Vápník (chemická značka Ca, calcium) je nejvýznamnější prvek z řady kovů alkalických zemin, lehký, velmi reaktivní kov. Autorem jeho českého a slovenského názvu je Jan Svatopluk Presl.
Základní fyzikálně-chemické vlastnosti Poměrně měkký, lehký, reaktivní kov, který se svými vlastnostmi více podobá vlastnostem alkalických kovů než vlastnostem předcházejícímu členu – hořčíku. V kapalném amoniaku se rozpouští za vzniku tmavě modrého roztoku. Vápník patří k lepším vodičům elektrického proudu a tepla. Není tolik reaktivní jako alkalické kovy, ale je lepší ho uchovávat pod petrolejem. Soli vápníku barví plamen cihlově červeně.
Vápník je velmi reaktivní a v přírodě vytváří pouze vápenaté sloučeniny Ca2+. Vápník reaguje za pokojové teploty s kyslíkem i vodou. Při zahřátí se snadno slučuje s dusíkem na nitrid vápenatý Ca3N2 a s vodíkem na hydrid vápenatý CaH2 a i s velkým množstvím prvků tvoří za vyšších teplot sloučeniny.
Historický vývoj Vápenaté sloučeniny jsou lidstvu známy již od starověku – pálením vápence nebo mramoru se získávalo a dodnes získává pálené vápno neboli oxid vápenatý CaO, jeho reakcí s vodou vzniká hašené vápno neboli hydroxid vápenatý, který se používal a dodnes používá k přípravě malty. Malta se ve starověku také vyráběla ze sádry (hemihydrát síranu vápenatého CaSO4·½H2O) neboli sádrovce či chemicky dihydrátu síranu vápenatého CaSO4·2H2O.
Zatímco v Itálii se běžně používala malta z vápence, v Egyptě se běžně používala malta ze sádrovce – není tedy divu, že staré egyptské pyramidy a hrobky mají omítky z této malty. Výrobu malty z vápence popisuje již spisovatel Dioskoridos (původem z Malé Asie) v 1. století našeho letopočtu. Název vápníku / Calcia je odvozen od slova vápno, latinsky calx.
Později se stalo běžné označovat oxid vápenatý jako vápenatou zeminu a časem se označení zemina přeneslo i na ostatní oxidy kovů alkalických zemin a kovů vzácných zemin (kovy vzácných zemin jsou prvky III.B skupiny).
Vápník poprvé připravil sir Humphry Davy roku 1808 elektrolýzou vápenatého amalgámu, který si připravil elektrolýzou slabě zvlhčeného hydroxidu vápenatého za použití rtuťové katody.
Výskyt v přírodě vlevo|náhled|Křídové útesy anglického Doveru vlevo|náhled|Krápníková jeskyně Díky své velké reaktivitě se vápník v přírodě vyskytuje pouze ve sloučeninách. Ve všech má mocenství Ca+2.
Jako biogenní prvek je jedním ze základních stavebních kamenů buněk všech živých organizmů na této planetě.
Zemská kůra je z velké části tvořena horninami, ve kterých vápník tvoří velmi podstatnou složku. Podle posledních dostupných údajů tvoří vápník 3,4 – 4,2 % zemské kůry a je tedy pátým nejzastoupenějším prvkem a třetím nejzastoupenějším kovem, řadí se za železo a před hořčík. V mořské vodě je jeho koncentrace pouze 0,4 g Ca/l a ve vesmíru připadá na jeden atom vápníku přibližně půl milionu atomů vodíku.
Nejběžnější horninou na bázi vápníku je vápenec, uhličitan vápenatý CaCO3 tvořený minerálem kalcitem nebo aragonitem stejného chemického složení. Tato hornina se nachází prakticky ve všech lokalitách biologického původu a pochází ze schránek obyvatelů pravěkých (především druhohorních) moří. Česko patří ve světě mezi státy s nejbohatším výskytem hornin vápencového typu, známá je například lokalita mezi Prahou a Berounem nebo Moravský kras.
Speciální typ představuje křída, téměř čistý měkký pórovitý vápenec s typicky zářivě bílou barvou, nacházející se například na pobřeží kanálu La Manche nebo na Rujáně. Její největší ložiska vznikla ve stejnojmenném geologickém období v pravěkých mořích vysrážením uhličitanu vápenatého na usazených vápenatých skořápkách prvoků. Nejznámějším využitím je plavením přírodní křídy vyrobená psací křída, důvěrně známá ze školního prostředí.
Nejvíce ceněnou odrůdou vápence je mramor nebo travertin, používaný především k dekorativním účelům – obklady budov, sochy. Významná naleziště jsou na Apeninském poloostrově (carrarský mramor), ale i v České republice (slivenecký mramor). Jedná se o přeměněnou horninu vzniklou z vápence rekrystalizovaného vysokým tlakem a teplotou. Výsledná barva je závislá na příměsích a pigmentu v původní hornině. Příměsi, které se v původní hornině vyskytovaly ve vrstvách nebo v žílách, se metamorfózou přetvářejí v charakteristickou mramorovou kresbu. Ta jej činí méně pevným, proto se mramor s kresbou obvykle nepoužívá pro sochy.
Vzájemné chemické přechody mezi uhličitanem a hydrogenuhličitanem vápenatým Ca(HCO3)2 jsou příčinou vzniku krasových jevů. Princip těchto procesů spočívá v tom, že hydrogenuhličitan vápenatý je vodě více rozpustný než uhličitan vápenatý. Pokud se roztok Ca(HCO3)2 v podzemní vodě dostane do kontaktu s atmosférickým oxidem uhličitým CO2, dojde ke vzniku málo rozpustného uhličitanu, který se usadí na místě svého vzniku. Tyto přírodní úkazy se vyskytují v jeskynních systémech po celém světě a pomalý růst stalaktitů, stalagmitů a stalagnátů je geologickou obdobou růstu a vývoje živých organizmů v přírodě.
Další minerály Významným zdrojem vápníku je dolomit, směsný uhličitan hořečnato-vápenatý CaMg(CO3)2, jehož ložiska se nacházejí v jižní Evropě, Brazílii, jižní Austrálii i Severní Americe. Apatit 3 Ca3(PO4)2·Ca(F,Cl)2 jako poměrně komplikovaný fosforečnan vápenatý patří mezi významné přírodní zdroje vápníku. Fluorit neboli kazivec je minerál o chemickém složení CaF2 (fluorid vápenatý). Jeho ložiska jsou v Číně, USA, Anglii, Německu ale i České republice. Využívá se především jako surovina pro výrobu fluoru, ale i jako dekorativní kámen pro výrobu ozdobných předmětů. Sádrovec neboli selenit je hydratovaný síran vápenatý CaSO4·2H2O. Vyskytuje se poměrně hojně ve střední Evropě (ČR, SR, Německo, Rakousko) a USA. K méně zastoupeným a méně významným minerálům patří dále anhydrit CaSO4, tachhydrid CaCl2·2MgCl2·12H2O, polyhalit K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O, glauberit Na2S4·CaSO4, scheelit CaWO4, arseniosiderit 6CaO·3As2O3·4Fe2O3·9H2O, wollastonit Ca2[Si2O6] a mnoho dalších dusičnanů, jodičnanů, uhličitanů, fosforečnanů, arseničnanů, boritanů a křemičitanů.
Výroba Kovový vápník se průmyslově vyrábí elektrolýzou taveniny chloridu vápenatého ve směsi s fluoridem vápenatým nebo chloridem draselným. Dalším produktem této reakce je elementární chlor nebo fluor, který je ihned dále zpracováván v chemické výrobě. K elektrolýze se používá grafitové anody, na které se vylučuje chlor nebo fluor, a železné katody, na které se vylučuje vápník. Vápník se dá také připravit aluminotermickou reakcí oxidu vápenatého s hliníkem, těkavý vápník oddestilovává z reakce pryč a tím dochází k posunu rovnováhy.
3 CaO + 2 Al → Al2O3 + 3 Ca
Ročně se vyrobí okolo 1000 tun vápníku.
Využití Elementární vápník vykazuje velmi silné redukční vlastnosti a jemně rozptýlený kov se využívá k redukcím v organické syntéze ale i redukční výrobě jiných kovů, např. uranu, zirkonia, thoria, plutonia, hafnia, vanadu, či wolframu. Dále se těchto vlastností využívá v metalurgii k získávání neodymu a boru z jejich oxidů, k regulaci obsahu grafitického uhlíku a obsahu kyslíku v litině nebo také k odstraňování bismutu z olova. Velká reaktivita kovového vápníku slouží v metalurgii k odstraňování malých množství síry a kyslíku z taveniny železa a při výrobě oceli. Vápník se používá jako přísada při výrobě vápenatých skel nebo jako součást některých slitin – například olověný ložiskový kov, který se vyráběl v Německu, obsahuje kromě olova 0,7 % vápníku, 0,6 % sodíku a 0,04 % lithia. Další speciální slitinou je Nd-Fe-B slitina, ze které se pořizují trvalé magnety. Dále se využívá do automobilových bezobslužných hermetických akumulátorů. Vápníku se využívá jako legovací látky pro zesílení hliníkových nosníků. Menší množství se spotřebuje pro výrobu vodíku do balónů pro meteorologické účely. Vápenec (uhličitan vápenatý), z něj vzniklý oxid vápenatý a z něj vzniklý hydroxid vápenatý se používají již od starověku ve stavebnictví. Nejstarší dochované zbytky staveb postavených s použitím vápenné malty byly nalezeny na Blízkém východě a pocházejí z období neolitu (mladší doby kamenné). Hašené vápno je ve stavebnictví složkou mnoha důležitých pojivých prvků jako je např. malta, omítkové směsi atd. Při jejich aplikaci dochází k reakci bazického vápna se vzdušným oxidem uhličitým za vzniku původního uhličitanu vápenatého CaCO3
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
Hydroxid vápenatý Ca(OH)2 – hašené vápno – se využívá také v lékařství pro jeho dezinfekční účinky a k bělení chlévů nebo venkovních omítek. Dále se s ním můžeme setkat na sklech skleníků, přičemž po zatvrdnutí (vznik uhličitanu vápenatého; viz výše) brání přímému slunečnímu záření na rostliny.
Vápenec i sádrovec jsou složkami při výrobě dnes patrně nejběžnějšího stavebního materiálu – cementu. Po smíšení s pískem a vodou vzniká pevná, tvrdá a odolná hmota – beton, s níž se setkáváme denně jako materiálem pro konstrukce moderních staveb a základním materiálem silnic, leteckých přistávacích drah, železničních pražců aj. Uhličitan vápenatý se kromě stavebnictví používá také k výrobě křídy, jako nátěrová barva (tzv. křídová běloba), do zubních prášků, tmelů, v lékařství atd.
Sádrovec (dihydrát síranu vápenatého) slouží ke štukatérským pracím a ke zhotovování forem a sádry neboli hemihydrátu síranu vápenatého CaSO4·½H2O. Tato sloučenina se vyrábí termickým rozkladem sádrovce CaSO4·2H2O a po smíšení s vodou dochází k opětné hydrataci a vzniká zářivě bílá, poměrně pevná a tvrdá hmota. Má všestranné využití ve stavebnictví, při výrobě kopií různých předmětů (zubní lékařství) atd. Podle podmínek při výrobě sádry a přísad při jejím tuhnutí lze docílit celé škály výsledných produktů s různou tvrdostí, rychlostí tuhnutí, barvou apod. Odrůdy sádrovce jsou mariánské sklo a alabastr, který se používá jako obkladový materiál. Karbid vápenatý se používá jako silné redukční činidlo a dříve se ho využívalo v hornictví, kdy se používaly karbidky neboli karbidové lampy, v nichž docházelo při reakci karbidu vápenatého s vodou k tvorbě ethynu, ten při reakci s kyslíkem hořel a při hoření vznikalo světlo. Tyto lampy byly součástí horníkovy přilbice a pomocí regulátoru přikapávání vody, regulovali rychlost reakce a tedy i množství světla. Fosforečnany vápenaté, např. Ca(HPO4)2, se používají jako průmyslová hnojiva, dodávající rostlinám jak fosfor, tak vápník.
Sloučeniny Anorganické sloučeniny vpravo|200px|náhled|Uhličitan vápenatý vpravo|200px|náhled|Fluorid vápenatý vpravo|200px|náhled|Hydroxid vápenatý
Hydrid vápenatý CaH2 je bílá krystalická látka. Je to silné redukční činidlo, které se ale vzhledem ke své vysoké ceně k běžným redukcím nevyužívá. Při reakci s vodou vzniká z hydridu vápenatého hydroxid vápenatý a vodík. Nejsnáze se připraví reakcí zahřátého vápníku ve vodíkové atmosféře, při které často vápník ve vodíku začne hořet. Oxid vápenatý CaO neboli žíravé či pálené vápno je bílá práškovitá látka. Oxid vápenatý reaguje s vodou za vzniku hydroxidu vápenatého. Oxid vápenatý se vyrábí pálením vápence neboli uhličitanu vápenatého nebo reakcí kyslíku s vápníkem.
CaCO3 → CaO + CO2
Hydroxid vápenatý Ca(OH)2 je lehký, bílý prášek, obsahující velmi drobné destičkovité krystalky portlanditu. Je téměř nerozpustný ve vodě a s rostoucí teplotou rozpustnost dokonce klesá. Vodný roztok hydroxidu vápenatého se nazývá vápenné mléko. Vyrábí se hašením páleného vápna nebo reakcí vápníku s vodou.
CaO + H2O → Ca(OH)2
Peroxid vápenatý CaO2 je bílá práškovitá látka, která se obtížně rozpouští ve vodě. Vzniká reakcí peroxidu sodného s hydroxidem vápenatým.
Soli Větší část vápenatých solí se ve vodě rozpouští, ale část se rozpouští hůře nebo vůbec, všechny soli mají bílou barvu (nebo jsou bezbarvé), pokud není anion soli barevný (manganistany, chromany). Vápenaté soli jsou lépe rozpustné než soli hořečnaté. Vápenaté soli vytváří snadno podvojné soli a dnes i komplexy, které ale nejsou pro vápník a i další kovy alkalických zemin typické.