Vápník- prvek 4. periody a PA-skupina periodického systému, pořadové číslo 20. Elektronická formule atom [ 18 Ar] 4s 2, oxidační stavy +2 a 0. Týká se kovů alkalických zemin. Má nízkou elektronegativitu (1,04), vykazuje kovové (základní) vlastnosti. Tvoří (jako kationt) četné soli a binární sloučeniny. Mnoho vápenatých solí je ve vodě málo rozpustných. V přírodě - šestý z hlediska chemického zastoupení je prvek (třetí mezi kovy) ve vázané formě. Životně důležitý prvek pro všechny organismy Nedostatek vápníku v půdě je doplněn aplikací vápenných hnojiv (CaCO 3 , CaO, kyanamid vápenatý CaCN 2 atd.). Vápník, kationt vápníku a jeho sloučeniny barví plamen plynového hořáku do tmavě oranžové barvy ( kvalitativní detekce).

Vápník Ca

Stříbrno-bílý kov, měkký, tažný. Ve vlhkém vzduchu se zakalí a pokryje se filmem CaO a Ca(OH) 2. Velmi reaktivní; při zahřátí na vzduchu se vznítí, reaguje s vodíkem, chlorem, sírou a grafitem:

Redukuje ostatní kovy z jejich oxidů (průmyslově důležitá metoda je kalciumthermy):

Účtenka vápníku v průmysl:

Vápník se používá k odstranění nekovových nečistot ze slitin kovů, jako složka lehkých a antifrikčních slitin, k izolaci vzácných kovů od jejich oxidů.

Oxid vápenatý CaO

zásaditý oxid. Technický název je nehašené vápno. Bílá, vysoce hygroskopická. Má iontovou strukturu Ca 2+ O 2-. Žáruvzdorný, tepelně stabilní, těkavý při zapálení. Absorbuje vlhkost a oxid uhličitý ze vzduchu. Intenzivně reaguje s vodou (vysoká exo- efekt), tvoří silně alkalický roztok (je možné srážení hydroxidů), proces se nazývá hašení vápna. Reaguje s kyselinami, oxidy kovů a nekovů. Používá se pro syntézu dalších sloučenin vápníku, při výrobě Ca(OH) 2, CaC 2 a minerálních hnojiv, jako tavidlo v metalurgii, katalyzátor v organické syntéze, složka pojiv ve stavebnictví.

Rovnice nejdůležitějších reakcí:

Účtenka CaO v průmyslu– vápencové pražení (900-1200 °С):

CaC03 = CaO + CO2

Hydroxid vápenatý Ca(OH) 2

zásaditý hydroxid. Odborný název je hašené vápno. Bílá, hygroskopická. Má iontovou strukturu Ca 2+ (OH -) 2. Při mírném žáru se rozkládá. Absorbuje vlhkost a oxid uhličitý ze vzduchu. Málo rozpustný ve studené vodě (vzniká zásaditý roztok), ještě méně ve vroucí vodě. Čirý roztok (vápenná voda) se rychle zakalí v důsledku srážení hydroxidu (suspenze se nazývá vápenné mléko). Kvalitativní reakcí na Ca 2+ iont je průchod oxidu uhličitého vápennou vodou s výskytem sraženiny CaCO 3 a jeho přechodem do roztoku. Reaguje s kyselinami a oxidy kyselin, vstupuje do iontoměničových reakcí. Používá se při výrobě skla, vápna, vápenných minerálních hnojiv, pro kaustifikaci a změkčování sody. čerstvou vodu, dále k přípravě vápenných malt - těstovitých směsí (písek + hašené vápno + voda), sloužících jako pojivo pro zdivo a cihelné zdivo, dokončovací (omítání) stěn a další stavební účely. Ztvrdnutí („zabavení“) takových roztoků je způsobeno absorpcí oxidu uhličitého ze vzduchu.

vápník - chemický prvek Skupina II s atomovým číslem 20 v periodické soustavě, označovaná symbolem Ca (lat. Calcium). Vápník je měkký, stříbřitě šedý kov alkalických zemin.

20 prvek periodické tabulky Název prvku pochází z lat. calx (in genitivní pád calcis) - "vápno", "měkký kámen". Navrhl to anglický chemik Humphry Davy, který v roce 1808 izoloval kovový vápník.
Sloučeniny vápníku - vápenec, mramor, sádrovec (stejně jako vápno - produkt pálení vápence) se ve stavebnictví používají již před několika tisíciletími.
Vápník je jedním z nejrozšířenějších prvků na Zemi. Sloučeniny vápníku se nacházejí téměř ve všech živočišných a rostlinných tkáních. Tvoří 3,38 % hmotnosti zemské kůry (5. místo v hojnosti po kyslíku, křemíku, hliníku a železe).

Hledání vápníku v přírodě

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 mořská voda- 400 mg/l.

izotopy

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. Izotopy
40
20
Ca20 a
48
20
Ca28 jsou dvě z pěti jader s dvojitým magickým číslem nalezených 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 rozpadu 1,6 1017 let.

V horninách a minerálech

Nejvíce vápníku je obsaženo ve složení silikátů a hlinitokřemičitanů různých hornin (žuly, ruly aj.), zejména v živcích - anortitu Ca.
Ve formě sedimentárních hornin jsou sloučeniny vápníku zastoupeny křídou a vápencem, tvořeným převážně minerálem kalcitem (CaCO3). Krystalická forma kalcitu, mramoru, je v přírodě mnohem méně běžná.
Poměrně rozšířené jsou vápenaté minerály jako kalcit CaCO3, anhydrit CaSO4, alabastr CaSO4 0,5H2O a sádrovec CaSO4 2H2O, fluorit CaF2, apatity Ca5(PO4)3(F,Cl,OH), dolomit MgCO3 CaCO3. Přítomnost vápenatých a hořečnatých solí v přírodní vodě určuje její tvrdost.
Vápník, který prudce migruje do zemská kůra a hromadí se v různých geochemických systémech, tvoří 385 minerálů (čtvrté místo co do počtu minerálů).

Biologická role vápníku

Vápník je běžnou makroživinou rostlin, zvířat a lidí. U lidí a dalších obratlovců je ho nejvíce v kostře a zubech. Vápník se nachází v kostech ve formě hydroxyapatitu. Z různé formy uhličitan vápenatý (vápno) se skládá z „koster“ většiny skupin bezobratlých (houby, korálové polypy, měkkýši atd.). 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 (obsaženo v přibližně 790 ml mléka s obsahem tuku 1 %) a pro děti ve věku 9 až 18 let včetně 1300 mg denně (obsaženo v přibližně 1030 ml mléka s obsahem tuku 1 %). V dospívání je dostatečný příjem vápníku velmi důležitý vzhledem k intenzivnímu růstu kostry. Podle výzkumu v USA však svých potřeb dosahuje pouze 11 % dívek a 31 % chlapců ve věku 12-19 let. Ve vyvážené stravě se většina vápníku (asi 80 %) dostává do organismu dítěte s mléčnými výrobky. Zbývající vápník pochází z obilovin (včetně celozrnného chleba a pohanky), luštěnin, pomerančů, zeleniny, ořechů. Mléčné výrobky na bázi mléčného tuku (máslo, smetana, zakysaná smetana, smetanová zmrzlina) neobsahují prakticky žádný vápník. Čím více mléčného tuku je v mléčném výrobku, tím méně vápníku obsahuje. Vstřebávání vápníku ve střevě probíhá dvěma způsoby: transcelulární (transcelulární) a intercelulární (paracelulární). 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).

Vstřebávání vápníku brání některé živočišné tuky (včetně tuku z kravského mléka a hovězího tuku, nikoli však sádlo) a palmový olej. Kyselina palmitová a stearová obsažená v takových tucích mastné kyseliny se při trávení ve střevě odštěpují a ve volné formě pevně vážou vápník, tvoří palmitát vápenatý a stearát vápenatý (nerozpustná mýdla). V podobě tohoto mýdla se židlí se ztrácí vápník i tuk. Tento mechanismus je zodpovědný za sníženou absorpci vápníku, sníženou mineralizaci kostí a sníženou nepřímou míru síly kostí u kojenců s kojeneckou výživou na bázi palmového oleje (palmový olein). U těchto dětí je tvorba kalciových mýdel ve střevech spojena s tuhnutím stolice, snížením její frekvence a také častějšími regurgitacemi a kolikami.

Koncentrace vápníku v krvi, vzhledem k jeho významu pro velký početživotně důležité procesy jsou přesně regulovány a při správné výživě a dostatečném příjmu nízkotučných mléčných výrobků a vitaminu D nedochází k 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 (asi 340 g sýra Eidam).

Tepelná vodivost
Sloučeniny vápníku.

CaO- oxid vápenatý nebo nehašené vápno, získává se rozkladem vápence: CaCO 3 \u003d CaO + CO 2 je oxid kov alkalických zemin, takže aktivně interaguje s vodou: CaO + H 2 O \u003d Ca (OH) 2

Ca(OH) 2 - hydroxid vápenatý nebo hašené vápno, takže reakce CaO + H 2 O \u003d Ca (OH) 2 se nazývá hašení vápna. Pokud se roztok filtruje, získá se vápenná voda - jedná se o alkalický roztok, takže mění barvu fenolftaleinu na karmínovou.

Hydratované vápno je široce používáno ve stavebnictví. Jeho směs s pískem a vodou je dobrým pojivem. Působením oxidu uhličitého směs ztvrdne Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO3 + H 2 O.

Současně se část písku a směsi změní na křemičitan Ca (OH) 2 + SiO 2 \u003d CaSiO 3 + H 2 O.

Rovnice Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO 2 + H 2 O a CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2 hrají důležitou roli v přírodě a při utváření vzhledu naší planety. Oxid uhličitý v podobě sochaře a architekta vytváří podzemní paláce ve vrstvách karbonátových hornin. Je schopen přesunout stovky a tisíce tun vápence pod zem. Prasklinami ve skalách se voda obsahující v ní rozpuštěný oxid uhličitý dostává do vápencové tloušťky a vytváří dutiny - kastrové jeskyně. Hydrogenuhličitan vápenatý existuje pouze v roztoku. Podzemní voda se pohybuje v zemské kůře a odpařuje vodu za vhodných podmínek: Ca (HCO3) 2 \u003d CaCO3 + H 2 O + CO 2 , tak vznikají stalaktity a stalagmity, jejichž schéma vzniku navrhl slavný geochemik A.E. Fersman. Na Krymu je spousta kastrových jeskyní. Studuje je věda speleologie.

Používá se ve stavebnictví uhličitan vápenatý CaCO3- to je křída, vápenec, mramor. Všichni jste viděli naše nádraží: je obloženo bílým mramorem přivezeným ze zahraničí.

Zkušenosti: profoukněte trubicí do roztoku vápenné vody, zakalí se .

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O

Ke vzniklé sraženině přidá kyselinu octovou, pozoruje se šumění. se uvolňuje oxid uhličitý.

CaCO 3 +2CH 3 COOH \u003d Ca (CH 3 TAKÉ) 2 +H 2 O + CO 2

POHÁDKA O BRATŘÍCH UHLÍKATÝCH.

Na Zemi žijí tři bratři
Z rodiny Carbonate.
Starší bratr je hezký MRAMOR,
Slavný ve jménu Karara,
Vynikající architekt. On
Postavil Řím a Parthenon.
Každý zná VÁPENEC,
Proto se to tak jmenuje.
Proslulý svou prací
Stavba domu za domem.
Jak schopný, tak schopný
Mladší měkký bratr MEL.
Jak kreslit, dívat se
Tento CaCO 3!
Bratři rádi dovádějí
Vypálit v horké troubě
Poté se tvoří CaO a C02.
Je to oxid uhličitý
Každý z vás ho zná,
Vydýcháme to.
No, tohle je Sao -
Horké pálené nehašené vápno.
Přidejte k tomu vodu
Důkladně promíchejte
Aby nedošlo k potížím
Chráníme si ruce
Cool míchaná LIMEKA, ale HAZENÁ!
limetkové mléko
Stěny se snadno vybílí.
Světlý dům rozveselil
Přeměna vápna na křídu.
Hokus pokus pro lidi:
Člověk musí jen profouknout vodou,
Jak je to snadné
Proměněno v mléko!
Teď je to docela chytré.
Dostávám sodu
Mléko plus ocet. Ano!
Pěna teče přes okraj!
Všechno ve starostech, všechno v práci
Od úsvitu do úsvitu -
Tito bratři karbonátky,
Tyto CaCO 3!

Opakování: CaO– oxid vápenatý, nehašené vápno;
Ca(OH) 2 - hydroxid vápenatý (hašené vápno, vápenná voda, vápenné mléko, v závislosti na koncentraci roztoku).
Generál je stejný chemický vzorec Ca(OH)2. Rozdíl: vápenná voda je průhledný nasycený roztok Ca (OH) 2 a vápenné mléko je bílá suspenze Ca (OH) 2 ve vodě.
CaCl 2 - chlorid vápenatý, chlorid vápenatý;
CaCO 3 - uhličitan vápenatý, křída, mramor z lastur, vápenec.
L/R: kolekce. Dále předvedeme sbírku minerálů dostupných ve školní laboratoři: vápenec, křída, mramor, lastura.
CaS0 4 ∙ 2h 2 0 - hydratovaný síran vápenatý, sádra;
CaCO 3 - kalcit, uhličitan vápenatý je součástí mnoha minerálů, které pokrývají 30 milionů km 2 na zemi.

Nejdůležitější z těchto minerálů je vápenec. Skořápkové horniny, vápence organického původu. Jde do výroby cementu, karbidu vápníku, sody, všech druhů vápna, v metalurgii. Vápenec je páteří stavebnictví a vyrábí se z něj mnoho stavebních materiálů.

Křída není to jen zubní prášek a školní křída. Je také cennou přísadou při výrobě papíru (natíraného - nejvyšší kvalita) a pryž; při výstavbě a opravách budov - jako vápno.

Mramor je hustá krystalická hornina. Existuje barva - bílá, ale nejčastěji ji různé nečistoty barví do různých barev. Čistě bílý mramor je vzácný a využívají ho především sochaři (sochy Michelangelo, Rodin. Ve stavebnictví se barevný mramor používá jako obkladový materiál (moskevské metro) nebo i jako hlavní stavební materiál paláců (Taj Mahal).

Ve světě zajímavého "MAUSOLEA" Taj Mahal ""

Shah Jahan z dynastie Mughal držel ve strachu a poslušnosti téměř celou Asii. V roce 1629 zemřela Mumzat Mahal, milovaná manželka Shah Jahana, ve věku 39 let při porodu na kampani (bylo to jejich 14. dítě, všichni chlapci). Byla neobyčejně krásná, bystrá, inteligentní, císař ji ve všem poslechl. Před svou smrtí požádala manžela, aby postavil hrobku, postaral se o děti a neoženil se. Zarmoucený král vyslal své posly ke všem velká města, hlavních městech sousedních států - do Buchary, Samarkandu, Bagdádu, Damašku, aby našel a pozval ty nejlepší řemeslníky - na památku své manželky se král rozhodl postavit tu nejlepší stavbu na světě. Ve stejnou dobu poslové poslali do Agra (Indie) plány všech nejlepších budov v Asii a nejlepších stavebních materiálů. Z Ruska a Uralu dokonce přivezli malachit. Hlavní zedníci pocházeli z Dillí a Kandaháru; architekti - z Istanbulu, Samarkand; dekoratéři - z Buchary; zahradníci z Bengálska; umělci jsou z Damašku a Bagdádu a vedl známý mistr Ustad-Isa.

Společně během 25 let byla postavena melomramorová stavba obklopená zelenými zahradami, modrými fontánami a mešitou z červeného pískovce. Tento zázrak 75 m (s 25patrovou budovou) postavilo 20 000 otroků. Nedaleko chtěl pro sebe postavit druhé mauzoleum z černého mramoru, ale neměl čas. Byl svržen z trůnu vlastním synem (2. a zabil i všechny své bratry).

Vládce a vládce Agry strávil poslední roky svého života pohledem z úzkého okna svého žaláře. 7 let, takže otec jeho výtvor obdivoval. Když jeho otec oslepl, jeho syn mu vyrobil systém zrcadel, aby jeho otec mohl obdivovat mauzoleum. Byl pohřben v Tádž Mahalu vedle své Mumtaz.

Ti, kteří vstupují do mauzolea, vidí kenotafy - falešné hrobky. Místa věčného odpočinku velkého chána a jeho manželky se nacházejí níže, v suterénu. Vše je tam poseto drahými kameny, které září jako živé, a větve pohádkových stromů, propletené květinami, zdobí stěny hrobky složitými vzory. Tyrkysově modrý lapis lazuli, zeleno-černé nefrity a červené ametysty zpracované těmi nejlepšími řezbáři opěvují lásku Shah Jahal a Mumzat Mahal.

Každý den spěchají do Agry turisté, kteří chtějí vidět pravdu div světa - mauzoleum Taj Mahal, jako by se vznášel nad zemí.

CaCO 3 - Tento konstrukční materiál vnější kostra měkkýšů, korálů, lastur atd., vaječné skořápky. (ilustrace popř Zvířata korálové biocenózy“ a ukázka sbírky mořských korálů, hub, mušlí).

V dávných dobách lidé používali sloučeniny vápníku pro stavbu. V podstatě se jednalo o uhličitan vápenatý, který byl v horninách, nebo produkt jeho pálení – vápno. Byl použit i mramor a sádra. Dříve se vědci domnívali, že vápno, což je oxid vápenatý, je jednoduchá látka. Tato mylná představa existovala až do konce 18. století, dokud Antoine Lavoisier nevyslovil své domněnky o této látce.

Těžba vápna

V začátek XIX století objevil anglický vědec Humphrey Davy pomocí elektrolýzy vápník v čisté formě. Navíc dostal amalgám vápníku z hašeného vápna a oxidu rtuťnatého. Poté, po destilaci rtuti, získal kovový vápník.

Reakce vápníku s vodou je prudká, ale není doprovázena vznícení. Díky vydatnému uvolňování vodíku se deska s vápníkem bude pohybovat vodou. Vzniká také látka – hydroxid vápenatý. Pokud se do kapaliny přidá fenolftalein, změní se na jasně karmínovou - proto je Ca(OH)₂ zásada.

Ca + 2H20 -> Ca(OH)233 + H2

Reakce vápníku s kyslíkem

Reakce Ca a O₂ je velmi zajímavá, ale experiment nelze provádět doma, protože je velmi nebezpečný.

Zvažte reakci vápníku s kyslíkem, konkrétně spalování této látky ve vzduchu.

Pozornost! Nesnažte se sami opakovat tuto zkušenost! najdete bezpečné chemické experimenty, které můžete dělat doma.

Jako zdroj kyslíku vezměme dusičnan draselný KNO₃. Pokud byl vápník uložen v petrolejové kapalině, musí být před experimentem vyčištěn hořákem a držen nad plamenem. Dále se vápník ponoří do prášku KNO₃. Poté se musí do plamene hořáku umístit vápník s dusičnanem draselným. Dusičnan draselný se rozkládá na dusitan draselný a kyslík. Uvolněný kyslík zapálí vápník a plamen zčervená.

KNO₃ → KNO₂ + O₂

2Ca + O₂ → 2CaO

Stojí za zmínku, že vápník reaguje s některými prvky pouze při zahřívání, mezi ně patří: síra, bór, dusík a další.

Úvod

Vlastnosti a použití vápníku

1 Fyzikální vlastnosti

2 Chemické vlastnosti

3 Aplikace

Získávání vápníku

1 Elektrolytická výroba vápníku a jeho slitin

2 Tepelná příprava

3 Vakuově-tepelná metoda získávání vápníku

3.1 Aluminotermická metoda redukce vápníku

3.2 Silikotermická metoda redukce vápníku

Praktická část

Bibliografie

Úvod

Chemický prvek skupiny II periodický systém Mendělejev, atomové číslo 20, atomová hmotnost 40,08; stříbrno-bílý lehký kov. Přírodní prvek je směsí šesti stabilních izotopů: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca a 48Ca, z nichž 40 je nejčastější Ca (96,97 %).

Sloučeniny Ca - vápenec, mramor, sádra (stejně jako vápno - produkt pálení vápence) se ve stavebnictví používají od pradávna. Do konce 18. století považovali chemici vápno za jednoduchou látku. V roce 1789 A. Lavoisier navrhl, že vápno, hořčík, baryt, oxid hlinitý a oxid křemičitý jsou složité látky. V roce 1808 připravil G. Davy elektrolýzou rtuťovou katodou směs vlhkého hašeného vápna s oxidem rtuťnatým a připravil amalgám Ca a po vytlačení rtuti z něj získal kov zvaný „Vápník“ (z latiny calx, rod case calcis – vápno).

Schopnost vápníku vázat kyslík a dusík umožnila jeho využití pro čištění inertních plynů a jako getr (Geter je látka, která slouží k pohlcování plynů a vytváření hlubokého vakua v elektronických zařízeních.) ve vakuových rádiových zařízeních.

Vápník se také používá v metalurgii mědi, niklu, speciálních ocelí a bronzů; jsou spojeny se škodlivými nečistotami síry, fosforu, přebytečného uhlíku. Pro stejné účely se používají slitiny vápníku s křemíkem, lithiem, sodíkem, borem a hliníkem.

V průmyslu se vápník získává dvěma způsoby:

) Zahříváním briketované směsi CaO a Al prášku na 1200 °C ve vakuu 0,01 - 0,02 mm. rt. Umění.; uvolněný reakcí:

CaO + 2Al = 3CaO Al2O3 + 3Ca

Na studeném povrchu kondenzují páry vápníku.

) Elektrolýzou taveniny CaCl2 a KCl kapalnou měď-vápenatou katodou se připraví slitina Cu - Ca (65 % Ca), ze které se při teplotě 950 - 1000 °C ve vakuu 0,1 - 0,001 mm Hg oddestiluje vápník.

) Byl také vyvinut způsob získávání vápníku tepelnou disociací karbidu vápníku CaC2.

Vápník je v přírodě velmi rozšířený ve formě různých sloučenin. V zemské kůře zaujímá páté místo s podílem 3,25 % a nejčastěji se vyskytuje ve formě vápence CaCO 3, dolomit CaCO 3MgCO 3, sádrovec CaSO 42H 2O, fosforit Ca 3(PO 4)2 a kazivec CaF 2, nepočítaje významný podíl vápníku ve složení silikátových hornin. Mořská voda obsahuje v průměru 0,04 % (hm.) vápníku.

V tomhle seminární práce jsou studovány vlastnosti a aplikace vápníku, dále je podrobně zvažována teorie a technologie vakuově-tepelných metod jeho výroby.

. Vlastnosti a použití vápníku

.1 Fyzikální vlastnosti

Vápník je stříbřitě bílý kov, který však na vzduchu bledne v důsledku tvorby oxidu na jeho povrchu. Je to tažný kov tvrdší než olovo. Krystalová buňka ?-forma Ca (stabilní při běžné teplotě) plošně centrovaný krychlový, a = 5,56 Å . Atomový poloměr 1,97 Å , iontový poloměr Ca 2+, 1,04Å . Hustota 1,54 g/cm 3(20 °C). Nad 464 °C stabilní šestiúhelníkový ?-formulář. teplota tání 851 °C, t.t. 1482 °C; teplotní koeficient lineární roztažnosti 22 10 -6 (0-300 °C); tepelná vodivost při 20 °C 125,6 W/(m K) nebo 0,3 cal/(cm s °C); měrná tepelná kapacita (0-100 °C) 623,9 j/(kg K) nebo 0,149 cal/(g °C); elektrický odpor při 20 °C 4,6 10 -8ohm m nebo 4,6 10 -6 ohm cm; teplotní koeficient elektrického odporu 4,57 10-3 (20 °C). Modul pružnosti 26 Gn/m 2(2600 kgf/mm 2); pevnost v tahu 60 MN/m 2(6 kgf/mm 2); mez pružnosti 4 MN/m 2(0,4 kgf/mm 2), mez kluzu 38 MN/m 2(3,8 kgf/mm 2); tažnost 50 %; Tvrdost podle Brinella 200-300 MN/m 2(20-30 kgf/mm 2). Vápník dostatečně vysoké čistoty je plastický, dobře lisovaný, válcovaný a obrobitelný.

1.2 Chemické vlastnosti

Vápník je aktivní kov. Takže v normální podmínky snadno interaguje se vzdušným kyslíkem a halogeny:

Ca + O 2= 2 CaO (oxid vápenatý) (1)

Ca + Br 2= CaBr 2(bromid vápenatý). (2)

S vodíkem, dusíkem, sírou, fosforem, uhlíkem a dalšími nekovy reaguje vápník při zahřívání:

Ca + H 2= CaH 2(hydrid vápenatý) (3)

Ca + N 2= Ca 3N 2(nitrid vápenatý) (4)

Ca + S = CaS (sulfid vápenatý) (5)

Ca + 2 P \u003d Ca 3R 2(fosfid vápenatý) (6)

Ca + 2 C \u003d CaC 2 (karbid vápníku) (7)

Vápník reaguje pomalu se studenou vodou a velmi energicky s horkou vodou, čímž vzniká silná báze Ca (OH) 2 :

Ca + 2H 2O \u003d Ca (OH) 2 + H 2 (8)

Jako energetické redukční činidlo může vápník odebírat kyslík nebo halogeny z oxidů a halogenidů méně aktivních kovů, tj. obnovující vlastnosti:

Ca + Nb 2O5 = CaO + 2 Nb; (9)

Ca + 2 NbCl 5= 5 CaCl2 + 2 Nb (10)

Vápník prudce reaguje s kyselinami za uvolňování vodíku, reaguje s halogeny, se suchým vodíkem za vzniku hydridu CaH 2. Při zahřívání vápníku s grafitem vzniká karbid CaC 2. Vápník se získává elektrolýzou roztaveného CaCl 2nebo aluminotermická redukce vakua:

6СаО + 2Al = 3Ca + 3CaO Al2 O 3 (11)

Čistý kov se používá k redukci sloučenin Cs, Rb, Cr, V, Zr, Th, U na kovy, pro dezoxidaci oceli.

1.3 Aplikace

Vápník nachází stále větší využití v různá průmyslová odvětví Výroba. Nedávno získal velká důležitost jako redukční činidlo při výrobě řady kovů.

Čistý kov. Uran se získává redukcí fluoridu uranu kovovým vápníkem. Oxidy titanu, stejně jako oxidy zirkonia, thoria, tantalu, niobu a dalších vzácných kovů lze redukovat vápníkem nebo jeho hydridy.

Vápník je dobrým odkysličovadlem a odplyňovačem při výrobě mědi, niklu, chromniklových slitin, speciálních ocelí, niklových a cínových bronzů; odstraňuje síru, fosfor, uhlík z kovů a slitin.

Vápník tvoří s bismutem žáruvzdorné sloučeniny, proto se používá k čištění olova z bismutu.

Vápník se přidává do různých lehkých slitin. Přispívá ke zlepšení povrchu ingotů, jemnosti a snížení oxidovatelnosti.

Ložiskové slitiny obsahující vápník jsou široce používány. Slitiny olova (0,04 % Ca) lze použít k výrobě kabelových plášťů.

Antifrikční slitiny vápníku s olovem se používají ve strojírenství. Minerály vápníku jsou široce používány. Vápenec se tedy používá při výrobě vápna, cementu, silikátových cihel a přímo jako stavební materiál, v metalurgii (tavidlo), v chemickém průmyslu na výrobu karbidu vápníku, sody, louhu, bělidla, hnojiv, při výrobě cukru, skla.

Praktický význam mají křída, mramor, islandský rákos, sádra, fluorit atd. Vzhledem ke schopnosti vázat kyslík a dusík se vápník nebo slitiny vápníku se sodíkem a dalšími kovy používají k čištění vzácných plynů a jako getr ve vakuových rádiových zařízeních. Vápník se také používá k výrobě hydridu, který je zdrojem vodíku na poli.

2. Získávání vápníku

Existuje několik způsobů, jak získat vápník, jsou to elektrolytické, tepelné, vakuově tepelné.

.1 Elektrolytická výroba vápníku a jeho slitin

Podstata metody spočívá v tom, že katoda se zpočátku dotýká roztaveného elektrolytu. V místě kontaktu se vytvoří kapka kapky kovu, která smáčí katodu, která se při pomalém a rovnoměrném zvednutí katody spolu s ní z taveniny vyjme a tuhne. V tomto případě je tuhnoucí kapka pokryta pevným filmem elektrolytu, který chrání kov před oxidací a nitridací. Nepřetržitým a opatrným zvedáním katody se vápník vtahuje do tyčinek.

2.2 Tepelná příprava

vápník chemický elektrolytický tepelný

· Chloridový proces: technologie spočívá v tavení a dehydrataci chloridu vápenatého, tavení olova, získání dvojité slitiny olovo - sodík, získání ternární slitiny olovo - sodík - vápník a naředění ternární slitiny olovem po odstranění solí. Reakce s chloridem vápenatým probíhá podle rovnice

CaCl 2 + Na 2Pb 5=2NaCl + PbCa + 2Pb (12)

· Karbidový proces: základem pro získání slitiny olova a vápníku je reakce mezi karbidem vápníku a roztaveným olovem podle rovnice

CaC 2+ 3Pb = Pb3 Ca+2C. (13)

2.3 Vakuově-tepelná metoda získávání vápníku

Surovina pro vakuový tepelný proces

Surovinou pro tepelnou redukci oxidu vápenatého je vápno získané pražením vápence. Hlavní požadavky na suroviny jsou následující: vápno musí být co nejčistší a obsahovat minimum nečistot redukovatelných a přeměnitelných na kov spolu s vápníkem, zejména alkalickými kovy a hořčíkem. Kalcinace vápence by měla být prováděna, dokud se uhličitan zcela nerozloží, ale ne před jeho slinováním, protože redukovatelnost slinutého materiálu je nižší. Vypálený produkt musí být chráněn před absorpcí vlhkosti a oxidu uhličitého, jejichž uvolňování během regenerace snižuje výkonnost procesu. Technologie pálení vápence a zpracování vypáleného produktu je obdobná jako zpracování dolomitu pro silikotermní způsob získávání hořčíku.

.3.1 Aluminotermická metoda redukce vápníku

Diagram teplotní závislosti změny volné energie oxidace řady kovů (obr. 1) ukazuje, že oxid vápenatý je jedním z nejtrvanlivějších a obtížně redukovatelných oxidů. Nelze ji redukovat jinými kovy běžným způsobem – při relativně nízké teplotě a atmosférickém tlaku. Naopak samotný vápník je vynikajícím redukčním činidlem pro jiné obtížně redukovatelné sloučeniny a deoxidačním činidlem pro mnoho kovů a slitin. Redukce oxidu vápenatého uhlíkem je obecně nemožná kvůli tvorbě karbidů vápníku. Vzhledem k tomu, že vápník má relativně vysoký tlak par, lze jeho oxid redukovat ve vakuu hliníkem, křemíkem nebo jejich slitinami podle reakce

CaO + já? Ca + MeO (14).

Praktické použití Zatím našel pouze aluminotermickou metodu získávání vápníku, protože je mnohem snazší redukovat CaO hliníkem než křemíkem. Existují různé názory na chemii redukce oxidu vápenatého hliníkem. L. Pidgeon a I. Atkinson věří, že reakce probíhá za vzniku monoaluminátu vápenatého:

CaO + 2Al = CaO Al 2O3 + 3 ca. (15)

V. A. Pazukhin a A. Ya. Fisher uvádějí, že proces pokračuje tvorbou trikalciumhlinitanu:

CaO + 2Al = 3CaO Al 20 3+ 3 ca. (16)

Podle A. I. Voynitského v reakci převládá tvorba pentacicium trialuminátu:

CaO + 6Al = 5CaO 3Al 2O3 + 9 Ca. (17)

Nejnovější výzkum A. Yu Taits a AI Voynitsky zjistili, že aluminotermická redukce vápníku probíhá postupně. Zpočátku je uvolňování vápníku doprovázeno tvorbou 3CaO AI 2Ó 3, který následně reaguje s oxidem vápenatým a hliníkem za vzniku 3CaO 3AI 2Ó 3. Reakce probíhá podle následujícího schématu:

CaO + 6Al = 2 (3CaO Al 2Ó 3)+ 2CaO + 2Al + 6Ca

(3CaO Al 2Ó 3) + 2CaO + 2Al = 5CaO 3Al 20 3+ 3 Са

CaO + 6A1 \u003d 5CaO 3Al 20 3+ 9 Ca

Protože redukce oxidů nastává s uvolňováním vápníku v parách a zbývající reakční produkty jsou v kondenzovaném stavu, je možné jej snadno oddělit a kondenzovat v chlazených sekcích pece. Hlavními podmínkami nezbytnými pro vakuově-tepelnou redukci oxidu vápenatého jsou vysoká teplota a nízký zbytkový tlak v systému. Vztah mezi teplotou a rovnovážným tlakem par vápníku je uveden níže. Volná energie reakce (17), vypočtená pro teploty 1124-1728°K, je vyjádřena jako

F T \u003d 184820 + 6,95 T-12,1 T lg T.

Odtud plyne logaritmická závislost rovnovážné elasticity vápenatých par (mm Hg)

Lg p \u003d 3,59 – 4430 \ T.

L. Pidgeon a I. Atkinson experimentálně stanovili rovnovážný tlak par vápníku. Podrobný termodynamický rozbor redukční reakce oxidu vápenatého s hliníkem provedl I. I. Matveenko, který uvedl následující teplotní závislosti rovnovážného tlaku vápenatých par:

lgp Ca(1) \u003d 8,64 – 12930\T mm Hg

lgp Ca(2) \u003d 8,62 – 11780\T mm Hg

lgp Ca (3 )\u003d 8,75–12500\T mm Hg.

Vypočtená a experimentální data jsou porovnána v tabulce. 1.

Tabulka 1 - Vliv teploty na změnu rovnovážné elasticity páry vápníku v systémech (1), (2), (3), (3), mm Hg.

Teplota °С Experimentální data Vypočteno v systémech(1)(2)(3)(3 )1401 1451 1500 1600 17000,791 1016 - - -0,37 0,55 1,2 3,9 11,01,7 3,2 5,6 18,2 492,7 3,5 4,4 6,6 9,50,66 1,4 2,5 8,5 25,7

Z prezentovaných dat je vidět, že za nejpříznivějších podmínek jsou interakce v systémech (2) a (3) nebo (3") To je v souladu s pozorováními, protože ve zbytcích vsázky po redukci oxidu vápenatého hliníkem převažuje pentaskalciumtrihlinitan a trikalciumhlinitan.

Údaje o rovnovážné elasticitě ukazují, že redukce oxidu vápenatého hliníkem je možná při teplotě 1100–1150 ° C. Pro dosažení prakticky přijatelné reakční rychlosti musí být zbytkový tlak v systému Growth pod rovnovážným P rovná se , tj. nerovnost Р rovná se >P ost a proces musí být prováděn při teplotách řádově 1200 °C. Studie prokázaly, že při teplotě 1200-1250 ° je dosaženo vysokého využití (až 70-75 %) a nízké specifické spotřeby hliníku (asi 0,6-0,65 kg na kg vápníku).

Podle výše uvedené interpretace chemie procesu je optimálním složením směs určená pro tvorbu 5CaO 3Al ve zbytku 2Ó 3. Pro zvýšení stupně použití hliníku je užitečné dát určitý přebytek oxidu vápenatého, ale ne příliš mnoho (10-20%), jinak to nepříznivě ovlivní další ukazatele procesu. Se zvýšením stupně mletí hliníku z částic 0,8-0,2 mm na minus 0,07 mm (podle V. A. Pazukhina a A. Ya. Fishera) se použití hliníku v reakci zvyšuje z 63,7 na 78 %.

Použití hliníku je ovlivněno také způsobem briketování vsázky. Směs vápna a hliníkového prášku by měla být briketována bez pojiv (aby se zabránilo odplynění ve vakuu) při tlaku 150 kg/cm 2. Při nižších tlacích se použití hliníku snižuje kvůli segregaci roztaveného hliníku v příliš porézních briketách a při vyšších tlacích kvůli špatné propustnosti pro plyny. Úplnost a rychlost zpětného získávání závisí také na hustotě balení briket v retortě. Při jejich pokládání bez mezer, kdy je plynopropustnost celé vsázky nízká, se výrazně snižuje použití hliníku.

Obrázek 2 - Schéma získávání vápníku vakuově tepelnou metodou.

Technologie hliníko-tepelné cesty

Technologické schéma výroby vápníku aluminotermickou metodou je na Obr. 2. Jako surovina se používá vápenec a jako redukční činidlo hliníkový prášek připravený z primárního (lepšího) nebo sekundárního hliníku. Hliník používaný jako redukční činidlo, stejně jako suroviny, by neměly obsahovat nečistoty snadno těkavých kovů: hořčík, zinek, alkálie atd., schopné odpařování a přeměny na kondenzát. To je třeba vzít v úvahu při výběru tříd recyklovaného hliníku.

Podle popisu S. Loomise a P. Stauba v USA v závodě New England Lime Co. v Canaanu (Connecticut) se vápník získává aluminotermickou metodou. Používá se vápno následujícího typického složení, %: 97,5 CaO, 0,65 MgO, 0,7 SiO 2, 0,6 Fe 2Oz + AlOz, 0,09 Na 2O+K 2Oh, 0,5 zbytek. Kalcinovaný produkt se mele v Raymondově mlýnu s odstředivým separátorem, jemnost mletí je (60 %) mínus 200 mesh. Jako redukční činidlo se používá hliníkový prach, který je odpadem při výrobě hliníkového prášku. Vypálené vápno z uzavřených násypek a hliník ze sudů se přivádějí do dávkovacích vah a následně do míchačky. Po promíchání se směs briketuje suchou cestou. V uvedené provozovně dochází k redukci vápníku v retortových pecích, které se dříve používaly k získávání hořčíku silikotermickou metodou (obr. 3). Pece jsou vytápěny generátorovým plynem. Každá pec má 20 horizontálních retort vyrobených ze žáruvzdorné oceli obsahující 28 % Cr a 15 % Ni.

Obrázek 3 - Retortová pec pro výrobu vápníku

Délka retorty 3 m, průměr 254 mm, tloušťka stěny 28 mm. Ve vyhřívané části retorty dochází k redukci a na chlazeném konci vyčnívajícím z řeči dochází ke kondenzaci. Brikety se vloží do retorty v papírových pytlích, poté se vloží kondenzátory a retorta se uzavře. Vzduch je na začátku cyklu odčerpáván mechanickými vývěvami. Poté se připojí difuzní čerpadla a zbytkový tlak se sníží na 20 mikronů.

Retorty jsou vyhřívané až na 1200°. Po 12 hodinách. po naložení se retorty otevřou a vyloží. Výsledný vápník má podobu dutého válce husté hmoty velkých krystalů usazených na povrchu ocelového pouzdra. Hlavní nečistotou vápníku je hořčík, který je redukován především a je koncentrován hlavně ve vrstvě přiléhající k pouzdru. Průměrný obsah nečistot je; 0,5-1 % Mg, asi 0,2 % Al, 0,005-0,02 % Mn, až 0,02 % N, další nečistoty - Cu, Pb, Zn, Ni, Si, Fe - se nacházejí v rozmezí 0,005-0,04 %. A. Yu. Taits a A. I. Voinitsky použili polotovární elektrickou vakuovou pec s ohřívači uhlí k získání vápníku aluminotermickou metodou a dosáhli stupně využití hliníku 60 %, měrné spotřeby hliníku 0,78 kg, měrné spotřeby vsázky 4,35 kg a měrné spotřeby energie 14 kWh kovu.

Výsledný kov, s výjimkou hořčíkové nečistoty, se vyznačoval poměrně vysokou čistotou. V průměru v něm byl obsah nečistot: 0,003-0,004 % Fe, 0,005-0,008 % Si, 0,04-0,15 % Mn, 0,0025-0,004 % Cu, 0,006-0,009 % N, 0,25 % Al.

2.3.2 Silikotermická redukční metoda vápník

Silicotermická metoda je velmi lákavá; redukčním činidlem je ferosilicium, činidlo je mnohem levnější než hliník. Silikotermický proces je však obtížněji realizovatelný než aluminotermický. Redukce oxidu vápenatého křemíkem probíhá podle rovnice

CaO + Si = 2CaO Si02 + 2 ca. (18)

Rovnovážná elasticita vápenatých par, vypočtená z hodnot volné energie, je:

°С1300140015001600Р, mm Hg st0.080.150.752.05

Proto ve vakuu řádově 0,01 mm Hg. Umění. redukce oxidu vápenatého je termodynamicky možná při teplotě 1300°. V praxi by pro zajištění přijatelné rychlosti měl být proces prováděn při teplotě 1400-1500°.

Poněkud snadněji probíhá redukční reakce oxidu vápenatého s křemičitoaluminiem, při které hliník i křemík slitiny slouží jako redukční činidla. Experimentálně bylo zjištěno, že zpočátku převažuje redukce hliníkem; navíc reakce probíhá s konečnou tvorbou bCaO 3Al 2Oz podle schématu naznačeného výše (obr. 1). Redukce křemíku se stává významnou při vyšších teplotách, kdy většina hliníku zreagovala; reakce probíhá za vzniku 2CaO SiO 2. V souhrnné podobě je redukční reakce oxidu vápenatého s křemičitanem vyjádřena následující rovnicí:

mSi + n Al + (4m +2 ?) CaO \u003d m (2CaO SiO 2) + ?n(5CaO Al 2O3 ) + (2m +1, 5n) Ca.

Výzkum A. Yu. Taitse a A. I. Voinitského zjistil, že oxid vápenatý je redukován o 75 % ferosilicia s kovovým výtěžkem 50-75 % při teplotě 1400-1450 ° ve vakuu 0,01-0,03 mm Hg. Umění.; křemičitohliník obsahující 60-30% Si a 32-58% Al (zbytek je železo, titan atd.) redukuje oxid vápenatý s výtěžností kovu asi 70% při teplotách 1350-1400 ° ve vakuu 0,01-0,05 mm Hg. Umění. Experimenty v polotovárním měřítku prokázaly zásadní možnost získání vápníku na vápně pomocí ferosilicia a silikoaluminia. Hlavním hardwarovým problémem je výběr obložení, které je odolné vůči tomuto procesu.

Při řešení tohoto problému lze metodu implementovat v průmyslu. Rozklad karbidu vápníku Výroba kovového vápníku rozkladem karbidu vápníku

CaC2 = Ca + 2C

by měl být považován za slibný. V tomto případě se jako druhý produkt získá grafit. W. Mauderly, E. Moser a W. Treadwell, kteří vypočítali volnou energii tvorby karbidu vápníku z termochemických dat, získali následující výraz pro tlak par vápníku nad čistým karbidem vápníku:

ca \u003d 1,35–4505 \ T (1124–1712 °K),

lgp ca \u003d 6,62 - 13523 \ T (1712-2000 ° K).

Komerční karbid vápníku se zjevně rozkládá při mnohem vyšších teplotách, než vyplývá z těchto výrazů. Stejní autoři uvádějí tepelný rozklad karbidu vápníku v kompaktních kusech při 1600-1800° ve vakuu 1 mm Hg. Umění. Výtěžnost grafitu byla 94 %, vápník byl získán ve formě hustého povlaku na lednici. A. S. Mikulinsky, F. S. Morii, R. Sh. Shklyar k určení vlastností grafitu získaného rozkladem karbidu vápníku, který byl zahříván ve vakuu 0,3-1 mm Hg. Umění. při teplotě 1630-1750°. Výsledný grafit se od Achesona liší většími zrny, vyšší elektrickou vodivostí a nižší objemovou hmotností.

3. Praktická část

Denní výtok hořčíku z elektrolyzéru pro proud 100 kA byl při napájení lázně chloridem hořečnatým 960 kg. Napětí na šaškovi článku je 0,6 V. Určete:

)Proudový výstup na katodě;

)Množství chlóru získané za den za předpokladu, že proudový výstup na anodě se rovná aktuálnímu výstupu na kode;

)Denní plnění MgCl 2do elektrolyzéru za předpokladu, že ztráta MgCl 2 vyskytují se hlavně u kalů a sublimací. Množství kalu 0,1 na 1 tunu Mg obsahující MgCl 2 v sublimaci 50 %. Množství sublimace je 0,05 t na 1 t Mg. Složení nalitého chloridu hořečnatého, %: 92 MgCl2 a 8 NaCl.

.Určete proudový výstup na katodě:

m atd = já ?k mg · ?

?=m atd \I ?k mg \u003d 960000\100000 0,454 24 \u003d 0,881 nebo 88,1 %

.Určete množství přijatého Cl za den:

x \u003d 960 000 g \ 24 g \ mol \u003d 40 000 mol

Převod na objem:

х=126785,7 m3

3.a) Najdeme čistý MgCl 2, na výrobu 960 kg Mg.

x \u003d 95 960 \ 24,3 \u003d 3753 kg \u003d 37,53 tun.

b) ztráty s kalem. Ze složení hořčíkových elektrolyzérů %: 20-35 MgO, 2-5 Mg, 2-6 Fe, 2-4 SiO 20,8-2 TiO 20,4-1,0 °C, 35 MgCl2 .

kg - 1000 kg

m shl \u003d 960 kg - hmotnost kalu za den.

Za den 96 kg kalu: 96 0,35 (MgCl2 s kalem).

c) ztráty se sublimáty:

kg - 1000 kg

kg sublimuje: 48 0,5 = 24 kg MgCl 2 se sublimáty.

Vše, co potřebujete k vyplnění Mg:

33,6+24=3810,6 kg MgCl2 denně

Bibliografie

Základy hutnictví III

<#"justify">metalurgie Al a Mg. Vetyukov M.M., Tsyplokov A.M.

Doučování

Potřebujete pomoc s učením tématu?

Naši odborníci vám poradí nebo poskytnou doučovací služby na témata, která vás zajímají.
Odešlete žádost uvedením tématu právě teď, abyste se dozvěděli o možnosti konzultace.