WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA
Ćwiczenia laboratoryjne
Ćwiczenie nr 2
Spoiwa wapienne. Identyfikacja i klasyfikacja materiału związanego spoiwami wapiennymi na podstawie oznaczenia zawartości tlenków CaO i MgO.
GRUPA DZIEKAŃSKA 12
PODGRUPA A
ZESPÓŁ LABORATORYJNY 83
Paweł Omiatacz
Dariusz Mateusz Szuchalski
ROK AKADEMICKI 2011/2012
I CZĘŚĆ OGÓLNA
1. Przedmiot badania:
Przedmiotem badania jest materiał (surowiec, spoiwo) związane z technologią spoiw wapiennych.
2. Zadanie do wykonania:
Oznaczenie procentowej (% wag.) zawartości tlenków CaO i MgO w badanym materiale.
Zidentyfikowanie i sklasyfikowanie badanego materiału.
3. Cel ćwiczenia:
Poznanie zasady chemicznej analizy miareczkowej kompleksometrycznej.
Poznanie podstawowych wiadomości z zakresu fizyko-chemii spoiw wapiennych.
Zapoznanie się z normą PN-EN 459-1:2003 „Wapno budowlane. Cz. 1 Wymagania”.
II CZĘŚĆ TEORETYCZNA
4. Surowce używane do produkcji wapna budowlanego (spoiw wapiennych)
Surowcem do produkcji spoiw wapiennych są skały wapienne. Oprócz węglanu wapniowego, który jest ich głównym składnikiem, zawierają one zwykle domieszki węglanu magnezu i glinu. Surowcem najbardziej wartościowym są wapienie, zawierające niewielką ilość domieszek gliniastych. Domieszki gliny pogarszają własności produktu wypału, utrudniając proces gaszenia.
5. Sposób i podstawowe reakcje chemiczne wychodzące podczas otrzymywania wapna palonego.
Wypalanie wapna.
Proces wypalania wapienia polega na reakcji odwracalnej termicznego rozkładu węglanu wapniowego:
CaCO3 CaO + CO2
Do procesu wypalania wapna potrzebna jest temperatura 898ºC. 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 1100ºC. 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.
6. Gaszenie wapna palonego.
Gaszeniem nazywamy reakcję hydratacji wapna, w wyniku, której powstaje wodorotlenek wapniowy. Reakcja ta zachodzi zgodnie z równaniem:
CaO + H2O Ca(OH)2 + 15,5kcal
i jest silnie egzotermiczna. Temperatura układu wzrasta i znaczna część wody ulega odparowaniu. W zależności od ilości wody, możemy otrzymać produkty o różnych własnościach:
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.
Wapno hydratyzowane - zwane również suchogaszonym, jest produktem otrzymywanym przez gaszenie wapna palonego - możliwie najmniejszą ilością wody, niezbędną do wytworzenia wodorotlenku wapniowego.
7. Wapno hydrauliczne – otrzymywanie i skład.
Spoiwo hydrauliczne, jest to spoiwo posiadające możliwość wiązania i twardnienia zarówno na powietrzu jak i również w środowisku wodnym. Otrzymuje się je przez wypalanie wapieni marglistych zawierających od 6 do 20% domieszek gliniastych w temperaturze 900 do 1100ºC 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.
8. Mechanizm wiązania i twardnienia wapna budowlanego.
Przez wymieszanie ciasta wapiennego z wodą i piaskiem w określonym stosunku ilościowym otrzymuje się zaprawę wapienną. Jej wiązanie i twardnienie 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.
9. Podstawowe wiadomości o miareczkowaniu kompleksometrycznym ze szczególnym uwzględnieniem miareczkowania 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.
III CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
10. Oznaczenie 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+
Skrócony opis przygotowania roztworu badanego (analitu)
z otrzymanego do badania materiału odważyliśmy ,
przenieśliśmy próbkę do wysokiej zlewki za pomocą spryskiwacza,
próbkę rozpuściliśmy:
dolaliśmy około 1 cm3 stężonego kwasu solnego HCl,
dolaliśmy 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).
Oznaczenie zawartości CaO
a) skrócony opis oznaczenia
z kolby pobraliśmy 25 cm3 badanego roztworu,
dodaliśmy 175 cm3 wody destylowanej,
wkropiliśmy 20% NaOH (około 1 cm3),
dodaliśmy około 2,6 cm3 trójetanoluaminy,
odmierzyliśmy 20 cm3 20% NaOH i otrzymaliśmy pH roztworu > 12,
dodaliśmy szczyptę kalcesu aby uzyskać kolor fioletowy,
miareczkowaliśmy EDTA do zmiany zabarwienia z fioletowego na czysto niebieski dla trzech niezależnych próbek, za wynik przyjęliśmy średnią arytmetyczną z trzech miareczkowań (17,1cm3)
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 titranta
CaO + H2O Ca(OH)
= 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 –
0,00005 – x
x = 0,00005 ⋅ 56,08
x =
c) wynik miareczkowania i obliczenie zawartości CaO
%CaO = 100%
m. – masa produktu badanego w gramach ()
W – liczba niemianowana (12,63)
K1 – miano EDTA wyrażone w gramach tlenku wapnia na 1 cm3 tego roztworu
%CaO = 100%
CaO = 73,485%
Oznaczenie zawartości MgO i weryfikacja oznaczenia CaO
a) Skrócony opis oznaczenia
z kolby pobraliśmy 25 cm3 badanego roztworu
dodaliśmy 175 cm3 wody destylowanej
wkropiliśmy wodę amoniakalną aby otrzymać pH roztworu miedzy 3 - 6 (10 kropli)
dodaliśmy około 2 cm3 trójetanoloaminy
odmierzyliśmy 20 cm3 wody amoniakalnej – otrzymałam pH roztworu = 10
dodaliśmy wskaźnika aby uzyskać kolor fioletowo-niebieski
miareczkowaliśmy EDTA do zmiany zabarwienia z fioletowo-niebieskiego na przeźroczysty dla trzech niezależnych próbek, za wynik przyjęliśmy średnią arytmetyczną z trzech miareczkowań wg wzoru:
VMg – VCa = V
20 cm3 – 16,6 cm3 = 3,4 cm3
b) obliczenie miana EDTA MgO na 1 cm3 titranta
= 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 –
0,00005 – x
x = 0,00005 ⋅ 40,3
x =
c) wyniki miareczkowania i zawartość MgO
%MgO = 100%
%MgO = 100%
MgO = 8,653%
d) miareczkowanie weryfikacyjne – wyniki i wnioski
Nie zachodziła potrzeba miareczkowania weryfikacyjnego.
Ostateczne wyniki oznaczenia CaO i MgO
CaO = 73,485%
MgO = 8,653%
11. Identyfikacja i klasyfikacja badanego materiału.
Badany materiał nie spełnia normy PN-EN 459-1:2003.
Obliczenia zawartości CaO w wybranych surowcach wapiennych
1. Oblicz zawartość CaO w 100% czystości węglanie wapniowym CaCO3, wiedząc, że w trakcie wypalania ulega on rozkładowi wg równania:
CaCO3 = CaO + CO2
Dane:
masa atomowa Ca – 40µ
masa atomowa C – 12µ
masa atomowa O - 16µ
masa atomowa CaO = 40µ + 12µ = 56µ
masa atomowa CaCO3 = 40µ + 12µ + 16µ * 3 = 100µ
x – zawartość CaO w węglanie wapniowym CaCO3
Rozwiązanie:
100µ = 100g
56µ = 56g
100% - 100g
x % - 56g
x = =56%
Odp. Zawartość CaO w 100% węglanie wapniowym CaCO3 wynosi 56%.
2. Oblicz zawartość CaO w kamieniu wapiennym, który zawiera:
a) CaCO3 - 95,5%
Dane (w oparciu o zadanie 1):
100g CaCO3 (100%) zawiera 56g CaO
X – zawartość CaO w 95,5% CaCO3
Rozwiązanie:
100% – 56%
95,5% - x
x = =53,48%
Odp. Zawartość CaO w 95,5% węglanie wapniowym CaCO3 wynosi 53,48%
b) CaCO3 - 62,9%
x- zawartość CaO w 62,9% CaCO3
Rozwiązanie:
100% – 56%
62,9% - x
x = =35,22%
Odp. Zawartość CaO w 62,9% węglanie wapniowym CaCO3 wynosi 35,22%
Wymagania stawiane dla wapna budowlanego odnośnie zawartości CaO i MgO przez normę PN-EN 459-1:2003
| Rodzaj odmiana i klasa wap.bud. | Zawartość |
|---|---|
| CaO + MgO | |
| 1 | CL90 |
| 2 | CL80 |
| 3 | CL70 |
| 4 | DL85 |
| 5 | DL80 |
| 6 | HL2 |
| 7 | HL3,5 |
| 8 | HL5 |
12. Wykaz literatury.
L. Czarnecki, T. Broniewski, O. Henning „Chemia w budownictwie”
Jerzy Liwski „Chemia budowlana”.
norma PN-EN 495-1:2003