Minerał wapnia - kalcyt.
Jest prawidłowością w układzie okresowym, że pierwiastki z danej grupy położone w niej w okresach o wyższych numerach różnią się nieco swymi właściwościami od czołowych przedstawicieli rodziny. Oczywiście, różnice nie są duże, ale mamy i takie grupy, w których znajdują się razem niemetale i metale lub pierwiastki o różnych stanach skupienia. Nie inaczej dzieje się wśród berylowców – co prawda wszystkie one są srebrzystymi metalami, ale beryl dość wyraźnie „odstaje” od reszty, a i magnez ma odmienne własności mechaniczne niż umieszczone w następnych okresach, określane wspólnym mianem wapniowców, pierwiastki. Jeden z nich – wapń – to metal o ogromnym rozpowszechnieniu i znaczeniu tworzonych związków, a ponadto wśród nich znajduje się nasz „polski” rad.
Wapniowce to część grupy berylowców, obejmująca cztery najcięższe pierwiastki związane ze sobą bardzo podobnymi własnościami chemicznymi. Wszystkie mają wartościowość równą dwa, zgodnie z numerem grupy, i nie kryją już przed chemikami większych tajemnic.
Minerał strontu - stroncjanit.
Własności ostatniego z nich, radu, także nie odbiegają od pozostałych, a przebieg reakcji, których nie przeprowadzono w rzeczywistości (z powodu niebezpieczeństw w operowaniu substancją promieniotwórczą) pomoże opisać teoria. Różnią się one znacznie rozpowszechnieniem w przyrodzie: wapnia jest prawie 3,5% (5. miejsce wśród wszystkich pierwiastków), stront i bar to metale mające średni udział w budowie ziemskiej skorupy, zaś rad stanowi jedynie śladową domieszkę rud uranu i toru. Wspólną cechą wapniowców jest emitowanie pod wpływem ogrzewania (np. w płomieniu palnika) przez ich atomy i jony promieniowania zawartego w widzialnej części widma. Własność tę stosuje się do barwienia wybuchających materiałów pirotechnicznych: sole wapnia zapewniają ceglastoczerwony kolor ogni sztucznych, strontu – karminowy, zaś baru – zielony. Sole radu w płomieniu palnika również świecą w odcieniu karminowym. Czystych metali, oprócz wapnia, nie używa się prawie w ogóle (stront jest czasem stosowany jako geter, czyli substancja pochłaniająca resztki powietrza, w lampach próżniowych).
Minerał baru - baryt.
Wapń zaś jest dobrym reduktorem w metalurgii niektórych metali, (np. uranu, toru i pierwiastków ziem rzadkich – lantanowców), a także dodatkiem do stopów łożyskowych.
Związki wapnia były znane i stosowane od niepamiętnych czasów. Po wielu stuleciach chemicy wydzielili z nich ziemię wapniową (tlenek tego metalu), ale sam metal poznano dopiero w początkach XIX wieku. Uczynił to w 1808 roku sam sławny „ojciec pierwiastków” – sir Humphry Davy – poprzez elektrolizę zwilżonego wodą tlenku wapnia z użyciem rtęciowej katody. Wydzielający się metal ulegał rozpuszczeniu w rtęci (tworzył amalgamat), a po odparowaniu srebrzystej cieczy można było badać nowy pierwiastek. Łacińska nazwa wapnia pochodzi od również łacińskiego określenia murarskiego wapna – calx. W tym samym 1808 roku Davy zastosował ponownie metodę elektrolityczną do wyizolowania strontu i baru, ale to nie on był ich odkrywcą (współcześnie w celu wydzielania wapniowców prowadzi się elektrolizę stopionych chlorków).
Gipsowa róża pustyni.
Stront zidentyfikował A. Crawford (1790) w minerale obecnie znanym jako stroncjanit (węglan strontu), znalezionym koło szkockiej miejscowości Stronthian. Bar wykryto w minerale barycie (z greckiego barys=ciężki, od jego dużej gęstości), a uczyniła to inna chemiczna sława – Karl Wilhelm Scheele ze Szwecji (1774). Historia odkrycia radu (z łaciny radius=promień) powinna być znana każdemu polskiemu uczniowi – w roku 1898 Maria Skłodowska-Curie wraz z mężem Piotrem doniosła o znalezieniu nowych pierwiastków (drugi z nich to polon) w rudzie uranowej na podstawie analizy emitowanego przez nie promieniowania. Po kilku latach mozolnych prac otrzymała pierwszą dostrzegalną próbkę związku nowego metalu – 0,1 grama chlorku radu, co w porównaniu z masą przerobionej rudy uranowej wynoszącą 8 ton daje nam możliwość ocenienia włożonego wysiłku i hartu ducha naszej najsławniejszej rodaczki.
Spośród minerałów tworzonych przez związki wapnia najbardziej rozpowszechniony jest węglan tego metalu. Bogactwo form, które mogą przybierać jego postacie krystaliczne, jest nieporównywalne z żadnym innym minerałem – opisano ponad 600 różnych odmian! Jednym z najbardziej rozpowszechnionych minerałów na Ziemi jest kalcyt.
Ślady dawnego życia w wapieniu.
W postaci czystej przezroczysty, często bywa jednak zabarwiony domieszkami innych metali. Pod wpływem czynników środowiskowych ulega przeobrażeniom tworząc liczne skały wapienne, np. marmury czy kredę. Wapienie budują całe pasma górskie, a wiele z nich jest pozostałościami po życiu kwitnącym miliony lat temu w ciepłych morzach. Skały wapienne są cennymi surowcami dla budownictwa (marmur) oraz przemysłu metalurgicznego (topniki i zasadowe wykładziny pieców hutniczych). Czysty węglan wapnia służy jako dodatek do kosmetyków oraz medykamentów. Poprzez prażenie wapieni otrzymujemy tzw. wapno palone – surowiec do produkcji innych związków wapnia. Odmianą krystalicznego węglanu wapnia jest aragonit, używany jako materiał do wyrobu biżuterii oraz dekoracji. Z węglanem wapnia związane są także zjawiska krasowe. Pod wpływem zawartego w wodzie dwutlenku węgla przekształca się on w rozpuszczalny wodorowęglan, który następnie może ponownie przechodzić w osad węglanu. Powoduje to tworzenie się m.in. jaskiń. Rozpuszczony w wodzie wodorowęglan wapnia (a także inne sole) odpowiada za jej twardość.
Kamieniołom marmuru.
Jest ona z jednej strony korzystna – woda twarda jest smaczna i dostarcza organizmowi niezbędnych składników mineralnych, ale z drugiej szkodliwa dla urządzeń, w których następuje podgrzewanie takiej wody – wydzielający się osad kamienia kotłowego może spowodować ich awarię. Innymi ważnymi minerałami wapnia są jego siarczany – gips i anhydryt. Pierwszy z nich jest również surowcem dla budownictwa (zaprawy gipsowe, okładziny ścienne), lecz znajduje zastosowania także w innych dziedzinach, np. jako opatrunek usztywniający przy złamaniach. Szlachetną odmianą gipsu jest alabaster – ceniony kamień rzeźbiarski. Wapń wchodzi również w skład licznych glinokrzemianów skałotwórczych.
Z minerałów wapnia otrzymuje się szereg jego związków. Najważniejszym z nich jest wspomniany już tlenek tego metalu, zwany także wapnem palonym. Służy on do wytwarzania rozmaitych rodzajów zapraw murarskich oraz znajduje liczne zastosowania w przemyśle chemicznym, metalurgicznym, szklarskim i nawozów sztucznych. Przez działanie wodą na wapno palone otrzymujemy wapno gaszone (wodorotlenek wapnia), o analogicznych zastosowaniach. Jego wodny roztwór (woda wapienna) lub zawiesina (mleko wapienne) to najtańsza mocna zasada używana w przemyśle, np. przy otrzymywaniu sacharozy w cukrowniach.
Małżonkowie Curie w laboratorium.
W szkole zaś wszyscy spotkali się z wodą wapienną przy okazji wykrywania dwutlenku węgla (zachodzi tu ta sama reakcja, która odpowiada za powstawanie zjawisk krasowych – wytrącanie osadu węglanu, a następnie rozpuszczanie go przy nadmiarze wprowadzanego do wody dwutlenku węgla). Z tlenku wapnia wytwarza się poprzez prażenie z koksem jego węglik (właściwie acetylenek), zwany karbidem. Głównym celem produkcji karbidu jest proste otrzymywanie acetylenu (reakcja z wodą), stosowanego jako gaz spawalniczy oraz surowiec wyjściowy do wielu syntez chemicznych. Związkiem wapnia produkowanym w wielkich ilościach jest także chlorek tego pierwiastka. Stanowi on produkt odpadowy ważnego procesu przemysłowego – wytwarzania sody. Aby zagospodarować powstające hałdy chlorku wapnia (soda to jeden ze związków produkowanych w największych ilościach), używa się go do osuszania gazów (jest silnie higroskopijny) oraz usuwania zimowego oblodzenia dróg (tworzy wraz z lodem i śniegiem mieszaninę zamarzającą dopiero w bardzo niskich temperaturach).
Związki wapnia są także szeroko rozpowszechnione w świecie ożywionym. Jony tego metalu to jeden z głównych kationów wewnątrzkomórkowych (np. wapń bierze udział w przewodzeniu impulsów nerwowych), tak istotny, że gdy brakuje go w płynach ustrojowych, wycofywany jest do nich z tkanki kostnej. Tkankę kostną buduje hydroksyapatyt (jeden z fosforanów wapnia), zaś szkliwo zębów dodatkowo wzmacnia obecność fluoru w jego cząsteczkach. Niedobory wapnia (hypokalcemia) mają bardzo przykre skutki – zaburzenia rytmu serca, ciśnienia i krzepliwości krwi oraz osteoporozę. Dlatego niezmiernie ważne jest zapewnienie regularnych „dostaw” tego pierwiastka, najlepiej w produktach naturalnych – nabiale. Mimo istnienia licznych suplementów diety zawierających wapń, nie przesadzajmy z ich stosowaniem – nadmiar również jest szkodliwy.
Zjawiska krasowe.
Mimo strywializowania przez reklamy frazy „przed użyciem skonsultuj się lekarzem lub farmaceutą”, naprawdę warto to zrobić (spożywanie różnorodnych produktów naturalnych nie spowoduje przedawkowania). Wapń w postaci najczęściej występującego swojego związku, węglanu, buduje także szkielety i pancerzyki różnych drobnych organizmów, które ginąc usiały nimi dna dawnych mórz. Odkrywamy je dzisiaj jako pokłady rozmaitych skał wapiennych, nierzadko zawierających skamieniałe ślady dawno wymarłego życia, zaś współcześnie nadal tworzą się rafy koralowe. Również rośliny wykorzystują związki wapnia, np. do regulacji tempa swojego wzrostu.
Związki strontu i baru, w porównaniu z połączeniami wapnia, nie mają wielu zastosowań. Siarczanu strontu (występującego naturalnie jako minerał celestyn) i siarczanu baru używa się jako białych pigmentów, ponadto chromian baru to żółty pigment. Praktycznie nierozpuszczalny, a przez to nietoksyczny, siarczan baru jest dobrym kontrastem stosowanym podczas prześwietleń rentgenowskich przewodu pokarmowego (bar, jako pierwiastek o dużej liczbie atomowej, silnie pochłania promieniowanie RTG). Z innych związków baru warto jeszcze wspomnieć o jego tlenku, dawniej używanym do otrzymywania tlenu i wody utlenionej. Ma on właściwość przyłączania tlenu atmosferycznego podczas ogrzewania (tworzy się nadtlenek), a po dalszym zwiększeniu temperatury – oddawania go. Działanie kwasem na nadtlenek baru pozwalało uzyskać roztwór wody utlenionej, ale to już tylko historyczne metody. W przeciwieństwie do związków baru, sole strontu są nietoksyczne, ale jego promieniotwórczy izotop (stront-90, produkt rozszczepienia uranu) może zastępować w organizmach żywych wapń i wbudowywać się w tkankę kostną. Z tego też powodu stanowi jedno z najbardziej niebezpiecznych skażeń radioaktywnych (wytwarzany jest podczas pracy reaktorów jądrowych).
Sery - jedno ze źródeł wapnia.
Jak wszyscy zapewne wiedzą, promieniotwórczy jest również ostatni z berylowców – rad. Dawniej powszechnie stosowany był do prowadzenia terapii antynowotworowych i jako aktywator farb luminescencyjnych. O ile w pierwszej roli jest jeszcze używany, to ze względu na niesione przez niego zagrożenie (notatki i sprzęt laboratoryjny państwa Curie do tej pory są jeszcze skażone) nie stosuje się go już jako składnika farb świecących. Często też jest zastępowany przez tańsze, sztucznie otrzymane radionuklidy.
Wapniowce stanowią wśród berylowców swoisty „klan” pierwiastków połączonych prawie identycznymi własnościami. Związki tworzone przez ich „lidera” mają kluczowe znaczenie dla życia na Ziemi oraz wielu działów gospodarki, a i pozostałe metale również znalazły swoje miejsce we współczesnej nauce i technice. Wapniowce ponadto zostały odkryte i otrzymane przez największych uczonych swoich czasów, wśród nich i Polkę. I tylko szkoda, jak to wyraziła sama Maria Skłodowska-Curie, że ostatniemu z nich, radowi, nie nadała nazwy polon, jako że to ten właśnie pierwiastek okazał się ważniejszy i bardziej znany.
