Węglan wapnia – co to za substancja i jakie są jej główne zastosowania?

Węglan wapnia to substancja, która występuje powszechnie w przyrodzie, czego manifestacją są chociażby skały wapienne. Znane są zastosowania węglanu wapnia w codziennym życiu, a także w przemyśle, szczególnie w budownictwie i produkcji żywności, oraz w rolnictwie i medycynie. Do czego używa się węglanu wapnia? Jak pozyskuje się tę substancję i jakie są jej źródła naturalne?

Czym jest węglan wapnia?

Węglan wapnia to nieorganiczny związek chemiczny będące solą kwasu węglowego i wapnia. Posiada wzór chemiczny CaCO₃. Substancja ta jest składnikiem wielu minerałów i skał wapiennych, takich jak: aragonit, kalcyt, kreda, vateryt. Tworzy także muszle ostryg, ślimaków, skorupki jaja oraz perły. Co ciekawe, węglan wapnia występuje także poza Ziemią – jego ślady zauważono m.in. na Marsie, co może wskazywać na obecność na tej planecie wody w przeszłości.

Właściwości węglanu wapnia

Węglan wapnia występuje w postaci białego, drobnokrystalicznego proszku. Nie ma zapachu, posiada kredowy posmak. Może tworzyć struktury krystaliczne. Mimo swojej wytrzymałości mechanicznej, w połączeniu z wodą i dwutlenkiem węgla węglan wapnia tworzący wapień łatwo ulega rozkładowi (tzw. wietrzeniu chemicznemu).

Węglan wapnia jest bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie. W połączeniu z dwutlenkiem węgla tworzy wtedy wodorowęglan wapnia. Mocno reaguje też z kwasami.

Pod wpływem wysokiej temperatury (powyżej 800°C) węglan wapnia rozkłada się na tlenek wapnia i dwutlenek węgla. Jest to wykorzystywane w procesie kalcynowania, czyli prażenia kamienia wapiennego w celu pozyskania tlenku wapnia (wapna) do celów przemysłowych.

Pozyskiwanie i rynek węglanu wapnia

Węglan wapnia występuje powszechnie w przyrodzie. Jest składnikiem wielu minerałów, takich jak kalcyt czy aragonit, a także skał: wapienia, dolomitu, kredy czy koralu. Węglan wapnia do celów przemysłowych pozyskiwany jest głównie przez jego wydobywanie. Dla zastosowań, w których konieczna jest wysoka czystość związku (np. w przemyśle spożywczym czy farmaceutycznym), węglan wapnia pozyskuje się głównie z marmuru.

Można go także wytwarzać laboratoryjnie z tlenku wapnia i wody. Jest to tzw. proces karbonatacji, w wyniku którego otrzymujemy strącany węglan wapnia. W zastosowaniach chemicznych węglan wapnia może być pozyskiwany także poprzez krystalizację chlorku wapnia.

Obecnie w niektórych zastosowaniach węglan wapnia zastępuje się substancjami syntetycznymi, jak to ma miejsce m.in. produkcji przyrządów optycznych. Powodem jest niedostateczna ilość istniejących złoży przezroczystych postaci węglanu wapnia. Bardziej powszechne skały wapienne nadal w dużych ilościach występują natomiast na całym świecie: w USA, Ameryce Południowej, Afryce Południowo-Zachodniej, Europie (Grecja, Austria, Wielka Brytania, Włochy, Słowacja, Czechy, Rosja, Alpy). W dużych ilościach wapienie występują w Polsce, szczególnie na południu kraju.

Zastosowanie węglanu wapnia

Węglan wapnia to związek o szerokim spektrum zastosowań. Znajduje miejsce nie tylko w naszych domach czy rolnictwie, ale także jest stosowany na szeroką skalę w budownictwie, medycynie i przemyśle.

Zastosowanie w budownictwie

Bez wątpienia najszerszym zastosowaniem węglanu wapnia jest budownictwo. Wapień stosowany jest jako kamień budowlany (np. cegła wapienno-piaskowa), w tym celu używa się również np. marmuru. Kruszywo wapienne stosuje się także do budowy dróg. Węglan wapnia jest również surowcem do produkcji wapna, betonu, cementu czy zapraw, które w budownictwie służą jako spoiwo.

Bardzo drobno zmielone skały wapienne wykorzystywane są jako biały barwnik (tzw. biel wiedeńska) i składniki folii budowlanych. Węglan wapnia stosuje się również w produkcji rur i kabli PCV (węglan wapnia zwiększa sztywność związków polipropylenu) oraz farb emulsyjnych, klejów, uszczelniaczy i wypełniaczy. Przykładowo, kleje do płytek ceramicznych zawierają 70-80% wapienia.

Węglan wapnia stosowany jest szeroko w przemyśle szklarskim i glazurniczym. W zastosowaniach związanych z ceramiką znany jest jako bielidło.

Zastosowanie w rolnictwie

W rolnictwie węglan wapnia stosowany jest jako składnik nawozów, których celem jest użyźnienie i poprawienie właściwości gleby. Odkwaszają one glebę, podwyższając jej pH. Wapń poprawia właściwości gleby zarówno fizyczne, chemiczne, jak i biologiczne.

Nawozy wapniowe poprawiają przyswajalność fosforu dla roślin, wpływając na ich odpowiedni wzrost i tym samym na zwiększenie plonu czy polepszenie właściwości produkowanej paszy. Wapnowanie gleby wpływa także pozytywnie na różnorodność gatunkową oraz zwiększa ilość występujących w niej mikroorganizmów mających pozytywny wpływ na glebę. Przyspiesza również mineralizację azotu oraz ogranicza przyswajanie przez rośliny szkodliwych dla nich substancji: potasu, manganu, glinu, kadmu, niklu czy cynku.

Węglan wapnia jest stosowany także w hodowli zwierząt. Mieszanki paszowe często zawierają dodatek tego związku w celu uzupełnienia diety zwierząt o wapń, zarówno jeśli chodzi o bydło, jak i drób. Odpowiedni poziom wapnia wzmacnia organizm zwierząt, przeciwdziałając osłabieniu, chorobom i zakwaszeniu organizmu. W hodowli bydła mlecznego kwaśny węglan wapnia używany jest w celu pobudzenia laktacji i wzmocnienia układu trawiennego.

Zastosowanie w przemyśle spożywczym

W przemyśle spożywczym węglan wapnia występuje powszechnie jako chemiczny dodatek do żywności (E170). W ilościach występujących w produktach spożywczych jest nieszkodliwy, natomiast jego nadmiar może prowadzić do problemów jelitowych.

Węglan wapnia jest stosowany w żywności jako utwardzacz, regulator kwasowości, stabilizator, środek przeciwzbrylający oraz biały barwnik. Możemy go spotkać w pieczywie i wyrobach cukierniczych: ciastkach, cukierkach czy lodach, a także w koncentratach warzywnych oraz mąkach i proszkach do pieczenia. Może również pełnić rolę utrwalacza koloru żywności (np. jabłek organicznych).

Węglan wapnia dodatkowo stosowany jest jako surowiec do rafinacji cukru z buraków cukrowych. Bywa stosowany również jako dodatek do mleka roślinnego w celu ich wzbogacenia o łatwo przyswajalny wapń oraz jest używany jako środek do odkwaszania wina i miąższu owocowego.

Zastosowanie w medycynie i farmakologii

W medycynie i farmakologii węglan wapnia używany jest jako składnik suplementów diety mających na celu dostarczenie do organizmu wapnia, np. w celu zapobiegania osteoporozie, niwelowania skurczów i drżenia mięśni nóg czy wspomagania walki z alergią. Wapń dostarczony w tej formie jest przyswajalny w około 30%. Stosowany jest także jako obojętny wypełniacz tabletek i innych leków oraz składnik tabletek witaminowych.

Węglan wapnia znajduje się również w lekach, których celem jest łagodzenie objawów zgagi czy refluksu. Jego działanie jest jedynie pomocnicze i polega na zobojętnianiu kwasu solnego w żołądku.

Kolejnym zastosowaniem węglanu wapnia w medycynie jest jego podawanie pacjentom z hiperfosfatemią, np. pacjentom z przewlekłą niewydolnością nerek poddawanych hemodializie. Tak podawany związek skutecznie wiąże fosforany, poprawiając stan pacjenta. Wapń dobrze sprawdza się również w przypadku zatruć solami metali ciężkich.

Węglan wapnia w codziennym życiu

W codziennym życiu węglan wapnia jest często stosowany jako składnik domowych past czy proszków do czyszczenia. Ma on znakomite właściwości szorujące, przy czym charakteryzuje się niewielkim poziomem twardości, co pozwala na bezpieczne szorowanie wielu powierzchni, takich jak szkło, ceramika czy metal. Węglan wapnia w postaci pasty sporządzonej na bazie wody dejonizowanej używa się także do czyszczenia nalotów na srebrze.

Inne zastosowania węglanu wapnia

Węglan wapnia posiada wiele innych zastosowań. Stosuje się go na przykład:

• w kosmetykach, np. w pudrze do twarzy, cieniach do powiek i zasypkach;
• w wybielaczach, białych farbach i proszkach;
• w pastach do zębów;
• w papierosach;
• w jubilerstwie – np. aragonit bywa wykorzystywany jako kamień ozdobny do wyrobu biżuterii;
• w technologii oczyszczania wody – węglan wapnia podnosi zasadowość wody i wiąże agresywny dwutlenek węgla;
• w przemyśle chemicznym;
• w przemyśle naftowym i w oczyszczaniu rud żelaza;
• dawniej jako składnik kredy tablicowej, obecnie – w produkcji papieru;
• jako składnik mikroporowatej folii w pieluszkach i rękawiczek lateksowych;
• jako wypełniacz w żywicach termoutwardzalnych;
• w przemyśle energetycznym do odsiarczania gazów spalinowych w celu zmniejszenia szkodliwości ich emisji;
• przezroczyste odmiany krystalicznego kalcytu mają zastosowanie w przemyśle szklarskim i ceramice szlachetnej, a także służą do wykonywania przyrządów optycznych (tzw. polaryzatorów), m.in. w mikroskopach polaryzacyjnych.

Rola i znaczenie węglanu wapnia

Węglan wapnia to jeden z najważniejszych surowców chemicznych. Posiada nie tylko szerokie spektrum zastosowań w przemyśle i życiu codziennym, ale także odgrywa znaczącą rolę w środowisku.

Duża ilość węglanu wapnia zawarta jest w brokułach i jarmużu, przez co warzywa te są znakomitym źródłem wapnia dla organizmu. Wapń jest niezbędnym pierwiastkiem dla każdego człowieka, stanowiąc materiał budulcowy kości i zębów oraz biorąc udział w wielu procesach zachodzących w naszym organizmie, takich jak krzepnięcie krwi, prawidłowa praca układu nerwowego, praca mięśni czy regulacja hormonalna.

Węglan wapnia odgrywa także znaczącą rolę w środowisku naturalnym. Zawarty w glebie węglan wapnia stabilizuje pH gleb, które są zbyt kwaśne. Naturalnie związek ten dociera do gleby ze skał i minerałów, skorup zwierząt takich jak ślimaki, a także jest produkowany przez dżdżownice. Zwierzęta te posiadają bowiem specjalne gruczoły przemieniające wapń i dwutlenek węgla w węglan wapnia, który jest następnie wydalany przez nie do gleby.

Węglan wapnia pełni również ogromnie ważną rolę w powstawaniu skamielin dzięki tzw. premineralizacji węglanu wapnia. Pozwoliło to za zachowanie skamieniałości przez tysiące lat.

Znaczenie węglanu wapnia możemy dostrzec także poprzez spojrzenie wstecz. Przezroczyste kryształy kalcytu, tzw. szpat islandzki, dały początek mikroskopowym badaniom skał. Odegrały ponadto znaczącą rolę w odkryciu zjawiska podwójnego załamania światła i jego polaryzacji oraz w stworzeniu pryzmatu.