Vápník (Ca)

Vápník a voda: reakční mechanismy, vliv na životní prostředí a účinky na zdraví

Vápník se přirozeně vyskytuje ve vodě. Mořská voda obsahuje přibližně 400 mg/l vápníku. Jedním z hlavních důvodů hojnosti vápníku ve vodě je jeho přirozený výskyt v zemské kůře. Vápník je také součástí korálů. Řeky obecně obsahují 1-2 mg/l vápníku, ale v vápenatých oblastech mohou řeky obsahovat až 100 mg/l vápníku.
Příklady koncentrací vápníku ve vodních organismech: mořské řasy luctuca 800-6500 mg/kg (vlhká hmota), ústřice přibližně 1500 mg/kg (suchá hmotnost).
Ve vodném roztoku je vápník přítomen hlavně jako Ca2 + (aq), ale může se také vyskytovat jako CaOH + (aq) nebo Ca (OH) 2 (aq), nebo jako CaSO4 v mořské vodě.
Vápník dává vodě lepší chuť a funguje jako stabilizátor pH.

Jakým způsobem a v jaké formě reaguje vápník s vodou?

Na rozdíl od hořčíku umístěného v periodické tabulce přímo nad vápníkem, elementární vápník reaguje s vodou při pokojové teplotě podle následujícího reakčního mechanismu:

Ca (s) + 2H20 (g) -> Ca (OH) 2 (aq) + H2 (g)

Tato reakce vytváří hydroxid vápenatý, který se rozpouští ve vodě jako soda a plynný vodík.

Dalšími důležitými mechanismy reakce vápníku jsou erozní reakce. K tomu obvykle dochází, když je přítomen oxid uhličitý. Za normálních podmínek je uhličitan vápenatý nerozpustný ve vodě. Když je přítomen oxid uhličitý, vzniká kyselina uhličitá, která ovlivňuje sloučeniny vápníku.

Reakční mechanismus pro zvětrávání uhlíku je:

H20 + CO2 -> H2CO3 a CaCO3 + H2CO3 -> Ca (HCO3) 2

A mechanismus celkové reakce:

CaCO3 (s) + CO2 (g) + 2H20 (l) -> Ca2 + (aq) + 2 HCO3- (aq)

Produktem je hydrogenuhličitan vápenatý.

Rozpustnost vápníku a sloučenin vápníku

Elementární vápník reaguje s vodou. Sloučeniny vápníku jsou více či méně rozpustné ve vodě. Uhličitan vápenatý má rozpustnost 14 mg/l (5ti násobek v přítomnosti oxidu uhličitého). Rozpustnost fosforečnanu vápenatého je 20 mg/l a fluoridu vápenatého 16 mg/l. Rozpustnost chromanu vápenatého je 170 g/l při 0 °C a rozpustnost chlorečnanu vápenatého 218 g/l. Rozpustnost jiných sloučenin vápníku leží mezi úrovněmi těchto příkladů, například arsenát vápenatý 140 mg/l, hydroxid vápenatý 1,3 g/l a síran vápenatý 2,7-8,8 g/l.

Proč je vápník přítomen ve vodě?

Vápník je přirozeně přítomen ve vodě. Může se rozpouštět z hornin, jako je vápenec, mramor, kalcit, dolomit, sádra, fluorit a apatit. Vápník je určujícím faktorem tvrdosti vody, protože se nachází ve vodě jako ionty Ca2 +. Dalším faktorem tvrdosti je hořčík.
Vápník je přítomen v různých stavebních materiálech, jako je cement a beton. Je přítomen v bateriích a aplikuje se do sádry jako síran vápenatý. Další příklady použití vápníku jsou chlorid vápenatý jako bělidlo a pro dezinfekci, fosforečnan vápenatý ve sklářském a porcelánovém průmyslu, polysulfid vápenatý a hydroxidy jako flokulanty při čištění odpadních vod a jako surovina pro výrobu tekutých kyselin. Vápník může být také použit pro odstraňování uhlíku a síry ze slitin železa. Vápenec je použit při výrobě papíru, což způsobuje, že je papír bělejší, například v plastech zlepšuje stabilitu.
Vápník často pozitivně ovlivňuje kvalitu půdy a různé sloučeniny se používají jako hnojivo. Například roztoky CaCl2 nebo Ca (NO) 3 se aplikují v zahradnictví.

Jaké jsou environmentální účinky vápníku ve vodě?

Vápník je základní minerál pro všechny organismy kromě některých hmyzů a bakterií. Uhličitan vápenatý je stavebním kamenem koster většiny mořských organismů a očních čoček. Fosforečnan vápenatý je nezbytný pro stavbu kostí a strukturu zubů pozemských organismů. Rostliny obsahují převážně šťavelan vápenatý. Množství vápníku v rostlinách je asi 1% suché hmotnosti.
Vápník je z velké části zodpovědný za tvrdost vody a může negativně ovlivnit toxicitu jiných sloučenin. Prvky, jako je měď, olovo a zinek, jsou v měkké vodě mnohem toxičtější.
Ve vápenatých půdách může vápník imobilizovat železo. To může způsobit nedostatek železa, i když je v půdě železa dostatek.
Tvrdost vody ovlivňuje vodní organismy týkající se toxicity kovů. V měkčí vodě se zvyšuje propustnost v žábrách. Tvrdá voda lépe chrání ryby před přímým příjmem kovů. Hodnoty pH 4,5-4,9 mohou poškodit lososová vejce a dospělé lososy, pokud je obsah vápníku, sodíku a chloru nízký.
Různé sloučeniny vápníku mohou být toxické. Karbid vápenatý tvoří hořlavý ethyn, když přichází do styku s vodou, a je proto považován za nebezpečný.
Některé vlivy tvrdosti vody na životní prostředí zahrnují kalcifikaci domácích zařízení, protože vysoké teploty způsobují uhličitanovou tvrdost. To může výrazně snížit životnost zařízení a způsobit zvýšení domácího odpadu. Uhličitan vápenatý reaguje s detergenty a čistícími prostředky. Komplexní tvorba způsobuje snížení účinnosti detergentu, což má za následek požadavek na zvýšenou aplikaci detergentu a nákup změkčovadel.
Změkčování se často provádí pomocí iontoměničů. Ty musí být regenerovány s kuchyňskou solí, a proto zatěžují odpadní vodu.
Existuje šest stabilních izotopů vápníku. Dnes známe osm nestabilních izotopů vápníku. 45Ca je vysoce radioaktivní a toxický.

Jaké jsou zdravotní účinky vápníku ve vodě?

Vápník je důležitý minerál, který je v lidském těle přítomen v množství přibližně 1,2 kg. Žádný jiný prvek se nevyskytuje v těle hojněji. Fosforečnan vápenatý je podpůrnou látkou a spolu s vitaminem D způsobuje růst kostí a zubů. Vápník je také přítomen ve svalové tkáni a v krvi. Je nezbytný pro vývoj buněčné membrány a buněčné dělení a je částečně zodpovědný za svalové kontrakce a srážení krve. Vápník reguluje membránovou aktivitu, napomáhá přenosu nervových impulsů a uvolňování hormonů, stabilizuje pH těla a je nezbytnou součástí početí. Pro stimulaci těchto tělesných funkcí je pro dospělé doporučován denní příjem přibližně 1000 mg vápníku. Toho lze dosáhnout konzumací mléčných výrobků, obilnin a zelené zeleniny.
Uhličitan vápenatý napravuje žaludeční kyselost a může být použit k vyřešení poruchy trávení. Kalciumlaktát může pomáhat tělu během období nedostatku vápníku.
Tvrdá voda může posílit kosti a zuby z důvodu vysoké koncentrace vápníku. Může také snížit riziko srdečních onemocnění. Tvrdost pitné vody musí být vyšší než 8,4 odH. Uhličitan vápenatý má pozitivní vliv na olověné vodovodní potrubí, protože tvoří ochranný povlak olovnatý uhličitan. Tím se zabraňuje rozpouštění olova v pitné vodě a brání tak jeho vstupu do lidského těla.
Příjem velkého množství vápníku, může negativně ovlivnit lidské zdraví. Letální dávka perorálního příjmu je asi 5-50 mg/kg tělesné hmotnosti.

Jaké technologie čištění vody lze použít k odstranění vápníku z vody?

Odstranění vápenatých a hořečnatých iontů z vody se provádí změkčovadly vody. Jedná se o iontoměniče, které obvykle obsahují ionty Na +, které se uvolňují a nahrazují ionty Ca2 + a Mg2 +.
Pro čištění odpadních vod mohou být použity sloučeniny vápníku. PH a tvrdost pitné vody mohou být změněny uhličitanem vápenatým a hydroxidem vápenatým.