Vápník | ||||
---|---|---|---|---|
← Draslík | Scandium → | ||||
| ||||
Vzhled jednoduché látky | ||||
Vzorek vápníku v argonové atmosféře | ||||
Vlastnosti atomu | ||||
Jméno, symbol, číslo | vápník/vápník (Ca), 20 | |||
Skupina , období , blok |
2 (zastaralé 2), 4, s-prvek |
|||
atomová hmotnost ( molární hmotnost ) |
40.078(4) [1] a. e. m. ( g / mol ) | |||
Elektronická konfigurace |
[Ar] 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 |
|||
Poloměr atomu | 197 hodin | |||
Chemické vlastnosti | ||||
kovalentní poloměr | 174 hodin | |||
Poloměr iontů | (+2e) 99 hodin | |||
Elektronegativita | 1,00 (Paulingova stupnice) | |||
Elektrodový potenciál | -2,76 V | |||
Oxidační stavy | 0, +2 | |||
Ionizační energie (první elektron) |
589,4 (6,11) kJ / mol ( eV ) | |||
Termodynamické vlastnosti jednoduché látky | ||||
Hustota (v n.a. ) | 1,55 g/cm³ | |||
Teplota tání | 1112 K; 838,85 °C | |||
Teplota varu | 1757 K; 1483,85 °C | |||
Oud. teplo tání | 9,20 kJ/mol | |||
Oud. výparné teplo | 153,6 kJ/mol | |||
Molární tepelná kapacita | 25,9 [2] J/(K mol) | |||
Molární objem | 29,9 cm³ / mol | |||
Krystalová mřížka jednoduché látky | ||||
Příhradová konstrukce | Kubický FCC | |||
Parametry mřížky | 5,580 Å _ | |||
Debyeho teplota | 230 tisíc _ | |||
Další vlastnosti | ||||
Tepelná vodivost | (300 K) (201) W/(m K) | |||
Číslo CAS | 7440-70-2 | |||
Emisní spektrum | ||||
dvacet | Vápník |
Ca40,078 | |
4s 2 |
Vápník ( chemická značka - Ca , z lat. Vápník ) je chemický prvek 2. skupiny (podle zastaralé klasifikace - hlavní podskupina druhé skupiny, IIA), čtvrté období periodického systému chemických prvků D. I. Mendělejev s atomovým číslem 20.
Jednoduchá látka vápník je středně tvrdý [3] , velmi lehký reaktivní kov alkalických zemin stříbřitě bílé barvy .
V čisté formě jej poprvé získal G. Davy v roce 1808 .
Vápník je jedním z životně důležitých prvků pro organismy.
Název prvku pochází z lat. calx (v genitivu calcis ) - "vápno", "měkký kámen". Navrhl to anglický chemik Humphry Davy , který v roce 1808 izoloval kov vápníku elektrolytickou metodou . Davy elektrolyzoval směs vlhkého hašeného vápna s oxidem rtuťnatým HgO na platinové desce, která byla anodou . Katoda byl platinový drát ponořený v kapalné rtuti . V důsledku elektrolýzy byl získán amalgám vápníku . Poté, co z něj Davy odehnal rtuť, získal kov zvaný vápník.
Sloučeniny vápníku - vápenec , mramor , sádrovec (stejně jako vápno - produkt pálení vápence) se ve stavebnictví používaly již před několika tisíciletími. Do konce 18. století považovali chemici vápno za jednoduché těleso. V roce 1789 A. Lavoisier navrhl, že vápno, hořčík , baryt , oxid hlinitý a oxid křemičitý jsou složité látky.
Vzhledem k vysoké chemické aktivitě se vápník ve volné formě v přírodě nenachází.
Vápník tvoří 3,38 % hmotnosti zemské kůry ( 5. místo v hojnosti po kyslíku , křemíku , hliníku a železe ). Obsah prvku v mořské vodě je 400 mg/l [4] .
Vápník se v přírodě vyskytuje ve formě směsi šesti izotopů : 40Ca , 42Ca , 43Ca , 44Ca , 46Ca a 48Ca , z nichž nejběžnější - 40Ca - je 96,97%. Jádra vápníku obsahují magický počet protonů: Z = 20 . izotopy40
20Cadvacet
a48
20Ca28
jsou dvě z pěti dvojitých magických jader , která existují v přírodě .
Ze šesti přirozeně se vyskytujících izotopů vápníku je pět stabilních. Šestý izotop 48Ca , nejtěžší ze šesti a velmi vzácný (jeho izotopová abundance je pouze 0,187 %), podléhá dvojitému beta rozpadu s poločasem (4,39 ± 0,58)⋅10 19 let [5] [6] [7 ] .
Vápník, který energicky migruje v zemské kůře a hromadí se v různých geochemických systémech, tvoří 385 minerálů (čtvrtý co do počtu minerálů).
Nejvíce vápníku je obsaženo ve složení silikátů a hlinitokřemičitanů různých hornin ( žuly , ruly atd.), zejména v živcích - anortitu Ca[Al 2 Si 2 O 8 ].
Minerály vápníku , jako je kalcit CaCO 3 , anhydrit CaSO 4 , alabastr CaSO 4 0,5H 2 O a sádrovec CaSO 4 2H 2 O, fluorit CaF 2 , apatity Ca 5 (PO 4 ) 3 (F, Cl, OH), dolomit MgCO 2 CaC03 . _ Přítomnost vápenatých a hořečnatých solí v přírodní vodě určuje její tvrdost .
Sedimentární hornina, tvořená převážně kryptokrystalickým kalcitem - vápencem (jednou z jeho odrůd je křída ). Působením regionální metamorfózy se vápenec přeměňuje na mramor .
V přirozené migraci vápníku hraje významnou roli „uhličitanová rovnováha“, spojená s vratnou reakcí uhličitanu vápenatého s vodou a oxidem uhličitým za vzniku rozpustného hydrogenuhličitanu:
(rovnováha se posouvá doleva nebo doprava v závislosti na koncentraci oxidu uhličitého).
Důležitou roli hraje biogenní migrace.
Sloučeniny vápníku se nacházejí téměř ve všech živočišných a rostlinných tkáních ( viz níže ). Významné množství vápníku je součástí živých organismů. Takže hydroxyapatit Ca 5 (PO 4 ) 3 OH, nebo v jiném záznamu 3Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca (OH) 2 - základ kostní tkáně obratlovců, včetně člověka; skořápky a schránky mnoha bezobratlých, vaječné skořápky atd. jsou složeny z uhličitanu vápenatého CaCO 3. V živých tkáních lidí a zvířat 1,4-2 % Ca (hmotnostní zlomek); v lidském těle o hmotnosti 70 kg je obsah vápníku asi 1,7 kg (hlavně ve složení mezibuněčné hmoty kostní tkáně).
Kov vápníku existuje ve dvou alotropních modifikacích . Do 443 °C je α -Ca s kubickou plošně centrovanou mřížkou stabilní (parametr a \ u003d 0,558 nm ), β -Ca je stabilní výše s kubickou mřížkou centrovanou na tělo typu α -Fe (parametr a \ u003d 0,448 nm ). Standardní entalpie přechodu α → β je 0,93 kJ/mol .
S postupným zvyšováním tlaku začíná vykazovat vlastnosti polovodiče , ale nestává se polovodičem v plném slova smyslu (už to také není kov). S dalším zvýšením tlaku se vrací do kovového stavu a začíná vykazovat supravodivé vlastnosti (teplota supravodivosti je šestkrát vyšší než u rtuti a vodivostí daleko převyšuje všechny ostatní prvky). Jedinečné chování vápníku je v mnoha ohledech podobné stronciu (to znamená, že paralely v periodickém systému jsou zachovány) [8] .
Vápník je typický kov alkalických zemin . Reaktivita vápníku je vysoká, ale nižší než u těžších kovů alkalických zemin. Snadno reaguje s kyslíkem, oxidem uhličitým a vlhkostí ve vzduchu, proto je povrch kovového vápníku obvykle matně šedý, takže vápník je obvykle uložen v laboratoři, stejně jako ostatní kovy alkalických zemin, v těsně uzavřené nádobě pod vrstvou petroleje nebo tekutého parafínu .
V sérii standardních potenciálů je vápník umístěn nalevo od vodíku . Standardní elektrodový potenciál dvojice Ca 2+ / Ca 0 −2,84 V , takže vápník aktivně reaguje s vodou, ale bez vznícení:
S aktivními nekovy ( kyslík , chlor , brom , jód ) vápník za normálních podmínek reaguje:
Stejně jako všechny ostatní kovy je i vápník charakterizován vytěsňováním méně aktivních kovů z jejich solí:
Při zahřívání na vzduchu nebo kyslíku se vápník vznítí a hoří červeným plamenem s oranžovým nádechem („cihlově červený“). S méně aktivními nekovy ( vodík , bór , uhlík , křemík , dusík , fosfor a další) vápník interaguje při zahřívání, například:
Kromě fosfidu vápenatého Ca3P2 a křemičitanu vápenatého Ca2Si získaných v těchto reakcích jsou také známy fosfidy vápenaté kompozic CaP a CaP5 a silicidy vápníku CaSi , Ca3Si4 a CaSi2 kompozice .
Průběh výše uvedených reakcí je zpravidla doprovázen uvolňováním velkého množství tepla. Ve všech sloučeninách s nekovy je oxidační stav vápníku +2. Většina sloučenin vápníku s nekovy se vodou snadno rozkládá, například:
Iont Ca2 + je bezbarvý. Když se do plamene přidají rozpustné vápenaté soli, plamen se zbarví do cihlově červené.
Soli vápníku, jako je chlorid CaCl2 , bromid CaBr2 , jodid vápenatý a dusičnan Ca(N03 ) 2 , jsou vysoce rozpustné ve vodě . Fluorid CaF 2 , uhličitan CaCO 3 , síran CaSO 4 , orthofosforečnan Ca 3 (PO 4 ) 2 , oxalát CaC 2 O 4 a některé další jsou ve vodě nerozpustné .
Důležitá je skutečnost, že na rozdíl od uhličitanu vápenatého CaCO 3 je kyselý uhličitan vápenatý (hydrouhličitan) Ca (HCO 3 ) 2 rozpustný ve vodě. V přírodě to vede k následujícím procesům. Když studený déšť nebo říční voda nasycená oxidem uhličitým pronikne do podzemí a dopadne na vápence , pozoruje se jejich rozpouštění a v místech, kde voda nasycená hydrogenuhličitanem vápenatým přichází na povrch země a je zahřívána slunečními paprsky, dochází k reverzní reakci
V přírodě tedy dochází k přenosu velkých mas látek. V důsledku toho se v podzemí mohou tvořit obrovské krasové dutiny a ponory a v jeskyních se tvoří krásné kamenné " rampouchy " - stalaktity a stalagmity .
Přítomnost rozpuštěného hydrogenuhličitanu vápenatého ve vodě do značné míry určuje dočasnou tvrdost vody. Říká se tomu dočasné, protože při vaření vody se hydrogenuhličitan rozkládá a vysráží se CaCO 3 . Tento jev vede například k tomu, že se v konvici časem tvoří vodní kámen .
Volný kovový vápník se získává elektrolýzou taveniny skládající se z CaCl2 ( 75-80 %) a KCl nebo z CaCl2 a CaF2 , jakož i aluminotermickou redukcí CaO při 1170-1200 ° C
Hlavní využití kovového vápníku je jako redukčního činidla při výrobě kovů, zejména niklu, mědi a nerezové oceli. Vápník a jeho hydrid se také používají k výrobě těžko redukovatelných kovů, jako je chrom , thorium a uran . Slitiny vápníku a olova se používají v některých typech baterií a při výrobě ložisek. Granule vápníku se také používají k odstranění stop vzduchu z elektrovakuových zařízení. Čistý kovový vápník je široce používán v metalotermii při výrobě prvků vzácných zemin [9] .
Vápník je široce používán v metalurgii k dezoxidaci oceli spolu s hliníkem nebo v kombinaci s ním. Mimopecní zpracování dráty s obsahem vápníku zaujímá přední místo díky multifaktoriálnímu účinku vápníku na fyzikálně-chemický stav taveniny, makro- a mikrostrukturu kovu, kvalitu a vlastnosti kovových výrobků a je nedílnou součástí součást technologie výroby oceli [10] . V moderní metalurgii se vstřikovací drát používá k zavádění vápníku do taveniny, což je vápník (někdy křemičitovápenaté nebo hliníkové vápník) ve formě prášku nebo lisovaného kovu v ocelovém plášti. Spolu s dezoxidací (odstraněním kyslíku rozpuštěného v oceli) umožňuje použití vápníku získat nekovové vměstky příznivé povahy, složení a tvaru, které se při dalších technologických operacích nezbortí [11] .
Izotop 48 Ca je jedním z nejúčinnějších a nejužitečnějších materiálů pro výrobu supertěžkých prvků a objevování nových prvků v periodické tabulce . To je způsobeno skutečností, že vápník-48 je dvakrát magické jádro [12] , takže jeho stabilita umožňuje, aby byl dostatečně bohatý na neutrony pro lehké jádro; syntéza supertěžkých jader vyžaduje nadbytek neutronů.
Vápník je běžnou makroživinou v těle rostlin, zvířat a lidí. U lidí a jiných obratlovců se většina z nich nachází v kostře a zubech . Vápník se nachází v kostech ve formě hydroxyapatitu [ 13 ] . „Kostry“ většiny skupin bezobratlých (houby, korálové polypy, měkkýši atd.) se skládají z různých forem uhličitanu vápenatého (vápna). Ionty vápníku se podílejí na procesech srážení krve a také slouží jako jeden z univerzálních druhých poslů uvnitř buněk a regulují řadu intracelulárních procesů – svalovou kontrakci , exocytózu , včetně sekrece hormonů a neurotransmiterů . Koncentrace vápníku v cytoplazmě lidských buněk je asi 10 −4 mmol/l , v mezibuněčných tekutinách asi 2,5 mmol/l .
Potřeba vápníku závisí na věku. Pro dospělé ve věku 19–50 let a děti ve věku 4–8 let včetně je denní potřeba (RDA) 1000 mg [14] a pro děti ve věku 9–18 let včetně 1300 mg denně [14] . V dospívání je dostatečný příjem vápníku velmi důležitý vzhledem k intenzivnímu růstu kostry. Podle studií ve Spojených státech však svých potřeb dosahuje pouze 11 % dívek a 31 % chlapců ve věku 12–19 let [15] . Ve vyvážené stravě se většina vápníku (asi 80 %) dostává do těla dítěte s mléčnými výrobky . Zbývající vápník pochází z obilovin (včetně celozrnného pečiva a pohanky), luštěnin, pomerančů , zelení , ořechy. Vstřebávání vápníku ve střevě probíhá dvěma způsoby: prostřednictvím střevních buněk (transcelulárně) a intercelulárně (paracelulárně). První mechanismus je zprostředkován působením aktivní formy vitaminu D ( kalcitriolu ) a jeho střevních receptorů. Hraje velkou roli při nízkém až středním příjmu vápníku. Při vyšším obsahu vápníku ve stravě začíná hrát hlavní roli mezibuněčná absorpce, která je spojena s velkým gradientem koncentrace vápníku. Díky transcelulárnímu mechanismu se vápník ve větší míře vstřebává v duodenu (kvůli tamní nejvyšší koncentraci receptorů v kalcitriolu). Díky mezibuněčnému pasivnímu přenosu je vstřebávání vápníku nejaktivnější ve všech třech úsecích tenkého střeva. Vstřebávání vápníku paracelulárně podporuje laktóza (mléčný cukr).
Absorpci vápníku brání některé živočišné tuky [16] (včetně tuku z kravského mléka a hovězího loje, nikoli však sádlo ) a palmový olej . Mastné kyseliny palmitové a stearové obsažené v takových tucích se při trávení ve střevech odštěpují a ve volné formě pevně vážou vápník za vzniku palmitátu vápenatého a stearátu vápenatého (nerozpustná mýdla ) [17] . V podobě tohoto mýdla se židlí se ztrácí vápník i tuk. Tento mechanismus je zodpovědný za sníženou absorpci vápníku [18] [19] [20] , sníženou mineralizaci kostí [21] a sníženou nepřímou míru pevnosti kostí [22] [23] u kojenců s kojeneckou výživou na bázi palmového oleje (palmový olein) . U těchto dětí je tvorba kalciových mýdel ve střevech spojena s tuhnutím stolice [24] [25] , poklesem její frekvence [24] a také častější regurgitací [26] a kolikou [23] .
Koncentrace vápníku v krvi je vzhledem k jeho významu pro velké množství životně důležitých procesů přesně regulována a při správné výživě a dostatečném příjmu nízkotučných mléčných výrobků a vitamínu D nedochází k jeho nedostatku. Dlouhodobý nedostatek vápníku a/nebo vitamínu D ve stravě vede ke zvýšenému riziku osteoporózy a způsobuje křivici v kojeneckém věku .
Nadměrné dávky vápníku a vitamínu D mohou způsobit hyperkalcémii . Maximální bezpečná dávka pro dospělé ve věku 19 až 50 let včetně je 2500 mg denně [27] (asi 340 g sýra Eidam [28] ).
Obsah vápníku ve výrobcích je stanoven na základě průměrné porce pro každý typ potravinářského výrobku. Kromě samotného obsahu vápníku je důležitá i jeho biologická dostupnost . Obecně platí, že živočišná strava obsahuje více vápníku než rostlinná. Největší množství vápníku obsahují mléčné výrobky ( vstřebává se z nich ale jen 27–30 % vápníku), rybí konzervy (kvůli jedlým kostem), ořechy a semena (biologická dostupnost vápníku je v průměru 20 % ), luštěniny ( fazole , cizrna , čočka , mungo fazole ). , hrách , sójové boby , eidam , které navíc obsahují látky, které brání vstřebávání vápníku, a pro zvýšení jeho biologické dostupnosti je lepší je tepelně upravit), některé druhy zeleniny ( řeřicha , bok choy , salát , brokolice ), některé ovoce a bobule [29] :
Produkt | Standardní porce | Obsah vápníku, mg | Podíl denního příjmu vápníku, % |
---|---|---|---|
nízkotučný jogurt bez přísad | 227 g (8 hmotnostních uncí ) | 415 | 32 |
pomerančový džus obohacený vápníkem | 200 ml (1 šálek) | 349 | 27 |
nízkotučný ovocný jogurt | 227 g | 344 | 27 |
sýr mozzarella | 42,5 g (1,5 oz) | 333 | 26 |
konzervované sardinky od kosti | 85 g (3 oz) | 325 | 25 |
odstředěné mléko a sójové mléko | 200 ml | 299 | 23 |
sójové mléko obohacené vápníkem | 200 ml | 299 | 23 |
plnotučné mléko 3,25 % tuku | 200 ml | 276 | 21 |
tvrdé tofu vařené v roztoku síranu vápenatého | 100 ml | 253 | 19 |
růžový konzervovaný losos s kostí | 85 g | 181 | čtrnáct |
tvaroh s obsahem tuku 1% | 200 ml | 138 | jedenáct |
měkké tofu vařené v roztoku síranu vápenatého | 100 ml | 138 | jedenáct |
vařené sójové boby | 100 ml | 131 | deset |
vařený špenát | 100 ml | 123 | 9 |
měkký mražený jogurt (vanilka) | 100 ml | 103 | osm |
vařený čerstvý zelený tuřín | 100 ml | 99 | osm |
čerstvé zelí po uvaření | 200 ml | 94 | 7 |
Chia semínka | 1 polévková lžíce | 76 | 6 |
čerstvé čínské zelí bok choy (nakrájené) | 100 ml | 74 | 6 |
konzervované fazole (bez tekutiny) | 100 ml | 54 | čtyři |
kukuřičná tortilla o průměru 15 cm | 46 | čtyři | |
nízkotučná zakysaná smetana | 2 polévkové lžíce | 31 | 2 |
celozrnný chléb | 1 plátek | třicet | 2 |
syrové nakrájené zelí | 200 ml | 24 | 2 |
syrová brokolice | 100 ml | 21 | 2 |
zlaté jablko | středně velké ovoce | deset | 0 |
Obsah vápníku v mléce silně závisí na jeho obsahu tuku – v tučném mléce je koncentrace vápníku nižší [30] .
Slovníky a encyklopedie |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Periodický systém chemických prvků D. I. Mendělejeva | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Řady elektrochemické aktivity kovů | |
---|---|
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , |