1. PRZEDMIOT BADANIA - materiał (surowiec, wyrób) związany z technologią spoiw wapiennych.

2. ZADANIE DO WYKONANIA

2.1. Oznaczyć zawartość tlenku CaO i MgO w badanym materiale.

2.2. Zidentyfikować i sklasyfikować badany materiał.

3. CEL ĆWICZENIA

3.1. Poznanie chemicznej analizy miareczkowej - kompleksometrycznej.

3.2. Utrwalenie podstawowych wiadomości z zakresu fizyko - chemii spoiw wapiennych.

3.3. Zapoznanie się z normą: PN-B-30020. (wapno budowlane, wymagania)

1. SUROWCE UŻYWANE DO OTRZYMYWANIA WAPNA BUDOWLANEGO.

Surowcem do produkcji spoiw wapiennych są skały wapienne. Oprócz głównego składnika - węglanu wapniowego - zawierają one zwykle domieszki węglanu magnezu i glinu. Surowcem najbardziej wartościowym są wapienie zawierające możliwie niewielką ilość domieszek gliniastych. Domieszki gliny pogarszają własności produktu wypału, utrudniając proces gaszenia.

2. SPOSÓB I PODSTAWOWE REAKCJE CHEMICZNE ZACHODZĄCE PODCZAS OTRZYMYWANIA WAPNA PALONEGO.

Wypalanie wapna. Proces wypalania wapienia polega na reakcji odwracalnej termicznego rozkładu węglanu wapniowego:

CaCO₃
CaO + CO₂ - wypalanie

CaO + H₂O
Ca(OH)₂ - gaszenie

Do procesu wypalania wapna potrzebna jest temperatura 898 C. W tej temperaturze ciśnienie dwutlenku węgla (CaO₂) osiąga wartość 1 Atm. (atmosfery). Wystarczy, więc prażyć wapień w tej temperaturze, aby całkowicie rozłożyć go na tlenek wapniowy
i dwutlenek węgla.

W praktyce przemysłowej, w celu zwiększenia szybkości wypału stosuje się temperatury wyższe do 1100 C. Szybkość rozkładu wapienia zależy nie tylko od temperatury, ale również od stopnia rozdrobnienia surowców. Produkt wypału wapienia zwany wapnem palonym, może zawierać oprócz tlenku wapniowego domieszki glinianu wapniowego (CaO
Al₂O₃), żelazianów wapniowych (CaO
Fe₂O₃) oraz niewielkie ilości krzemianów wapniowych. Domieszki te utrudniają proces gaszenia wapna.

3. GASZENIE WAPNA PALONEGO

Gaszenie wapna. Gaszeniem nazywamy reakcję hydratacji wapna,
w wyniku, której powstaje wodorotlenek wapniowy. Reakcja zachodząca zgodnie
z równaniem:

CaO + H₂O
Ca(OH)₂ + 15,5kcal

jest silnie egzotermiczna. Temperatura układu wzrasta i znaczna część wody ulega odparowaniu. W zależności od ilości wody, możemy otrzymać produkty o różnych własnościach:

6.1. Ciasto wapienne - jest to gęsta mieszanina wodorotlenku wapniowego
i nasyconego roztworu wodorotlenku w wodzie, otrzymywana w wyniku gaszenia wapna nadmiarem wody. Duży stopień rozdrobnienia wodorotlenku i otoczenie jego cząstek wodą zmniejsza siły tarcia między cząstkami i nadaje masie własności plastyczne.

6.2. Wapno hydratyzowane - zwane również suchogaszonym, jest produktem otrzymywanym przez gaszenie wapna palonego - możliwie najmniejszą ilością wody, niezbędną do wytworzenia wodorotlenku wapniowego.

4. WAPNO HYDRAULICZNE, OTRZYMYWANIE I SKŁAD.

Do spoiw wapiennych zaliczamy również wapno hydrauliczne. Jest to spoiwo, które po wstępnym okresie wiązania i twardnienia na powietrzu może twardnieć zarówno na powietrzu jak i pod wodą.

Wapno hydrauliczne otrzymuje się przez wypalanie wapieni marglistych zawierających od 6 do 20% domieszek gliniastych w temperaturze 900 do 1100 C w piecach szybowych. W tych warunkach następuje nie tylko rozkład węglanu wapniowego, ale również zachodzą reakcje, w wyniku, których powstają krzemiany, gliniany i żelaziany wapniowe, nadające spoiwu własności hydrauliczne. Produkt wypału jest mieszaniną zawierającą następujące składniki:

• tlenek wapniowy CaO

• krzemian dwuwapniowy 2CaOSiO₂

• glinian trójwapniowy 3Ca
  Al₂O₃

• żelazian dwuwapniowy 2CaO
  Fe₂O₃

Po wypaleniu wapno hydrauliczne gasi się niewielką ilością wody, aby tlenek wapniowy przeszedł w wodorotlenek, a krzemiany, gliniany i żelaziany wapniowe nie uległy uwodnieniu.

5. MECHANIZM WIĄZANIA I TWARDNIENIA WAPNA BUDOWLANEGO.

Przez wymieszanie ciasta wapiennego z wodą i piaskiem w określonym

stosunku ilościowym otrzymuje się zaprawę wapienną.

Wiązanie i twardnienie zaprawy jest spowodowane następującymi procesami:

• odparowaniem wody powodującym krystalizację wodorotlenku wapniowego
  z przesyconego roztworu

• procesem karbonizacji, tzn. reakcją wodorotlenku wapniowego z dwutlenkiem węgla, w wyniku której powstaje węglan wapniowy i woda

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

Proces wiązania zaprawy przebiega w ciągu kilku godzin od jej wykonania, natomiast twardnienie jest procesem powolnym, zachodzącym w ciągu długiego okresu czasu. Powstające kryształy Ca(OH)₂ i CaCO₃ rozrastają się i łączą między sobą, powodując twardnienie zaprawy. Twardość i wytrzymałość zaprawy zależy nie tylko od stopnia jej karbonizacji, a ponadto zapobiega pękaniu zaprawy, która w wyniku zachodzących przemian zmniejsza swą objętość.

Sztuczne przyspieszenie procesu karbonizacji przez zwiększenie ilości dwutlenku węgla w powietrzu obniża wytrzymałość zaprawy, gdyż powstające kryształy węglanu wapniowego są zbyt drobne.

6. PODSTAWOWE WIADOMOŚCI O MIARECZKOWANIU KOMPLE- KSJOMETRYCZNYM Z ZASTOSOWANIEM KOMPLEKSONU EDTA.

Metoda analizy miareczkowej polega na oznaczeniu składnika w roztworze badanym za pomocą roztworu odczynnika (titranta) o znanym stężeniu, czyli mianie, odmierzonego dokładnie za pomocą biurety. Dodawanie roztworu titranta z biurety
do naczynia z roztworem miareczkowym nazywamy miareczkowaniem.

EDTA - EtylenoDiaminoTetrAoctowy

HOOC - CH₂ CH₂ - COOH

N - CH₂ - CH₂ - N

HOOC - CH₂ CH₂ - COOH

Zawartość składnika oznaczonego w gramach wyznaczonego metodą miareczkową przy zastosowaniu znanego miana, otrzymuje się mnożąc liczbę mililitrów titranta zużytą na miareczkowanie przez miano titranta wyrażone w gramach oznaczonego składnika na jeden mililitr titranta.

7. OZNACZENIE ZAWARTOŚCI CaO I MgO W BADANYM MATERIALE.

Zasada oznaczenia polega na kompleksometrycznym oznaczeniu jonu wapnia Ca²⁺
w środowisku alkaicznym wobec kalcesu mianowanym roztworem EDTA.

Ca(OH)₂
Ca²⁺ + 2(OH)^-

Ca²⁺ + EDTA
EDTA Ca²⁺

10.1. Oznaczenie zawartości CaO

a) skrócony opis oznaczenia CaO:

• z otrzymanego do badania materiału odważyliśmy 1,000g (to nie jest żart)

• przenieśliśmy naszą próbkę do wysokiej zlewki za pomocą spryskiwacza

• próbkę rozpuściliśmy:

- dolaliśmy około 1 cm³ stężonego kwasu solnego HCl

- dodaliśmy 10 cm³ kwasu nadchlorowego HClO₄ i wymieszaliśmy

- odparowaliśmy kwasy stawiając zlewkę na kuchence elektrycznej

- ochłodziliśmy i dodaliśmy 100 cm³ podgrzanej wody

• zawartość przesączyliśmy do kolby miarowej (osad pozostały na sączku nas nie interesuje, ponieważ szukane związki są na pewno rozpuszczone w wodzie

• oznaczamy tlenek wapnia

- z kolby pobraliśmy 25 cm³ badanego roztworu

- dodaliśmy 75 cm³ wody destylowanej

- wkropiliśmy 20% NaOH (około 1 cm³)

- dodaliśmy około 2,6 cm³ trójetanoluaminy

- odmierzamy 20 cm³ 20% NaOH - otrzymujemy pH roztworu >12

- dodaliśmy szczyptę kalcesu aby uzyskać kolor fioletowy (kolor B1)

- miareczkujemy EDTA do zmiany zabarwienia z fioletowego na czysto niebieski dla trzech niezależnych próbek, za wynik przyjeliśmy średnią arytmetyczną z trzech miareczkowań (18cm³)

EDTA reaguje z kationem wapnia w stosunku 1:1 mola, czyli 1 cząsteczka EDTA jest zdolna do łączenia się z 1 cząsteczką kationu wapnia

b) obliczenie miana EDTA wyrażone w gramach CaO na 1 cm³

• Zawartość tlenku wapnia CaO

%CaO =
100%

m. - masa produktu badanego w gramach (1,000g)

W - liczba niemianowana (10)

K₁ - miano EDTA wyrażone w gramach tlenku wapnia na 1 cm³ tego roztworu

• Obliczanie miana EDTA

CaO + H₂O
Ca(OH)

1 l = 1000 cm³ - 0,05 mol EDTA

1 cm³ = 0,05:1000 mol CaO ≡ 0,00005 mola

masa atomowa Ca = 40,08 μ

masa atomowa O = 16,00 μ

mol - 40,08 g

0,00005 - x

x = 0,00005 ⋅ 40,08

x = 0,002004 g

masa cząsteczkowa 2CaO = 2(40,08 +16,00) = 112,16

2Ca + O₂ → 2CaO

80,16 g - 112,16

0,002004 - y

80,16 y = 0,0224769

y = 0,002804 g CaO

c) wynik miareczkowania i zawartość CaO

%CaO =
100%

%CaO =
100%

CaO = 88,606%

10.2. Oznaczenie zawartości MgO i weryfikacja oznaczenia CaO.

a) skrócony opis oznaczenia MgO

Oznaczamy tlenek magnezu:

- z kolby pobraliśmy 25 cm³ badanego roztworu

- dodaliśmy 175 cm³ wody destylowanej

- wkropiliśmy wodę amoniakalną aby otrzymać pH roztworu miedzy 3 - 6 (25 kropli)

- dodaliśmy około 2 cm³ trójetanoloaminy

- odmierzamy 20 cm³ wody amoniakalnej - otrzymujemy pH roztworu = 10

- dodaliśmy wskaźnika aby uzyskać kolor fioletowo-niebieski

- miareczkujemy EDTA do zmiany zabarwienia z fioletowo-niebieskiego na przeźroczysty dla trzech niezależnych próbek, za wynik przyjeliśmy średnią arytmetyczną z trzech miareczkowań wg wzoru:

V_Mg­ - V_Ca = V

20,30 - 18,00 = 2,333

b) obliczenie miana EDTA MgO na 1 cm³

1 l = 1000 cm³ - 0,05 mol EDTA

1 cm³ = 0,05:1000 mol MgO ≡ 0,00005 mola

masa atomowa Mg = 24,3 μ

masa atomowa O = 16,00 μ

mol - 24,3 g

0,00005 - x

x = 0,00005 ⋅ 24,3

x = 0,001215 g

masa cząsteczkowa 2MgO = 2(24,3 +16,00) = 80,6

2Mg + O₂ → 2MgO

48,6 g - 84,6

0,001215 - y

48,6 y = 0,059049

y = 0,001215 g MgO

c) wyniki miareczkowania i zawartość MgO

%MgO =
100%

%MgO =
100%

MgO = 2,866%

d) miareczkowanie weryfikacyjne - wyniki i wnioski

Nie zachodziła potrzeba miareczkowania weryfikacyjnego.

10.3. Ostateczne wyniki oznaczenia CaO i MgO

CaO = 51,033%

MgO = 2,866%

8. KLASYFIKACJA BADANEGO WAPNA BUDOWLANEGO. wg. PN - B 30020

Rodzaj odmiana i klasa wap.bud.		Zawartość
				CaO + MgO	MgO	CO2	SO3	Wap. czynnego
1	CL90	> 90	< 5	< 4	< 2	-
2	CL80	> 80	< 5	< 7	< 2	-
3	CL70	> 70	< 5	< 12	< 2	-
4	DL85	> 85	< 30	< 7	< 2	-
5	DL80	> 80	< 5	< 7	< 2	-
6	HL2	-	-	-	< 3	> 8
7	HL3,5	-	-	-	< 3	> 6
8	HL5	-	-	-	< 3	> 3

9. WYKAZ LITERATURY.

- L. Czarnecki, T. Broniewski, O. Henning „Chemia w budownictwie”

- Jerzy Liwski „Chemia budowlana”.

---