Wapń występuje w wodzie w sposób naturalny. Woda morska zawiera około 400 ppm wapnia. Jednym z głównych powodów obfitości wapnia w wodzie jest jego naturalne występowanie w skorupie ziemskiej. Wapń jest również składnikiem koralowców. Rzeki zazwyczaj zawierają 1-2 ppm wapnia, ale na obszarach wapiennych rzeki mogą zawierać stężenie wapnia nawet do 100 ppm.
Przykłady stężeń wapnia w organizmach wodnych: wodorosty luctuca 800-6500 ppm (wilgotna masa), ostrygi około 1500 ppm (sucha masa).
W roztworze wodnym wapń jest głównie obecny jako Ca2+ (aq), ale może również występować jako CaOH+ (aq) lub Ca(OH)2 (aq), lub jako CaSO4 w wodzie morskiej.
Wapń jest ważnym czynnikiem determinującym twardość wody, a także działa jako stabilizator pH, dzięki swoim właściwościom buforującym. Wapń nadaje również wodzie lepszy smak.
W jaki sposób i w jakiej formie wapń reaguje z wodą?
W przeciwieństwie do magnezu umieszczonego bezpośrednio nad wapniem w układzie okresowym, elementarny wapń reaguje z wodą w temperaturze pokojowej, zgodnie z następującym mechanizmem reakcji:
Ca (s) + 2H2O (g) -> Ca(OH)2 (aq) + H2 (g)
Reakcja ta tworzy wodorotlenek wapnia, który rozpuszcza się w wodzie jako soda, oraz gazowy wodór.
Innymi ważnymi mechanizmami reakcji wapnia są reakcje erozji. Zazwyczaj zachodzą one, gdy obecny jest dwutlenek węgla. W normalnych warunkach węglan wapnia jest nierozpuszczalny w wodzie. Gdy obecny jest dwutlenek węgla powstaje kwas węglowy, który wpływa na związki wapnia.
Rozpuszczalność wapnia i związków wapnia
Pierwotny wapń reaguje z wodą. Związki wapnia są w mniejszym lub większym stopniu rozpuszczalne w wodzie. Węglan wapnia ma rozpuszczalność 14 mg/L, która jest pomnożona przez pięciokrotny współczynnik w obecności dwutlenku węgla. Rozpuszczalność fosforanu wapnia wynosi 20 mg/L, a fluorku wapnia 16 mg/L. Rozpuszczalność chromianu wapnia wynosi 170 g/L, a w temperaturze 0oC rozpuszczalność podchlorynu wapnia wynosi 218 g/L. Rozpuszczalność innych związków wapnia leży pomiędzy poziomami tych przykładów, na przykład arsenianu wapnia 140 mg/L, wodorotlenku wapnia 1.3 g/L i siarczanu wapnia 2.7-8.8 g/L.
Dlaczego wapń jest obecny w wodzie?
Wapń jest naturalnie obecny w wodzie. Może rozpuszczać się ze skał takich jak wapień, marmur, kalcyt, dolomit, gips, fluoryt i apatyt. Wapń jest wyznacznikiem twardości wody, ponieważ można go znaleźć w wodzie w postaci jonów Ca2+. Magnez jest innym wyznacznikiem twardości.
Wapń jest obecny w różnych materiałach budowlanych, takich jak cement, cegła, wapno i beton. Jest on obecny w bateriach i jest stosowany w gipsie jako siarczan wapnia. Metal ten jest wykorzystywany do produkcji cyrkonu i toru. W przemyśle stalowym wapń jest stosowany jako blotter, a także dodawany do stopów aluminium, miedzi i ołowiu. Wapń może ekstrahować dwutlenek siarki ze spalin przemysłowych i neutralizować kwasy siarkowe przed ich odprowadzeniem. Inne przykłady zastosowania wapnia to podchlorek wapnia jako wybielacz i do dezynfekcji, fosforan wapnia w przemyśle szklarskim i porcelanowym, polisiarczek i wodorotlenek wapnia jako flokulanty w oczyszczaniu ścieków oraz fluorek wapnia jako środek zmętniający w przemyśle emaliowym, w spektroskopii UV oraz jako surowiec do produkcji kwasów płynnych. Wapń może być również stosowany do usuwania węgla i siarki z żelaza i stopów żelaza oraz do odwadniania oleju. Wapień jest stosowany jako wypełniacz do papieru, powodując, że papier staje się bielszy, oraz w tworzywach sztucznych w celu poprawy stabilności.
Wapń często pozytywnie wpływa na jakość gleby, a różne związki są stosowane jako nawóz. Na przykład, roztwory CaCl2- lub Ca(NO)3 są stosowane w ogrodnictwie. Tlenek wapnia jest środkiem odwadniającym mięczaki.
Jakie są środowiskowe skutki obecności wapnia w wodzie?
Wapń jest wymagany w diecie wszystkich organizmów z wyjątkiem niektórych owadów i bakterii. Węglan wapnia jest kamieniem budulcowym szkieletów większości organizmów morskich i soczewek oczu. Fosforan wapnia jest niezbędny do budowy kości i zębów organizmów lądowych. Rośliny zawierają głównie szczawian wapnia. Magazynowanie wapnia w roślinach wynosi około 1% suchej masy.
Wapń jest w dużej mierze odpowiedzialny za twardość wody i może negatywnie wpływać na toksyczność innych związków. Pierwiastki takie jak miedź, ołów i cynk są znacznie bardziej toksyczne w miękkiej wodzie.
W glebach wapnowanych wapń może unieruchamiać żelazo. Może to powodować niedobory żelaza, nawet jeśli w glebie jest go pod dostatkiem.
Twardość wody wpływa na organizmy wodne w zakresie toksyczności metali. W bardziej miękkiej wodzie zwiększa się przepuszczalność membran w skrzelach. Wapń konkuruje również z innymi jonami o miejsca wiązania w skrzelach. W związku z tym twarda woda lepiej chroni ryby przed bezpośrednią absorpcją metali. Wartości pH 4,5-4,9 mogą szkodzić ikrze łososia i dorosłym łososiom, gdy zawartość wapnia, sodu i chloru jest niska.
Różne związki wapnia mogą być toksyczne. LD50 szczurów dla arsenitu wapnia wynosi 20 mg/ kg masy ciała. Węglik wapnia w kontakcie z wodą tworzy łatwopalny etyn i dlatego jest uważany za niebezpieczny.
Niektóre skutki środowiskowe twardości wody obejmują twardnienie sprzętu domowego, ponieważ wysokie temperatury powodują twardnienie węglanowe. Może to drastycznie zmniejszyć żywotność sprzętu i powoduje wzrost ilości odpadów domowych. Węglan wapnia wchodzi w interakcje z detergentami i środkami czyszczącymi. Tworzenie się kompleksów powoduje spadek skuteczności detergentów, co skutkuje koniecznością zwiększonego stosowania detergentów i zakupu zmiękczaczy (patrz również magnez i woda).
Zmiękczanie jest często przeprowadzane za pomocą wymienników jonowych. Muszą one być regenerowane solą kuchenną, a więc obciążają ścieki.
Istnieje sześć stabilnych izotopów wapnia. Obecnie wiemy o ośmiu niestabilnych izotopach wapnia. 45Ca jest wysoce radioaktywny i toksyczny.
Jaki jest wpływ wapnia w wodzie na zdrowie?
Wapń jest minerałem pokarmowym, który jest obecny w organizmie człowieka w ilości około 1,2 kg. Żaden inny pierwiastek nie występuje w organizmie w większych ilościach. Fosforan wapnia jest substancją podporową, powoduje wzrost kości i zębów, wraz z witaminą D. Wapń jest również obecny w tkance mięśniowej i we krwi. Jest niezbędny do rozwoju błon komórkowych i podziału komórek, częściowo odpowiada za skurcze mięśni i krzepnięcie krwi. Wapń reguluje aktywność błon komórkowych, wspomaga przekazywanie impulsów nerwowych i uwalnianie hormonów, stabilizuje pH organizmu i jest niezbędnym elementem zapłodnienia. Aby stymulować te funkcje organizmu, zaleca się spożywanie około 1000 mg wapnia dziennie przez osoby dorosłe. Można to osiągnąć poprzez spożywanie nabiału, zbóż i zielonych warzyw.
Węglan wapnia działa jako remedium na kwas żołądkowy i może być stosowany w celu rozwiązania problemów z trawieniem. Mleczan wapnia może wspomagać organizm w okresach niedoboru wapnia, a chlorek wapnia jest środkiem moczopędnym.
Twarda woda może pomóc we wzmocnieniu kości i zębów ze względu na wysokie stężenie wapnia. Może ona również zmniejszać ryzyko chorób serca. Twardość wody pitnej musi wynosić powyżej 8,4 odH. Węglan wapnia ma pozytywny wpływ na ołowiane rury wodociągowe, ponieważ tworzy ochronną powłokę węglanu ołowiu(II). Zapobiega to rozpuszczaniu się ołowiu w wodzie pitnej, a tym samym przedostawaniu się go do organizmu człowieka.
Gdy człowiek przyjmuje duże ilości wapnia, może to mieć negatywny wpływ na jego zdrowie. Dawka śmiertelna przy przyjęciu doustnym wynosi około 5-50 mg/ kg masy ciała. Metaliczny wapń powoduje korozję skóry w kontakcie ze skórą, oczami i błonami śluzowymi.
Jakie technologie oczyszczania wody mogą być zastosowane do usuwania wapnia z wody?
Usuwanie jonów wapnia i magnezu z wody jest realizowane przez zmiękczacze wody. Są to wymienniki jonowe zawierające zwykle jony Na+, które są uwalniane i zastępowane przez jony Ca2+ i Mg2+.
Związki wapnia mogą być stosowane do oczyszczania ścieków. Odczyn pH i twardość wody pitnej można zmieniać za pomocą węglanu wapnia i wodorotlenku wapnia.
Literatura a inne pierwiastki i ich oddziaływanie z wodą
.