornie Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moskva Livermorium Tennessine Oganessona
Mg

Ca

Sr
draslíkvápníkskandium
atomové číslo ( Z ) 20
Skupina skupina 2 (kovy alkalických zemin)
Doba období 4
Blok   s-blok
Konfigurace elektronů [ Ar ] 4s 2
Elektrony na obal 2, 8, 8, 2
Fyzikální vlastnosti
Fáze na  STP pevný
Bod tání 1115  K (842 °C, 1548 °F)
Bod varu 1757 K (1484 °C, 2703 °F)
Hustota (blízko  rt ) 1,55 g/ cm3
když je kapalný (při  mp ) 1,378 g/ cm3
Teplo tání 8,54  kJ/mol
Výparné teplo 154,7 kJ/mol
Molární tepelná kapacita 25,929 J/(mol·K)
Tlak par
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
T  (K) 864 956 1071 1227 1443 1755
Atomové vlastnosti
Oxidační stavy +1, +2 (silně zásaditý oxid)
Elektronegativita Paulingova stupnice: 1,00
Ionizační energie
Atomový poloměr empirický: 197  hodin
Kovalentní poloměr 176±22 hodin
Van der Waalsův poloměr 231 hodin
Barevné čáry ve spektrálním rozsahu
Spektrální čáry vápníku
Další vlastnosti
Přirozený výskyt prvotní
Krystalická struktura ​obličejově centrovaný krychlový (fcc)
Obličejově centrovaná kubická krystalová struktura pro vápník
Rychlost zvuku tenká tyč 3810 m/s (při 20 °C)
Teplotní roztažnost 22,3 µm/(m⋅K) (při 25 °C)
Tepelná vodivost 201 W/(m⋅K)
Elektrický odpor 33,6 nΩ⋅m (při 20 °C)
Magnetické řazení diamagnetické
Molární magnetická susceptibilita +40,0 × 10-6  cm3 / mol _
Youngův modul 20 GPa
Tažný modul 7,4 GPa
Objemový modul 17 GPa
Poissonův poměr 0,31
Mohsova tvrdost 1,75
Tvrdost podle Brinella 170–416 MPa
Číslo CAS 7440-70-2
Dějiny
Objev a první izolace Humphry Davy (1808)
Hlavní izotopy vápníku
Izotop Rozklad
hojnost poločas rozpadu ( t 1/2 ) režimu produkt
40 Ca 96,941 % stabilní
41 Ca stopa 9,94 × 10 4  let ε 41 K
42 Ca 0,647 % stabilní
43 Ca 0,135 % stabilní
44 Ca 2,086 % stabilní
45 Ca syn 162,6 d β - 45 Sc
46 Ca 0,004 % stabilní
47 Ca syn 4,5 d β - 47 Sc
γ
48 Ca 0,187 % 6,4 × 10 19  let β β 48 Ti
 Kategorie: Vápník
| Reference

Vápník je chemický prvek se symbolem Ca a atomovým číslem 20. Jako kov alkalických zemin je vápník reaktivním kovem, který na vzduchu vytváří tmavou vrstvu oxidu-nitridu. Jeho fyzikální a chemické vlastnosti jsou nejvíce podobné jeho těžším homologům stroncium a baryu . Je to pátý nejrozšířenější prvek v zemské kůře a třetí nejrozšířenější kov po železe a hliníku . Nejběžnější sloučeninou vápníku na Zemi je uhličitan vápenatý , nalezený ve vápenci a zkamenělých zbytcích raného mořského života; sádra , anhydrit , fluorit a apatit jsou také zdroje vápníku. Název pochází z latinského calxlimeno “ , které se získávalo zahříváním vápence.

Některé sloučeniny vápníku byly známy starověku, ačkoli jejich chemie byla neznámá až do sedmnáctého století. Čistý vápník byl izolován v roce 1808 elektrolýzou jeho oxidu Humphry Davy , který tento prvek pojmenoval. Sloučeniny vápníku jsou široce používány v mnoha průmyslových odvětvích: v potravinách a léčivech pro doplnění vápníku , v papírenském průmyslu jako bělidla, jako součásti cementu a elektrických izolátorů a při výrobě mýdel. Na druhou stranu má kov v čisté formě jen málo aplikací kvůli své vysoké reaktivitě; stále se v malých množstvích často používá jako legující složka při výrobě oceli a někdy jako slitina vápníku a olova při výrobě automobilových baterií.

Vápník je nejrozšířenější kov a pátý nejrozšířenější prvek v lidském těle . Jako elektrolyty hrají ionty vápníku (Ca2 + ) zásadní roli ve fyziologických a biochemických procesech organismů a buněk : v signálních transdukčních cestách, kde působí jako druhý posel ; při uvolňování neurotransmiterů z neuronů ; při kontrakci všech typů svalových buněk ; jako kofaktory v mnoha enzymech ; a při hnojení . Ionty vápníku mimo buňky jsou důležité pro udržení rozdílu potenciálu mezi excitabilními buněčnými membránami , syntézu proteinů a tvorbu kostí.

Charakteristika

Klasifikace

Vápník je velmi tažný stříbřitý kov (někdy popisovaný jako světle žlutý), jehož vlastnosti jsou velmi podobné těžším prvkům ve své skupině, stronciu , baryu a radiu . Atom vápníku má dvacet elektronů, uspořádaných v elektronové konfiguraci [Ar]4s 2 . Stejně jako ostatní prvky zařazené do skupiny 2 periodické tabulky, má vápník v nejvzdálenějším s-orbitalu dva valenční elektrony , které se při chemických reakcích velmi snadno ztrácejí za vzniku dipozitivního iontu se stabilní elektronovou konfigurací vzácného plynu . pouzdro argon .

Vápník je tedy téměř vždy dvojmocný ve svých sloučeninách, které jsou obvykle iontové . Hypotetické jednomocné soli vápníku by byly stabilní s ohledem na jejich prvky, ale ne na disproporcionaci k dvojmocným solím a kovovému vápníku, protože entalpie tvorby MX2 je mnohem vyšší než u hypotetických MX. K tomu dochází kvůli mnohem větší energii mřížky , kterou poskytuje více nabitý kationt Ca2 + ve srovnání s hypotetickým kationtem Ca + .

Vápník, stroncium, baryum a radium jsou vždy považovány za kovy alkalických zemin ; lehčí beryllium a hořčík , také ve skupině 2 periodické tabulky, jsou často zahrnuty také. Přesto se berylium a hořčík výrazně liší od ostatních členů skupiny ve svém fyzikálním a chemickém chování: chovají se spíše jako hliník a zinek a mají poněkud slabší kovový charakter post-transition kovů , což je důvod, proč tradiční definice výrazu "kov alkalických zemin" je vylučuje.

Fyzikální vlastnosti

Kovový vápník taje při 842 °C a vře při 1494 °C; tyto hodnoty jsou vyšší než hodnoty pro hořčík a stroncium, sousední kovy 2. skupiny. Krystalizuje v kubickém uspořádání se středem obličeje jako stroncium; nad 450 °C přechází do anizotropního hexagonálního uzavřeného uspořádání jako hořčík. Jeho hustota 1,55 g/cm 3 je nejnižší ve své skupině.

Vápník je tvrdší než olovo , ale lze jej řezat nožem s námahou. Zatímco vápník je objemově horší vodič elektřiny než měď nebo hliník , je díky své velmi nízké hustotě lepším vodičem hmotnosti než oba. Zatímco vápník je jako vodič pro většinu pozemských aplikací neproveditelný, protože rychle reaguje s atmosférickým kyslíkem, zvažovalo se jeho použití jako takového ve vesmíru.

Chemické vlastnosti

Struktura polymerního [Ca(H 2 O) 6 ] 2+ centra v hydratovaném chloridu vápenatém, ilustrující vysoké koordinační číslo typické pro vápenaté komplexy.

Chemie vápníku je stejná jako u typického těžkého kovu alkalických zemin. Například vápník spontánně reaguje s vodou rychleji než hořčík a méně rychle než stroncium za vzniku hydroxidu vápenatého a plynného vodíku. Reaguje také s kyslíkem a dusíkem ve vzduchu za vzniku směsi oxidu vápenatého a nitridu vápenatého . Když je jemně rozdělen, spontánně hoří na vzduchu za vzniku nitridu. Ve velkém je vápník méně reaktivní: ve vlhkém vzduchu rychle vytváří hydratační povlak, ale při relativní vlhkosti pod 30 % může být skladován po neomezenou dobu při pokojové teplotě.

Kromě jednoduchého oxidu CaO lze peroxid CaO 2 vyrobit přímou oxidací kovového vápníku pod vysokým tlakem kyslíku a existují určité důkazy pro žlutý superoxid Ca(O 2 ) 2 . Hydroxid vápenatý, Ca(OH) 2 , je silná báze, i když není tak silná jako hydroxidy stroncia, barya nebo alkalických kovů. Všechny čtyři dihalogenidy vápníku jsou známy. Zvláště hojnými minerály jsou uhličitan vápenatý (CaCO 3 ) a síran vápenatý (CaSO 4 ). Stejně jako stroncium a baryum, stejně jako alkalické kovy a dvojmocné lanthanoidy europium a ytterbium , se kov vápníku rozpouští přímo v kapalném čpavku za vzniku tmavě modrého roztoku.

Vzhledem k velké velikosti vápenatého iontu (Ca 2+ ) jsou běžná vysoká koordinační čísla, až 24 u některých intermetalických sloučenin , jako je CaZn 13 . Vápník je snadno komplexován kyslíkovými cheláty , jako je EDTA a polyfosfáty , které jsou užitečné v analytické chemii a odstraňování iontů vápníku z tvrdé vody . V nepřítomnosti sterické zábrany mají menší kationty skupiny 2 tendenci tvořit silnější komplexy, ale když jsou zapojeny velké polydentátní makrocykly , trend je obrácený.

Ačkoli vápník patří do stejné skupiny jako hořčík a organohořčíkové sloučeniny se velmi běžně používají v celé chemii, organovápenaté sloučeniny nejsou podobně rozšířené, protože je obtížnější je vyrobit a jsou reaktivnější, ačkoli byly nedávno zkoumány jako možné katalyzátory . Organokalciové sloučeniny mají tendenci být více podobné organoytterbiovým sloučeninám díky podobným iontovým poloměrům Yb 2+ (102 pm) a Ca 2+ (100 pm).

Většinu těchto sloučenin lze připravit pouze při nízkých teplotách; objemné ligandy mají tendenci podporovat stabilitu. Například, vápník dicyklopentadienyl , Ca( C5H5 ) 2 , musí být vyroben přímou reakcí kovového vápníku s mercurocenem nebo cyklopentadienem samotným ; nahrazení C5H5 ligandu objemnějším C5 (CH3 ) 5 ligandem na druhé straně zvyšuje rozpustnost, těkavost a kinetickou stabilitu sloučeniny .

Izotopy

Přírodní vápník je směs pěti stabilních izotopů ( 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca a 46 Ca) a jednoho izotopu s poločasem rozpadu tak dlouhým, že jej lze považovat za stabilní pro všechny praktické účely ( 48 Ca , s poločasem asi 4,3 × 10 19  let). Vápník je prvním (nejlehčím) prvkem, který má šest přirozeně se vyskytujících izotopů.

Zdaleka nejběžnějším izotopem vápníku v přírodě je 40 Ca, který tvoří 96,941 % veškerého přírodního vápníku. Vyrábí se procesem spalování křemíku z fúze částic alfa a je nejtěžším stabilním nuklidem se stejnými protonovými a neutronovými čísly; její výskyt je doplňován také pomalu rozpadem prvotních 40 K . Přidání další částice alfa vede k nestabilnímu 44 Ti, který se rychle rozpadá prostřednictvím dvou po sobě jdoucích záchytů elektronů na stabilní 44 Ca; to tvoří 2,806 % veškerého přírodního vápníku a je to druhý nejběžnější izotop.

Další čtyři přírodní izotopy, 42 Ca, 43 Ca, 46 Ca a 48 Ca, jsou výrazně vzácnější, každý obsahuje méně než 1 % veškerého přírodního vápníku. Čtyři lehčí izotopy jsou hlavně produkty procesů spalování kyslíku a křemíku, přičemž dva těžší izotopy jsou produkovány procesy zachycování neutronů . 46 Ca se většinou vyrábí v "horkém" s-procesu , protože jeho tvorba vyžaduje poměrně vysoký tok neutronů, aby mohl krátkotrvající 45 Ca zachytit neutron. 48 Ca je produkován záchytem elektronů v r-procesu u supernov typu Ia , kde vysoký přebytek neutronů a dostatečně nízká entropie zajišťují jeho přežití.

46 Ca a 48 Ca jsou první „klasicky stabilní“ nuklidy s přebytkem šesti neutronů, respektive osmi neutronů. Ačkoli je 48 Ca na takový lehký prvek extrémně bohatý na neutrony, je velmi stabilní, protože jde o dvojité magické jádro , které má 20 protonů a 28 neutronů uspořádaných v uzavřených obalech. Jeho beta rozpad na 48 Sc je velmi ztížen kvůli hrubému nesouladu jaderného spinu : 48 Ca má nulový jaderný spin, je sudý–sudý , zatímco 48 Sc má spin 6+, takže je rozpad zakázán zachováním momentu hybnosti . Zatímco dva excitované stavy 48 Sc jsou k dispozici také pro rozpad, jsou také zakázány kvůli jejich vysokým spinům. Výsledkem je, že když se 48 Ca rozpadne, stane se tak dvojitým beta rozpadem na 48 Ti , což je nejlehčí známý nuklid, který podléhá dvojitému beta rozpadu.

Těžký izotop 46 Ca může také teoreticky podstoupit dvojitý beta rozpad na 46 Ti, ale to nebylo nikdy pozorováno. Nejlehčí a nejběžnější izotop 40 Ca je také dvojnásobně magický a mohl by podstoupit dvojitý záchyt elektronů na 40 Ar , ale to také nebylo nikdy pozorováno. Vápník je jediný prvek, který má dva prvotní izotopy dvojité magie. Experimentální spodní limity pro poločasy 40 Ca a 46 Ca jsou 5,9 × 10 21  let a 2,8 × 10 15  let, v tomto pořadí.

Kromě prakticky stabilního 48 Ca je nejdéle žijícím radioizotopem vápníku 41 Ca. Rozpadá se záchytem elektronů na stabilních 41 K s poločasem rozpadu asi sto tisíc let. Jeho existence v rané Sluneční soustavě jako zaniklého radionuklidu byla odvozena z přebytků 41 K: stopy 41 Ca také stále existují dnes, protože jde o kosmogenní nuklid , nepřetržitě reformovaný neutronovou aktivací přirozeného 40 Ca.

Je známo mnoho dalších radioizotopů vápníku, v rozmezí od 35 Ca do 60 Ca. Všechny mají mnohem kratší životnost než 41 Ca, nejstabilnější z nich je 45 Ca (poločas 163 dnů) a 47 Ca (poločas 4,54 dne). Izotopy lehčí než 42 Ca obvykle podléhají rozpadu beta plus na izotopy draslíku a ty těžší než 44 Ca obvykle podléhají rozpadu beta mínus na izotopy skandia , ačkoli v blízkosti jaderných odkapávacích čar začínají být emise protonů a emise neutronů významnými způsoby rozpadu. také.

Stejně jako jiné prvky, různé procesy mění relativní množství izotopů vápníku. Nejlépe prozkoumaným z těchto procesů je hmotnostně závislá frakcionace izotopů vápníku, která doprovází srážení vápenatých minerálů, jako je kalcit , aragonit a apatit z roztoku. Lehčí izotopy jsou přednostně začleněny do těchto minerálů, přičemž okolní roztok je obohacen o těžší izotopy o velikosti zhruba 0,025 % na jednotku atomové hmotnosti (amu) při pokojové teplotě. Hmotnostně závislé rozdíly ve složení izotopů vápníku se běžně vyjadřují poměrem dvou izotopů (obvykle 44 Ca/ 40 Ca) ve vzorku ve srovnání se stejným poměrem ve standardním referenčním materiálu. 44 Ca/ 40 Ca se mezi běžnými zemskými materiály liší asi o 1 %.

Dějiny

Jedna ze soch 'Ain Ghazal , vyrobená z vápenné omítky

Sloučeniny vápníku byly známy po tisíciletí, ačkoli jejich chemické složení nebylo pochopeno až do 17. století. Vápno jako stavební materiál a jako omítka pro sochy se používalo již kolem roku 7000 před naším letopočtem. První datovaná vápenka pochází z roku 2500 př. n. l. a byla nalezena v Khafajah v Mezopotámii .

Přibližně ve stejnou dobu se ve Velké pyramidě v Gíze používal dehydratovaný sádrovec (CaSO 4 · 2H 2 O) . Tento materiál byl později použit pro omítku v hrobce Tutanchamona . Staří Římané místo toho používali vápenné malty vyrobené zahříváním vápence (CaCO 3 ). Samotný název „vápník“ pochází z latinského slova calx „vápno“.

Vitruvius poznamenal, že vápno, které vzniklo, bylo lehčí než původní vápenec, což přisuzuje varu vody. V roce 1755 Joseph Black dokázal, že to bylo způsobeno ztrátou oxidu uhličitého , který jako plyn nebyl uznán starými Římany.

V roce 1789 měl Antoine Lavoisier podezření, že vápno může být oxidem základního chemického prvku . Lavoisier ve své tabulce prvků uvedl pět „salifikovatelných zemin“ (tj. rud, které by mohly reagovat s kyselinami za vzniku solí ( salis = sůl, latinsky): chaux (oxid vápenatý), magnésie (hořčík, oxid hořečnatý ). ), baryt (síran barnatý), hliník (oxid hlinitý, oxid hlinitý) a oxid křemičitý (oxid křemičitý, oxid křemičitý)). O těchto „prvcích“ uvažoval Lavoisier:

Pravděpodobně zatím známe jen část kovových látek vyskytujících se v přírodě, neboť všechny, které mají větší afinitu ke kyslíku než uhlík, se dosud nedají redukovat do kovového stavu, a proto jsou pouze prezentované našemu pozorování ve formě oxidů, jsou zaměňovány se zeměmi. Je nanejvýš pravděpodobné, že baryty, které jsme právě nyní uspořádali se zeminami, jsou v této situaci; protože v mnoha experimentech vykazuje vlastnosti téměř se blíží vlastnostem kovových těles. Je dokonce možné, že všechny látky, kterým říkáme zeminy, mohou být pouze oxidy kovů, neredukovatelné jakýmkoliv dosud známým procesem.

Vápník, spolu s jeho kongenery hořčíkem, stronciem a baryem, poprvé izoloval Humphry Davy v roce 1808. Po práci Jönse Jakoba Berzelia a Magnuse Martina af Pontina o elektrolýze Davy izoloval vápník a hořčík přidáním směsi příslušného kovu. oxidy s oxidem rtuťnatým na platinové desce, která byla použita jako anoda, přičemž katodou je platinový drát částečně ponořený do rtuti. Elektrolýza pak poskytla amalgámy vápník-rtuť a hořčík-rtuť a destilací rtuti se získal kov. Čistý vápník však nelze touto metodou připravit ve velkém a funkční komerční postup jeho výroby byl nalezen až o více než století později.

Výskyt a výroba

Vápník je se 3 % pátým nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře a třetím nejrozšířenějším kovem po hliníku a železe . Je to také čtvrtý nejhojnější prvek v měsíčních vysočinách . Sedimentární ložiska uhličitanu vápenatého prostupují povrch Země jako fosilizované pozůstatky minulého mořského života; vyskytují se ve dvou formách, romboedrický kalcit (běžnější) a ortorombický aragonit (vzniká v mořích mírnějšího pásma). Minerály prvního typu zahrnují vápenec , dolomit , mramor , křídu a islandský břevno ; aragonitové vrstvy tvoří Bahamy , Florida Keys a povodí Rudého moře . Korály , mořské mušle a perly jsou většinou tvořeny uhličitanem vápenatým. Mezi další důležité minerály vápníku patří sádrovec (CaSO 4 · 2H 2 O), anhydrit (CaSO 4 ), fluorit (CaF 2 ) a apatit ([Ca 5 (PO 4 ) 3 F]).

Hlavními producenty vápníku jsou Čína (asi 10000 až 12000 tun ročně), Rusko (asi 6000 až 8000 tun ročně) a Spojené státy americké (asi 2000 až 4000 tun ročně). Mezi menší producenty patří také Kanada a Francie . V roce 2005 bylo vyrobeno asi 24 000 tun vápníku; asi polovinu světového extrahovaného vápníku využívají Spojené státy, přičemž každý rok se spotřebuje asi 80 % produkce.

V Rusku a Číně se Davyho metoda elektrolýzy stále používá, ale místo toho se aplikuje na roztavený chlorid vápenatý . Protože vápník je méně reaktivní než stroncium nebo baryum, oxid-nitridový povlak, jehož výsledkem je vzduch, je stabilní a pro vápník jsou vhodné soustružnické obrábění a další standardní metalurgické techniky. Ve Spojených státech a Kanadě se vápník místo toho vyrábí redukcí vápna hliníkem při vysokých teplotách.

Geochemické cyklování

Cyklování vápníku poskytuje spojení mezi tektonikou , klimatem a uhlíkovým cyklem . Zjednodušeně řečeno, zdvih hor vystavuje horniny obsahující vápník, jako jsou některé žuly , chemickému zvětrávání a uvolňuje Ca 2+ do povrchové vody. Tyto ionty jsou transportovány do oceánu, kde reagují s rozpuštěným CO2 za vzniku vápence ( CaCO
3
), který se zase usadí na mořském dně, kde je zabudován do nových hornin. Rozpuštěný CO2 , spolu s uhličitanovými a hydrogenuhličitanovými ionty , se nazývají " rozpuštěný anorganický uhlík " (DIC).

Vlastní reakce je složitější a zahrnuje hydrogenuhličitanový iont (HCO
3
), který vzniká, když CO 2 reaguje s vodou při pH mořské vody :

Ca2+
+ 2 HCO
3
CaCO
3
( s ) + CO
2
+ H
2
Ó

Při pH mořské vody se většina CO 2 okamžitě přemění zpět na HCO
3
. Výsledkem reakce je síťový transport jedné molekuly CO 2 z oceánu/atmosféry do litosféry . Výsledkem je, že každý iont Ca2 + uvolněný chemickým zvětráváním nakonec odstraní jednu molekulu CO2 z povrchového systému (atmosféry, oceánu, půdy a živých organismů) a uloží ji do uhličitanových hornin, kde pravděpodobně zůstane po stovky milionů let. Zvětrávání vápníku z hornin tak drhne CO 2 z oceánu a atmosféry, což má silný dlouhodobý vliv na klima.

Použití

Největší použití kovového vápníku je při výrobě oceli , kvůli jeho silné chemické afinitě ke kyslíku a síře . Jeho oxidy a sulfidy, jakmile se vytvoří, dávají kapalný hlinitan vápna a inkluze sulfidu v oceli, které vyplavují; při zpracování se tyto vměstky rozptýlí po celé oceli a stanou se malými a kulovitými, čímž se zlepší slévatelnost, čistota a obecné mechanické vlastnosti. Vápník se také používá v bezúdržbových automobilových bateriích , ve kterých použití 0,1% slitin vápníku a olova namísto obvyklých slitin antimonu a olova vede k nižším ztrátám vody a nižšímu samovybíjení.

Kvůli riziku rozpínání a praskání je někdy do těchto slitin zabudován i hliník . Tyto slitiny olova a vápníku se také používají při odlévání a nahrazují slitiny olova a antimonu. Vápník se také používá ke zpevnění hliníkových slitin používaných pro ložiska, ke kontrole grafitického uhlíku v litině a k odstranění vizmutových nečistot z olova. Kovový vápník se nachází v některých čističích odpadů, kde funguje tak, že vytváří teplo a hydroxid vápenatý , který zmýdelňuje tuky a zkapalňuje proteiny (například ty ve vlasech), které blokují odtoky.

Kromě metalurgie se reaktivita vápníku využívá k odstraňování dusíku z vysoce čistého argonového plynu a jako getr kyslíku a dusíku. Používá se také jako redukční činidlo při výrobě chrómu , zirkonia , thoria a uranu . Může být také použit k ukládání plynného vodíku, protože reaguje s vodíkem za vzniku pevného hydridu vápenatého , ze kterého lze vodík snadno znovu extrahovat.

Frakcionace izotopů vápníku během tvorby minerálů vedla k několika aplikacím izotopů vápníku. Zejména pozorování Skulana a DePaola z roku 1997, že vápenaté minerály jsou izotopově lehčí než roztoky, ze kterých se minerály srážejí, je základem analogických aplikací v medicíně a v paleoceanografii. U zvířat s kostrou mineralizovanou vápníkem odráží izotopové složení vápníku v měkkých tkáních relativní rychlost tvorby a rozpouštění kosterního minerálu.

U lidí se ukázalo, že změny v izotopovém složení vápníku v moči souvisí se změnami minerální rovnováhy kostí. Když rychlost tvorby kosti překročí rychlost kostní resorpce, poměr 44 Ca/ 40 Ca v měkké tkáni stoupá a naopak. Kvůli tomuto vztahu může být měření izotopů vápníku v moči nebo krvi užitečné při časné detekci metabolických onemocnění kostí, jako je osteoporóza .

Podobný systém existuje v mořské vodě, kde 44 Ca/ 40 Ca má tendenci stoupat, když rychlost odstraňování Ca 2+ minerálními srážkami převyšuje přísun nového vápníku do oceánu. V roce 1997 Skulan a DePaolo předložili první důkaz změny mořské vody 44 Ca/ 40 Ca v průběhu geologického času spolu s teoretickým vysvětlením těchto změn. Novější práce potvrdily toto pozorování a prokázaly, že koncentrace Ca 2+ v mořské vodě není konstantní a že oceán nikdy není v „ustáleném stavu“ s ohledem na vstup a výstup vápníku. To má důležité klimatologické důsledky, protože cyklus mořského vápníku je úzce svázán s cyklem uhlíku .

Mnoho sloučenin vápníku se používá mimo jiné v potravinách, jako léčiva a v lékařství. Například vápník a fosfor jsou v potravinách doplňovány přidáním laktátu vápenatého , difosforečnanu vápenatého a fosforečnanu vápenatého . Poslední se také používá jako leštící prostředek v zubní pastě a v antacidech . Laktobionát vápenatý je bílý prášek, který se používá jako suspendační činidlo pro léčiva. Při pečení se fosforečnan vápenatý používá jako kypřící prostředek . Siřičitan vápenatý se používá jako bělidlo při výrobě papíru a jako dezinfekční prostředek, křemičitan vápenatý se používá jako ztužující činidlo v kaučuku a octan vápenatý je součástí vápenné kalafuny a používá se k výrobě kovových mýdel a syntetických pryskyřic.

Vápník je na seznamu esenciálních léků Světové zdravotnické organizace .

Zdroje potravy

Mezi potraviny bohaté na vápník patří mléčné výrobky , jako je jogurt a sýr , sardinky , losos , sójové produkty, kapusta a obohacené snídaňové cereálie .

Kvůli obavám z dlouhodobých nepříznivých vedlejších účinků, včetně kalcifikace tepen a ledvinových kamenů , nastavily americký lékařský institut (IOM) i Evropský úřad pro bezpečnost potravin (EFSA) tolerovatelné horní úrovně příjmu (UL) pro kombinované dietní a doplňkové vápník. Podle IOM by osoby ve věku 9–18 let neměly překročit kombinovaný příjem 3 g/den; pro věk 19–50 let nepřekračovat 2,5 g/den; ve věku 51 a více let nepřekračovat 2 g/den. EFSA stanovil UL pro všechny dospělé na 2,5 g/den, ale rozhodl, že informace pro děti a dospívající nejsou dostatečné ke stanovení UL.

Biologická a patologická role

Denní doporučení týkající se vápníku přizpůsobená věku (od US Institute of Medicine RDAs)
Stáří vápník (mg/den)
1–3 roky 700
4–8 let 1000
9–18 let 1300
19–50 let 1000
>51 let 1000
Těhotenství 1000
Laktace 1000
Globální příjem vápníku ve stravě u dospělých (mg/den).
  <400
  400–500
  500–600
  600–700
  700–800
  800–900
  900–1000
  >1000

Funkce

Vápník je nezbytný prvek potřebný ve velkém množství. Iont Ca 2+ působí jako elektrolyt a je životně důležitý pro zdraví svalového, oběhového a trávicího systému; je nezbytný pro stavbu kostí; a podporuje syntézu a funkci krevních buněk. Například reguluje kontrakci svalů , nervové vedení a srážení krve. V důsledku toho jsou intra- a extracelulární hladiny vápníku tělem přísně regulovány. Vápník může hrát tuto roli, protože iont Ca2 + tvoří stabilní koordinační komplexy s mnoha organickými sloučeninami, zejména proteiny ; tvoří také sloučeniny s širokým rozsahem rozpustnosti, umožňující tvorbu skeletu .

Vazba

Vápenaté ionty mohou být komplexovány proteiny prostřednictvím vazby karboxylových skupin zbytků kyseliny glutamové nebo kyseliny asparagové ; prostřednictvím interakce s fosforylovanými zbytky serinu , tyrosinu nebo threoninu ; nebo tím, že jsou chelatovány y-karboxylovanými aminokyselinovými zbytky. Trypsin , trávicí enzym, používá první metodu; osteokalcin , protein kostní matrice, používá třetí.

Některé další proteiny kostní matrice, jako je osteopontin a kostní sialoprotein , používají první i druhý. Běžná je přímá aktivace enzymů vazbou vápníku; některé další enzymy jsou aktivovány nekovalentní asociací s enzymy přímo vázajícími vápník. Vápník se také váže na fosfolipidovou vrstvu buněčné membrány a kotví proteiny spojené s buněčným povrchem.

Rozpustnost

Jako příklad široké škály rozpustnosti sloučenin vápníku je fosforečnan vápenatý velmi rozpustný ve vodě, 85 % extracelulárního vápníku je ve formě fosforečnanu vápenatého s rozpustností 2,0  mM a hydroxyapatitem kostí v organické matrici je fosforečnan vápenatý při 100 μM.

Výživa

Vápník je běžnou složkou multivitaminových doplňků stravy , ale složení komplexů vápníku v doplňcích může ovlivnit jeho biologickou dostupnost, která se liší podle rozpustnosti obsažené soli: citrát vápenatý , malát a laktát jsou vysoce biologicky dostupné, zatímco oxalát je méně. Jiné přípravky vápníku zahrnují uhličitan vápenatý , citrát malát vápenatý a glukonát vápenatý . Střevo absorbuje asi jednu třetinu vápníku přijatého jako volný iont a hladina vápníku v plazmě je pak regulována ledvinami .

Hormonální regulace tvorby kostí a sérových hladin

Parathormon a vitamín D podporují tvorbu kosti tím, že umožňují a zvyšují ukládání iontů vápníku v nich, což umožňuje rychlý kostní obrat bez ovlivnění kostní hmoty nebo obsahu minerálů. Při poklesu hladiny vápníku v plazmě se aktivují povrchové buněčné receptory a dochází k sekreci parathormonu; poté pokračuje ve stimulaci vstupu vápníku do plazmatické zásoby tím, že jej odebírá z cílených buněk ledvin, střeva a kostí, přičemž kostotvorný účinek parathormonu je antagonizován kalcitoninem , jehož sekrece se zvyšuje se zvyšující se hladinou vápníku v plazmě.

Abnormální hladiny v séru

Nadměrný příjem vápníku může způsobit hyperkalcémii . Protože se však vápník ve střevech vstřebává spíše neefektivně, vysoká hladina vápníku v séru je pravděpodobně způsobena nadměrnou sekrecí parathormonu (PTH) nebo možná nadměrným příjmem vitamínu D, což obojí usnadňuje vstřebávání vápníku. Všechny tyto stavy vedou k nadměrnému ukládání vápenatých solí v srdci, krevních cévách nebo ledvinách. Příznaky zahrnují anorexii, nevolnost, zvracení, ztrátu paměti, zmatenost, svalovou slabost, zvýšené močení, dehydrataci a metabolické onemocnění kostí.

Chronická hyperkalcémie obvykle vede ke kalcifikaci měkkých tkání a jejím vážným následkům: například kalcifikace může způsobit ztrátu elasticity cévních stěn a narušení laminárního průtoku krve – a následně k prasknutí plátu a trombóze . Naopak nedostatečný příjem vápníku nebo vitaminu D může vést k hypokalcémii , často způsobené také nedostatečnou sekrecí parathormonu nebo defektními PTH receptory v buňkách. Příznaky zahrnují nervosvalovou dráždivost, která potenciálně způsobuje tetanii a narušení vodivosti v srdeční tkáni.

Onemocnění kostí

Protože vápník je nutný pro vývoj kostí, mnoho kostních onemocnění lze vysledovat k organické matrici nebo hydroxyapatitu v molekulární struktuře nebo organizaci kosti. Osteoporóza je snížení obsahu minerálů v kosti na jednotku objemu a lze ji léčit suplementací vápníku, vitamínu D a bisfosfonátů . Nedostatečné množství vápníku, vitamínu D nebo fosfátů může vést k měknutí kostí, nazývanému osteomalacie .

Bezpečnost

Kovový vápník

Vápník
Rizika
GHS označení :
GHS02: Hořlavý
Nebezpečí
H261
P231+P232
NFPA 704 (ohnivý diamant)
0
3
1

Vzhledem k tomu, že vápník exotermicky reaguje s vodou a kyselinami, kov vápníku, který přichází do styku s tělesnou vlhkostí, vede k silnému žíravému podráždění. Při požití má kov vápníku stejný účinek na ústa, jícen a žaludek a může být smrtelný. Není však známo, že by dlouhodobá expozice měla zřetelné nepříznivé účinky.

Reference

Bibliografie