Priče o elementima #19: Kalcij – element za sva vremena

Kada sam se u dobi od 14 godina oduševio kemijom, mome je ocu bilo drago što sam tako zarana u životu zacrtao svoje buduće zanimanje iako se njegovo znanje kemije svodilo, kako je sam govorio, na samo dvije formule, H₂O i CaCO₃ – ovu je posljednju izgovarao kao jednu riječ, „cacotri“. Može li se od dvije formule stvoriti kemija? Teško, no možda se ipak može od dva kemijska spoja, vode i kalcijeva karbonata. Pa pokušajmo.

Prvo ćemo žariti kalcijev karbonat na 900–1000 ^oC. Karbonati se žarenjem raspadaju na ugljikov dioksid i metalni oksid, pa tako će tako biti i s ovim. Dobit ćemo kalcijev oksid, CaO: CaCO₃ → CaO + CO₂. Kalcijev karbonat je glavni sastojak vapnenca, pa pečenjem vapnenca nastaje živo vapno, što je drugo ime za spomenuti kalcijev oksid. Živo vapno (lat. calx viva) je živo jer „oživi“ kada ga se polije vodom. Reakcijom se kalcijeva oksida s vodom oslobađa toplina i pritom nastaje kalcijev hidroksid, Ca(OH)₂ – gašeno vapno (lat. calx extincta). Gašeno vapno pomiješano s pijeskom daje žbuku. Sada imamo obrnutu reakciju od pečenja vapna jer se kalcijev hidroksid spaja sa CO₂ dajući kalcijev karbonat koji povezuje čestice pijeska. Uz CaCO₃ u toj reakciji nastaje i H₂O – opet smo se vratili na jedine dvije kemijske formule moga oca.

Sve to zvuči vrlo jednostavno. Vapnenca ima gdje ima krša, a ni ispeći vapno nije neka majstorija. Dovoljno je sagraditi okruglu kamenu „kuću“ koja nema ništa osim uskih vratiju i dimnjaka na vrhu svoda te u njoj zapaliti vatru. Vatra treba gorjeti koliko je aršina vapnenica visoka, a potom, kada se ohladi, treba je razgraditi. Kamen (vapnenac) u njoj se pretvorio u vapno.

Zvuči jednostavno, i jest jednostavno, no vapnenu žbuku čovjek poznaje tek od trećeg stoljeća prije Krista. Izumili su je Egipćani koji su do tada kao vezivo koristili samo gips. Gips je također kalcijev spoj, naime kalcijev sulfat, no on veže posve drugačije od vapna. Nalazi ga se u prirodi kao mineral kemijskog sastava CaSO₄·2H₂O. Grijanjem na 120 ^oC gips gubi dio kristalizacijske vode te prelazi u kalcijev sulfat hemihidrat, CaSO₄·0,5H₂O. Miješanjem s vodom ta posljednja sol opet kristalizira u dihidrat, pretvarajući se tako u izvornu tvar. Zanimljivo je da u prirodi postoji i bezvodni kalcijev sulfat, CaSO₄. Ime tog minerala je anhidrit.

Živo vapno ili kalcijev oksid je temelj kemije kalcija. Za alkemičare je vapno bilo temelj njihove znanosti jer su sve metalne okside zvali „vapno“ – calx. Oksidaciju metala zvali su kalcinacijom („ovapnjenjem“) – riječju koja se do danas očuvala u kemiji, a znači žarenje („kalcinirana soda“). Lavoisier je smatrao vapno (chaux) oksidom nepoznatog elementa. No nije dugo ostao nepoznat jer ga je 1807. godine Humphrey Davy uspio osloboditi svih kemijskih veza djelovanjem svemoćne električne struje. Dobio ga je kao i natrij, elektrolizom hidroksida, no ovaj put ne rastaljenog. Da bi kalcij zaštitio do pogubnog djelovanja vode, katodu je napravio od žive. Kalcij se u živi otapao, s njom stvarao slitinu (amalgam). Nakon elektrolize Davy je otpario živu, a na dnu tikvice je zaostao novi metal. Danas se kalcij dobiva elektrolizom rastaljenog kalcijeva klorida s primiješanim kalcijevim fluoridom pri temperaturi od 845 ^oC.

Kakav je kalcij? To je o bijeli, laki metal (gustoće 1,54 g/cm³) koji reagira s vodom dajući vodik. Za razliku od drugih alkalijskih i zemnoalkalijskih metala dade se kovati. Najvažnije mu je svojstvo da je vrlo reaktivan, pa pomaže, ako se njime legira, uklanjanju nečistoća iz kovina. No, vratimo se našem kalcijevom oksidu.

Živo vapno nije samo tvar kojom se grade kuće (od njega se ne proizvodi samo gašeno vapno nego i cement), ono je omogućilo i da se inertni ugljik aktivira te pokaže sve svoje kemijske potencijale. Kako to? Riječ je o više put u ovoj rubrici spomenutoj reakciji koksa i živoga vapna u električnoj lučnoj peći. Tom se reakcijom dobiva kalcijev karbid, CaC₂, od kojeg se dobivao acetilen (etin), a od njega stotine drugih ugljikovih spojeva.

Ništa od te tehnologije ne bi bio da nije osnovne sirovine, kalcijeva karbonata, vapnenca. Točnije rečeno bez kalcita, jer vapnenac se sastoji poglavito od tog minerala, koji je gotovo čist kalcijev karbonat. Osim kalcita postoji i drugi mineral istog kemijskog sastava koji se zove aragonit. Ta se dva minerala razlikuju kristalnom strukturom, a geolozi mogu prema njihovom nalazu odrediti u kojem je geološkom razdoblju nastala vapnenačka stijena. Kako to?

Riječ je o tome da se aragonit taloži pri višoj tempeaturi od kalcita, pa treba samo pogledati koji se mineral nalazi u fosilnim ostacima puževa. Iz toga se može vidjeti jesu li puževi živjeli u moru hladnijem ili toplijem od 25 ^oC. CaCO₃ je dospio u vapnenačke stijene iz školjaka i pužnica, no kako je dospio u more?

U more je dospio istim putem kojim je dospio u vapnenac, samo je išao u suprotnom smjeru. Djelovanjem vode i ugljikova dioksida na kalcijev karbonat nastaje topljivi kalcijev hidrogenkarbonat, Ca(HCO₃)₂, koji, kada voda ispari, prelazi opet u kalcijev karbonat, CaCO₃, uz oslobađanje ugljikova dioksida, razumije se. Vidimo da je tu riječ o povratnoj reakciji, reakciji koja može teći u oba smjera: ima li mnogo ugljikova dioksida, od kalcijeva karbonata nastaje hidrogenkarbonat, ima li pak malo CO₂, od kalcijeva će hidrogenkarbonata nastati karbonat. Slično vrijedi i za sustav CaO/CO₂/CaCO₃. Ovo posljednje bilo je povod mog čuđenja i to u životnoj dobi kada bih se trebao prestati čuditi bilo čemu u kemiji.

Na otoku je Krku prije mnogo (ne zna se točno koliko) milijuna godina pao impaktor, veliko nebesko tijelo koje je na njemu stvorilo krater promjera deset kilometara. Krater se danas ne vidi, ali samo dok se ne odgrne zemlja. Ispod ograda, cesta i puteva nalaze se mnogi kubični kilometri breče, vapnenačkih stijena koje su se smrvile pod silom došljaka iz svemira te potom slijepile u novu stijenu. Moj prijatelj geolog Tihomir Marjanac poveo me do mjesta gdje ta jedinstvena krčka breča viri iz zemlje, te mi je profesionalno, geološkim čekićem odlomio nekoliko komada stijene nastale udarom asteroida. Jest breča, ali mi ne nalikuje na breču, više nalikuje na ispucani kamen. Ali taj „ispucani kamen“ nikako da se raspadne, komade nešto čvrsto drži, a to nešto je – što je to? To je staklo od kalcijeva karbonata!

U prvi sam čas osjetio kao da padam u ponor, sve mi se u glavi pomiješalo. Kalcijev se karbonat ne može rastaliti jer se zagrijavanjem raspada na kalcijev oksid i ugljikov dioksid, a ako se ne može rastaliti ne može se ni naglo skrutnuti da bi od njega nastalo staklo. To je jasno kao dan. No onda se lupih po čelu! Da, jasno je kao dan ako ugljikov dioksid odlazi s dimom kroz otvor na vrhu vapnenice. No što ako ugljikov dioksid ne može otići? I ne može otići jer ga drži tlak od tko zna koliko tisuća bara koji vlada u trenutku udara impaktora. Kalcijev karbonat se u takvim uvjetima ne može raspasti, pa će se rastaliti.

„Cacotri“ moga oca nije samo formula među formulama: CaCO₃ je formula u kojoj se ogleda vječna borba čovjeka sa silama prirode, ali i priroda sama.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik časopisa Priroda i urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Piše za časopis Čovjek i svemir, te mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug-online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, od kojih treba izdvojiti „Kemijski leksikon u stripu“, „Metali života – metali smrti“ te „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.