Uniwersytet Zielonogorski, Fiyzka(1)

Uniwersytet Zielonogórski

Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska

Instytut Budownictwa

Chemia budowlana

Ćwiczenia laboratoryjne

Ćw. Nr 2

TEMAT ĆWICZENIA: Spoiwa wapienne. Identyfikacja i klasyfikacja materiału związanego z spoiwami wapiennymi na podstawie oznaczenia zawartości tlenków wapnia i magnezu

Grupa dziekańska nr 12

Podgrupa B

Sławomir Klimek

ROK AKADEMICKI 2007 - 2008r.

Spis treści:

I. CZĘŚĆ OGÓLNA

1. Przedmiot badania.

2. Zadanie do wykonania

3. Cel ćwiczenia

3.1. Poznanie zasady chemicznej analizy miareczkowej kompleksometrycznej

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

3.3. Zapoznanie się z normą PN-EN 495-1

II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

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

5. Sposób i podstawowe reakcje chemiczne zachodzące podczas otrzymywania wapna

palonego

6. Gaszenie wapna palonego

6.1. Ciasto wapienne

6.2. Wapno hydratyzowane

7. Wapno hydrauliczne - otrzymywanie i skład

8. Mechanizm wiązania i twardnienia wapna budowlanego

9. Podstawowe wiadomości o miareczkowaniu kompleksometrycznym ze szczególnym

uwzględnieniem miareczkowania z zastosowaniem kompleksonu EDTA

III. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

10. Oznaczenie CaO i MgO w badanym materiale

10.1. Skrócony opis przygotowania roztworu badanego

10.2. Oznaczenie zwartości CaO

a. Skrócony opis oznaczenia

b. Obliczenie miana EDTA wyrażonego w gramach CaO na 1 cm3 titranta c. Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości CaO

10.3. Oznaczenie zawartości MgO i weryfikacja oznaczenia CaO

a. Skrócony opis oznaczenia

b. Obliczenie miana EDTA wyrażonego w gramach MgO na 1 cm3 titranta c. Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości MgO

d. Miareczkowanie weryfikacyjne - wyniki, obliczenia i wnioski

10.4. Ostateczne wyniki oznaczenia CaO i MgO

11. Identyfikacja i klasyfikacja badanego materiału

12. Wykaz literatury z której korzystano przy opracowaniu sprawozdania.

I. CZĘŚĆ OGÓLNA

1. Przedmiot badania:

Przedmiotem badań jest materiał (spoiwo, surowiec) związanych z technologia spoiw wapiennych.

2. Zadanie do wykonania:

Oznaczyć procentową /% wag./ zawartość tlenków CaO i MgO w badanym materiale. Zidentyfikować i sklasyfikować badany materiał (czy spoiwo wapienne, czy surowiec wyjściowy).

3. Cel ćwiczenia:

Podstawowe cele ćwiczenia to:

- Poznanie zasady chemicznej analizy miareczkowej kompleksometrycznej

- Poznanie podstawowych wiadomości z zakresu fizyko-chemii spoiw wapiennych,

- Zapoznanie się z normą PN-EN 495-1

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

4. Surowce używane do produkcji wapna budowlanego (spoiw wapiennych):

Głównym surowcem do otrzymywania wapna budowlanego jest kamień wapienny CaCO₃, dolomity CaCO₃ Y MgCO₃ lub z margla wapiennego (wapienie zawierające ił).

Są one powszechnie występującą naturalną kopaliną, zawierającą w swoim składzie głównie węglan wapnia.

5 Sposób i podstawowe reakcje chemiczne zachodzące podczas otrzymywania wapna palonego:

Wapno palone powstaje w wyniku reakcji wypalania kamienia wapiennego (CaCO₃), z dolomitu CaCO₃ Y MgCO₃ lub z margla wapiennego w piecach szybowych lub obrotowych w temperaturze 900 - 1300°C. Podczas wypalania zostaje wydalony dwutlenek węgla CO₂ i pozostaje wapno palone CaO. Proces ten zachodzi wg reakcji:

CaCO₃ CaO + CO₂

W czasie wypalania wapienia temperatura nie może być zbyt wysoka, ponieważ może wystąpić proces powlekania (oblepiania) ziarenek wapna palonego nieprzepuszczalnymi dla wody stopionymi tlenkami zanieczyszczeń. Najczęściej tymi zanieczyszczeniami są: krzemionka, tlenki żelaza, tlenki glinu lub węglan magnezu.

Zbyt wysoka temperatura wypalania daje nam tzw. wapno martwe, nie podatne na proces gaszenia.

6 Gaszenie wapna palonego:

Proces gaszenia można przeprowadzić na dwa sposoby

przy nadmiarze wody uzyskuje się wapno gaszone na mokro- lasowanie
przez gaszenie wapna stechiometryczną ilością wody konieczną do przebiegu reakcji otrzymuje się wapno hydratyzowane (gaszenie na sucho)

Proces gaszenia jest reakcją egzotermiczną, wydzielają się duże ilości ciepła, temp wzrasta do 100 stopni. wzrasta objętość prawie dwukrotnie. Wapno jest bardzo żrące oraz silnie zagrzewa się w czasie reakcji chemicznej z wodą i wilgocią.

Proces gaszenia "na mokro" (dla wcześniej rozkruszonych brył) powinien trwać minimum 2 tygodnie dla wapna służącego przy wykonywaniu prac murarskich i minimum 2 miesiące dla wapna używanego do wykonywania prac tynkarskich. Jednak w ten sposób gaszono dawniej raczej większe bryły wapna, proces ten przeprowadzano nawet na rok przed planowanym użyciem materiału. W wyniku procesu gaszenia otrzymywany jest wodorotlenek wapniowy. Dodatkowym produktem otrzymywanym przy tej procedurze jest mleko wapienne.

6.1 ciasto wapienne - plastyczna masa otrzymywana z wapna gaszonego. Powinna mieć kolor biały z odcieniem szarego, aż do szarego. Jeśli ma kolor brązowy, to znak, że proces gaszenia przebiegał przy użyciu za małej ilości wody. Wapno zostało "spalone" podczas procesu gaszenia i nie nadaje zaprawie lepkości. Przechowywane w dołach pod cienką warstwą piasku, który chroni wapno przed wysychaniem. Wapno gaszone można było przechowywać w ten sposób nawet wiele lat.

6.2 wapno hydratyzowane (sucho gaszone) - wapno hydratyzowane to suchy proszek (wodorotlenek wapnia), który otrzymuje się metodą przemysłową przez gaszenie wapna palonego małą ilością wody (ok. 25%), gotowy do użycia przy przygotowywaniu zapraw wapiennych i cementowo-wapiennych. Zaleca się gaszenie wapna hydratyzownego na 24 godziny przed użyciem do murowania i tynkowania.

7 Wapno hydrauliczne - otrzymywanie i skład:

Wapno hydrauliczne, spoiwo hydrauliczne o barwie szarej lub żółtawej otrzymywane przez wypalenie w temperaturze od 900 do 1100 °C (w piecach szybowych) margli lub wapieni marglistych zawierających od 6 do 20% domieszek gliniastych lub wapieni krzemiankowych, 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.

Podczas wypału orzymuję się:

tlenek wapniowy CaO,
krzemian dwuwapniowy 2CaOSiO₂,
glinian trójwapniowy 3Ca x Al₂O₃,
żelazian dwuwapniowy 2CaOxFe2O₃.

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:

Mechanizm wiązania i twardnienia spoiwa wapiennego możemy podzielić na dwa etapy:

etap I to czas, w którym zachodzi proces wiązania i krzepnięcia spoiwa (kilka godzin)
etap II to okres twardnienia spoiwa (trwa do kilku lat)

Powyższe procesy polegają na odparowaniu wody przy równoczesnej reakcji

wodorotlenku wapnia z dwutlenkiem węgla znajdującym się w powietrzu:

Ca(OH)₂ + CO₂ CaCO₃ + H₂O

Proces krystalizacji i wzrostu kryształów węglanu wapnia prowadzi do powstania dużych wzajemnie poprzerastanych kryształów tworzących szkielet, od którego zależy stwardnienie spoiwa.
Wiązanie zapraw wapiennych w pomieszczeniach zamkniętych można przyśpieszyć przez spalanie koksu (wzrost temperatury i wzrost stężenia CO₂ w powietrzu).
Piasek jest biernym pod względem chemicznym składnikiem (nie bierze udziału w procesie wiązania), jednakże ułatwia penetrację
CO₂ z powietrzem w głąb zaprawy, przyspieszając w ten sposób tworzenie się CaCO₃.
Spoiwo wapienne ulega stwardnieniu tylko na powietrzu. Tak otrzymane spoiwo z czasem ulega osłabieniu w wyniku reakcji chemicznej:

CaCO₃ + CO₂ + H₂ Ca(HCO₃)₂

Z przebiegu reakcji widzimy, że z czasem w wyniku oddziaływania wody
i dwutlenku węgla z powietrza, nierozpuszczalny CaCO₃ przekształca się
w rozpuszczalny Ca(HCO₃)₂. Z twardej zaprawy zostaje więc wypłukany najbardziej istotny składnik - węglan wapnia.

9. Podstawowe wiadomości o miareczkowaniu kompleksometrycznym
z zastosowaniem kompleksonu EDTA:

Analiza objętościowa (miareczkowa) polega na dodawaniu równoważnej ilości roztworu odczynnika miareczkującego (titranta, w naszym przypadku EDTA) o dokładnie znanym stężeniu i dokładnym pomiarze jego objętości. W analizie objętościowej mogą znaleźć zastosowanie tylko takie reakcje, które spełniają następujące warunki:

reakcja zachodzi szybko, nawet po dodaniu małej porcji odczynnika miareczkującego,
reakcja przebiega stechiometrycznie tzn. ściśle wg jednego równania reakcji,
istnieje możliwość zaobserwowania końca miareczkowania,

Czynnikami warunkującymi dokładność analizy są:

dokładny pomiar objętości dodawanego EDTA,
dokładne określenie stężenia titranta,
zdolność uchwycenia punktu końcowego tzn. momentu, gdy kończymy miareczkowanie wskutek wyraźnej zmiany barwy roztworu, który miareczkujemy.

kompleksometria - polega ona na reakcjach oznaczanego jonu z odczynnikiem organicznym o właściwościach kompleksujących (zwanym ligandem) i powstawaniu związku kompleksowego. Najczęściej stosowanym kompleksonem jest komplekson III tzn. sól disodowa kwasu etylenodiaminotetraoctowego (EDTA).

Podstawowe czynności w analizie objętościowej:

pobieranie średniej próbki,
odważanie próbki,
przeprowadzenie próbki do roztworu,
przygotowanie roztworu titranta,
przeprowadzenie miareczkowania,
obliczanie wyników.

CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA:

10. Oznaczenie CaO i MgO w badanym materiale:

10.1 Skrócony opis przygotowania roztworu badanego:

- z otrzymanego do badania materiału (biało-szary proszek) odważyliśmy 0,90g

- przenieśliśmy materiał do zlewki

- proszek zwilżyliśmy wodą destylowaną

- następnie materiał został rozpuszczony w:

- około 1cm³ kwasu solnego HCl o stęż. 1,19
- około 5cm³ kwasu nadchlorowego HClO4

- wszystko zostało wymieszane

- roztwór został podgrzany tak by odparowały kwasy

- po odparowaniu i ochłodzeniu substancję zalaliśmy 150cm³ wody

- następnie całość została przesączona do kolby (osad który pozostał na sączku nie był brany do badań, ponieważ szukane związki rozpuszczone były w wodzie).

10.2 Oznaczenie zwartości CaO:

Skrócony opis oznaczenia:

- z wcześniej przygotowanego materiału do badań (z kolby) pobraliśmy próbkę 25cm³ roztworu

- próbkę umieściliśmy w zlewce

- następnie dolaliśmy około 75cm³ wody destylowanej

- z kroplomierza dodaliśmy pięć kropel 20% KOH aby uzyskać pH 5

- dodaliśmy około 2,5cm³ trójetanoloaminy

- wlaliśmy około 20cm³ 20% KOH

- podczas mieszania dosypywaliśmy wskaźnik kalces do uzyskania barwy I - malinowo-fioletowej

- miareczkujemy tzn. powoli przy jednoczesnym mieszaniu dolewaliśmy EDTA do uzyskania barwy II - czysto niebieskiej, z przygotowanych trzech próbek wszystkie wskazały jednakowy wynik V₁= 25,5 cm³

b) Obliczenie miana EDTA wyrażonego w gramach CaO na 1 cm³ titranta:

1cm³wodnego roztworu EDTA o stężeniu 0,05 m odpowiada K₁gCaO

1cm³. 0,05 moli EDTA - 0,05/1000 moli EDTA
w 1cm³. EDTA jest 6,022*10²³*0,00005
1cm³. 0,05 moli EDTA - 0,00005 moli Ca²⁺

CaO + H₂O Ca(OH) Ca²⁺ + 2(OH)^-

1cm³ w roz. 0,05 m EDTA - 0,00005 mola CaO*M = K₁

masa atomowa Ca = 40,08u
masa atomowa O = 16,00 u

masa 1 mola CaO = M = 56,08u

K₁ = 0,00005*56,08 = 0,0028 g

Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości CaO:

%_CaO= (V₁*K₁*W)/m*100

V₁ - średni wynik miareczkowania (26);
W - współczynnik przeliczeniowy (10);
K₁ - miano EDTA (0,0028);
m - masa próbki wziętej do badania (1 g);

%_CaO= (25,5*0,0028*10)/1*100 = 71,4 %

Odp: W badanej próbce procentowa zawartość CaO wynosi 72,8%.

10.3 Oznaczenie zawartości MgO i weryfikacja oznaczenia CaO:

Skrócony opis oznaczenia:

- z wcześniej przygotowanego materiału do badań (z kolby) pobraliśmy próbkę 25cm³ roztworu

- próbkę umieściliśmy w zlewce

- następnie dolaliśmy około 75cm³ wody destylowanej

- kroplomierzem dodaliśmy trzy krople roztworu wodnego amoniaku (wody amoniakalnej) 1:1 aby zobojętnić próbkę

- dodaliśmy około 2,5cm³ trójetanoloaminy

- wlaliśmy około 25cm³ roztworu wodnego amoniaku 1:1

- podczas mieszania dodaliśmy wskaźnik, indykator aby uzyskać barwę I niebiesko-fioletową

- miareczkujemy tzn. powoli przy jednoczesnym mieszaniu dolewaliśmy EDTA do zaniku barwy II, z przygotowanych trzech próbek uzyskaliśmy jednakowy wynik V₂ = 26,3cm³

Obliczenie miana EDTA wyrażone w gramach MgO na 1 cm³titranta:

1cm³. 0,05 moli EDTA - 0,05/1000 moli EDTA
w 1cm³. EDTA jest 6,022*10²³*0,00005
1cm³. 0,05 moli EDTA - 0,00005 moli Mg²⁺

MgO + H₂O Mg(OH) Mg²⁺ + 2(OH)^-

1cm³ w roz. 0,05 m EDTA - 0,00005 mola MgO*M = K₂

masa atomowa Mg = 24,3u
masa atomowa O = 16,00 u

masa 1 mola MgO = M = 40,3u

K₂ = 0,00005*40,3 = 0,002015 g

Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości MgO:

%_Mg_O= (V₁*K₁*W)/m*100

V - średni wynik miareczkowania (V= V₂-V₁ = 26,3-25,5= 0,8cm³);
W - współczynnik przeliczeniowy (10);
K₂ - miano EDTA (0,0033);
m - masa próbki wziętej do badania (1 g);

%_Mg_O= (0,8*0,0020*10)/1*100 = 1,6 %

Odp: W badanej próbce procentowa zawartość MgO wynosi 1,6 %.

Miareczkowanie weryfikacyjne - wyniki, obliczenia i wnioski:

W badanej próbce procentowa zawartość CaO wynosi 71,4%,a MgO = 1,6%.

Jak wiemy głównym składnikiem wapna budowlanego wapiennego jest węglan wapnia, ale spoiwo wapienne posiada również domieszki: węglanu magnezu, glinu, piasku i substancji organicznych, stąd w naszej próbce wykryto MgO w zawartości procentowej 1,6 %.

10.4 Ostateczne wyniki oznaczenia CaO i MgO:

W badanym materiale wykryto 71,4 % CaO oraz wykryto MgO w zawartości procentowej 1,6 %.

11 Identyfikacja i klasyfikacja badanego materiału:

Suma zawartości MgO i CaO w badanej próbce materiału wyniosła więcej niż 70% co oznacza, że otrzymanym do badania materiałem było wapno wapniowe CL70. Wykryte niewielkie zawartości tlenku magnezu wynikają z dodawanych domieszek w postaci węglanu wapnia, jednakże ich zawartość procentowa jest mniejsza od 5%, według Normy PN-EN 458-1 jest dopuszczalna, zaliczana do wapna CL70.

12 Wykaz literatury, z której korzystano przy opracowaniu sprawozdania:

a) Literatura:

Jerzy Liwski „Chemia budowlana”,

b) Internet:

http://solidnydom.pl/technika/135_wapna_budowlane.htm

http://pl.wikipedia.org/wiki/Wapno_(spoiwo)

http://www.vmc.org.pl/

c) Norma PN-EN 458-1