UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA

INSTYTUT BUDOWNICTWA

• CHEMIA BUDOWLANA

Ćwiczenia Laboratoryjne

Ćwiczenie nr 2

SPOIWA WAPIENNE - IDENTYFIKACJA MATERIAŁU NA PODSTAWIE OZNACZENIA ZAWARTOŚCI TLENKU WAPNIA I TLENKU MAGNEZU

GRUPA LABOLATORYJNA 14

PODGRUPA A

ZESPÓŁ 36

ROK AKADEMICKI 2010/2011

• Spis treści:

• I. CZĘŚĆ OGÓLNA 3

1. Przedmiot badania 3

2. Zadanie do wykonania 3

3. Cel ćwiczenia 3

• II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA 3

4. Surowce używane do otrzymywania wapna budowlanego

/spoiw wapiennych/ 3

5. Sposób i podstawowe reakcje chemiczne zachodzące podczas otrzymywania wapna palonego 3

6. Gaszenie wapna palonego 4

6.1 Ciasto wapienne 4

6.2 Wapno hydratyzowane 4

7. Wapno hydrauliczne. Otrzymywanie i skład 4

8. Mechanizm wiązania i twardnienia wapna budowlanego 5

9. Podstawowe wiadomości o miareczkowaniu kompleksometrycznym z szczególnym uwzględnieniem miareczkowania z zastosowaniem kompleksonu EDTA 5

• III. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 6

10. Oznaczenie zawartości CaO i MgO w badanym materiale 6

10.1 Skrócony opis przygotowania roztworu badanego /analitu/ 6

10.2 Oznaczenie zawartości CaO 6

a) Skrócony opis oznaczenia 6

b) Obliczanie miana EDTA wyrażonego w gramach CaO na 1cm³ titranta 7

c) Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości CaO 8

10.3 Obliczanie zawartości MgO i weryfikacja oznaczenia CaO 8

a) Skrócony opis oznaczenia 8

b) Obliczenie miana EDTA wyrażonego w gramach MgO na 1cm³ titranta 8

c) Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości MgO 9

d) Miareczkowanie weryfikacyjne-wyniki, obliczenia i wnioski 9

10.4 Ostateczne wyniki oznaczenia CaO i MgO 9

11. Identyfikacja i klasyfikacja badanego materiału 87

11.1 Obliczanie CaO w wybranych surowcach wapiennych 76

11.2 Wymagania stawiane dla wapna budowlanego odnośnie zawartości CaO i MgO przez normę PE-EN 459-1:2003 87

12. Wykaz literatury z której korzystano przy opracowaniu sprawozdania 87

I. CZĘŚĆ OGÓLNA

1. Przedmiot badania.

1. Przedmiotem badania jest materiał (surowiec, spoiwo) związane z technologią spoiw wapiennych.

2. Zadanie do wykonania.

1. Oznaczenie procentowej (% wag.) zawartości tlenków CaO i MgO w badanym materiale.

2. Zidentyfikowanie i sklasyfikowanie badanego materiału.

3. Cel ćwiczenia.

1. Poznanie zasady chemicznej analizy miareczkowej kompleksometrycznej.

2. Poznanie podstawowych wiadomości z zakresu fizyko-chemii spoiw wapiennych.

3. Zapoznanie się z normą PN-EN 459-1:2003 „Wapno budowlane. Cz. 1 Wymagania”.

• II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

4. Surowce używane do otrzymywania wapna budowlanego /spoiw wapiennych/.

Surowcem wykorzystywanym 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 zachodzące 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.

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.

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 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 Skrócony opis przygotowania roztworu badanego /analitu/

Odważenie od 0,8-1g badanego materiału i umieszczenie go w zlewce o pojemności min. 600 cm³

Zwilżenie próbki woda destylowana w celu przyklejenia próbki do dna naczynia

Do zlewki dodać około 1cm³ HCl

Do zlewki dodać około 5cm³ HClO₄

Zlewkę ogrzewać do odparowania nadmiaru wody

Zlewkę ochłodzić i dodać 100cm³ ciepłej wody

Dobrze wymieszać i doprowadzić do pierwszych objawów wrzenia

Przesączyć przez miękki sączek do kolby o pojemności 250cm³

Przemywać zlewkę i przesączać przez sączek aż do wypełnienia się kolby do 0,5 cm poniżej kreski kalibracyjnej.

10.2 Oznaczenie zawartości CaO

a) skrócony opis oznaczenia CaO: TU

Z otrzymanego do badania materiału odważyliśmy 0,805 g , 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 100 cm³ wody destylowanej

- wkropiliśmy 20% NaOH (około 1 cm³)

- dodaliśmy około 2,5 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 przyjęliśmy średnią arytmetyczną z trzech miareczkowań (18 cm³)

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 

masa atomowa O = 16,00 

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 = [ (18*0,002804*10)/:0,805 ]*100%

CaO = 62,69%

10.3. 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 około 10

- dodaliśmy wskaźnika, aby uzyskać kolor fioletowoniebieski

- miareczkujemy EDTA do zmiany zabarwienia z fioletowoniebieskiego na różowy dla trzech niezależnych próbek, za wynik przyjęliśmy średnią arytmetyczną z trzech miareczkowań wg wzoru:

V_Mg­ - V_Ca = V

18 - 18 = 0

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 

masa atomowa O = 16,00 

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 - 80,6

0,001215 - y

48,6 y = 0,059049

y = 0,002015 g MgO

c) wyniki miareczkowania i zawartość MgO

%MgO =
100%

%MgO = [ (0*0,002015*10)/:0.805 ]/*100%

MgO = 0%

d) miareczkowanie weryfikacyjne - wyniki, obliczenia i wnioski

Nie zachodziła potrzeba miareczkowania weryfikacyjnego.

10.4. Ostateczne wyniki oznaczenia CaO i MgO.

CaO = 62,69 %

MgO = 0 %

11. Identyfikacja i klasyfikacja badanego materiału.

11.1 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 - 40

masa atomowa C - 12

masa atomowa O - 16

masa atomowa CaO = 40 + 16 = 56

masa atomowa CaCO₃ = 40 + 12 + 16 * 3 = 100

x - zawartość CaO w węglanie wapniowym CaCO₃

Rozwiązanie:

100 = 100g

56 = 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%

11.2 Wymagania stawiane dla wapna budowlanego odnośnie zawartości CaO i MgO przez normę PN-EN 495-1:2003.

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

12. Wykaz literatury.

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

• Jerzy Liwski „Chemia budowlana”.

• Norma PN-EN 495-1:2003

---