UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA

INSTYTUT BUDOWNICTWA

• CHEMIA BUDOWLANA

Ćwiczenia Laboratoryjne

Ćwiczenie nr 1

SPOIWA GIPSOWE - IDENTYFIKACJA GIPSOWEGO MATERIAŁU BUDOWLANEGO NA PODSTAWIE OZNACZENIA RODZAJU SIARCZANU WAPNIOWEGO

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. Stosowana metoda oznaczenia (analiza wagowa) 3

5. Podział i otrzymywanie spoiw gipsowych 4

6. Definicje wybranych pojęć i praw chemicznych 6

• III. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 9

7. Reakcje dehydratacji 9

8. Obliczenie teoretycznej zawartości wody krystalizacyjnej 9

9. Dane doświadczalne i obliczenia 10

10. Wnioski 11

I. CZĘŚĆ OGÓLNA

1. Przedmiot badania.

Przedmiotem badań zespołu jest spoiwo gipsowe ( siarczanowe ), czyli proszek o barwie szaro-białej.

2. Zadanie do wykonania.

Zadaniem zespołu jest identyfikacja rodzaju siarczanu wapnia spośród: półhydratu ( 2CaSO₄*H₂O ) oraz minerałów : anhydrytu ( CaSO₄ ) i dwuhydratu ( CaSO₄*2H₂O )

3. Cel ćwiczenia.

1. Poznanie i praktyczne wykorzystanie podstawowych wybranych pojęć i definicji z chemii ogólnej, związanych z masą i licznością materii.

1. Poznanie reguł chemicznej analizy wagowej.

2. Zapamiętanie podstaw fizyczno-chemicznej technologii spoiw gipsowych.

• II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1. Stosowana metoda oznaczenia (analiza wagowa).

• analiza ilościowa ( grawimetria )

• analiza jakościowa

W doświadczeniu zespół opiera się na zasadach analizy wagowej.

Analiza wagowa jest to chemiczna, ilościowa technika analityczna, polegająca na określeniu masy oznaczanej substancji po przeprowadzeniu w trudno rozpuszczalny związek chemiczny. Ilościowe oznaczenie realizuje się poprzez usunięcie oznaczanego składnika z próbki ( H₂O ) w trakcie ogrzewania lub prażenia ( tak jak w naszym przypadku ), wydzielanie składnika w formie trudno rozpuszczalnego związku lub wydzielanie pierwiastka chemicznego z analizowanej próbki w wyniku reakcji elektrodowej.

Usuwanie oznaczanego składnika z próbki polega na jego ulatnianiu się z analizowanej odważki w podwyższonej temperaturze lub w wyniku przeprowadzonej jednocześnie z ogrzewaniem reakcji chemicznej. W obu przypadkach masę oznaczanego składnika uzyskuje się w dwóch ważeniach. Określa się w ten sposób masę próbki i pozostałość.

Oznaczenia wagowe stosuje się dla tzw. makroskładników, czyli składników występujących w próbce w większych ilościach.

4. Podział i otrzymywanie spoiw gipsowych.

1. Spoiwa gipsowe półwodne ( właściwe )

Są one otrzymywane przez niskotemperaturową obróbkę cieplną ( prażenie ) gipsu surowego, w wyniku której gips częściowo traci wodę krystalizacyjną i przeobraża się w gips półwodny ( anhydryt ) wg reakcji:

2CaSo₄ * 2H₂O → 2CaSO₄ * H₂O + 3H₂O

dwuhydrat ( gips surowy ) półhydrat ( gips półwodny )

Głównym składnikiem tej grupy spoiw jest gips półwodny ( stąd pochodzi ich nazwa ).

Podział spoiw gipsowych półwodnych ( wg zastosowania ):

1) spoiwa wykorzystywane w budownictwie

- gips budowlany zwykły;

- gips budowlany specjalny;

2) gips ceramiczny

3) gips do celów medycznych

- gips dentystyczny;

- gips chirurgiczny;

4) gips autoklawizowany

2. Spoiwa gipsowe bezwodne

Dominującym składnikiem tych spoiw jest bezwodny siarczan wapnia (CaSO₄), czyli Anhydryt II. Nie wykazuje on właściwości wiążących, staje się spoiwem dopiero po zaktywizowaniu pewnymi związkami, zwanymi aktywatorami.

Spoiwa gipsowych bezwodnych :

1) spoiwa anhydrytowe ( właściwe )

Otrzymujemy je na dwa sposoby:

• Pierwszy polega na obróbce cieplnej skał gipsowych w temp. 600-700^oC, która prowadzi do całkowitej dehydratacji gipsu i jego przeobrażenia w anhydryt.

CaSO₄ * 2H₂O → CaSO₄ * 2H₂O

Tak otrzymany anhydryt ma wiele wspólnego z aktywatorem.

• Drugi sposób polega na przeróbce anhydrytu naturalnego ( skały anhydrytowej ) składającej się z czynności:

• wydobycie anhydrytu

• wstępne rozdrobnienie

• wysuszenie

• zmielenie wspólnie z aktywatorem.

2) Estrichgips ( gips jastrychowy )

Otrzymuje się go przez prażenie gipsu surowego w temp. 850 - 1000^oC. Efektem prażenia jest anhydryt II i ok. 3% CaO powstającego w wyniku częściowego rozkładu CaSO₄ wg reakcji:

CaSO₄ → CaO + SO₂ + ½ O₂

Tlenek CaO spełnia rolę naturalnie powstającego aktywatora.

3) Spoiwa anhydrytowe specjalne - tzw. gipsy ałunowe

Otrzymuje się je przez dwukrotne wypalenie gipsu i nasycenie go po pierwszym wypaleniu w temperaturze 150-180 ^oC związkiem KAl(SO₄)₂ *12H₂O. Drugie wypalanie zachodzi się w temperaturze 500 - 800^oC, co prowadzi do powstania anhydrytu II.

6. Definicje wybranych pojęć i praw chemicznych.

• Liczba atomowa ( z ) - ( liczba porządkowa ) określa ile protonów znajduje się w jądrze danego atomu. Jest także równa liczbie elektronów wolnego atomu.

• Liczba masowa ( a ) - to wartość opisująca liczbę nukleonów w jądrze atomu danego pierwiastka.

• Nukleony - to wspólna nazwa protonów i neutronów. są to podstawowe cząstki tworzące jądro atomu.

• Izotopy - odmiany pierwiastków chemicznych, różniące się liczbą neutronów w jądrach, a tym samym i liczbą masową. Liczba protonów jest niezmienna.

• Elektrony - trwałe cząstki elementarne, będące jednymi z elementów atomu. Krążą one wokół nuklidu na powłokach elektronowych. Mają zazwyczaj ujemny ładunek.

• Jednostka masy atomowej ( u ) - czyli unit, jednostka masy używana przez chemików, która w przybliżeniu jest równa masie atomu wodoru, ale ze względów praktycznych została zdefiniowana jako 1/12 masy atomu węgla ¹²C.

m_u = 1 u ≈ 1.6605387313*10^-27 kg

• Masa atomowa - liczba określająca ile razy jeden reprezentatywny atom danego pierwiastka chemicznego jest cięższy od 1/12 izotopu ¹²c, przy czym pod pojęciem „reprezentatywnego atomu” rozumie się atom o średnim ciężarze wyliczony proporcjonalnie ze wszystkich stabilnych izotopów danego pierwiastka, ze względu na ich rozpowszechnienie na ziemi.

• Bezwzględna masa atomu - masa atomu wyrażona w gramach.

• Masa cząsteczkowa - liczba określająca, jaką wielokrotnością 1/12 ciężaru atomu węgla ¹²C jest masa danej cząsteczki. Masa jednej cząsteczki wyrażona w jednostkach masy atomowej ( u ).

• Mol - jest jednostką ilości materii. Współcześnie mol definiuje się jako liczbę atomów, jonów, cząsteczek, wolnych rodników, cząstek elementarnych lub grup atomów równą liczbie atomów zawartych w dokładnie 0,012kg ( 12g ) czystego nuklidu ¹²C. W tej ilości węgla znajduje się 6,023^.10²³ atomów węgla ¹² C liczba ta nazywana jest stałą avogadro.

• Masa molowa - jest to masa jednego mola materii. Jednostką masy molowej jest kg/mol.

• Pierwiastek chemiczny - podstawowe pojęcie chemiczne posiadające dwa znaczenia:

• zbiór wszystkich atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze;

• substancja chemiczna, która składa się wyłącznie z atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze;

• Związek chemiczny - jednorodne połączenie co najmniej dwóch różnych pierwiastków chemicznych za pomocą dowolnego wiązania.

• Cząsteczka, inaczej molekuła - obojętne elektrycznie indywiduum chemiczne, złożone z co najmniej dwóch atomów trwale połączonych wiązaniami chemicznymi.

• Roztwór - nierozdzielająca się w długich okresach czasu mieszanina dwóch lub więcej związków chemicznych. Skład roztworów określa się przez podanie stężenia składników. W roztworach zwykle jeden ze związków chemicznych jest nazywany rozpuszczalnikiem, a drugi substancją rozpuszczaną. Który z dwóch związków uznać za rozpuszczalnik, jest właściwie kwestią umowną, wynikającą z praktyki i tradycji.

• Równowaga reakcji chemicznych - stan, gdy reakcja w jedną i drugą stronę zachodzi z taką samą szybkością, więc stężenia reagentów nie zmieniają się w czasie.

• Stała równowagi - współczynnik opisujący stan równowagi odwracalnych reakcji chemicznych. Stała ta jest równa ilorazowi reakcji w stanie doskonałej równowagi, t.j. w sytuacji gdy szybkość reakcji w stronę od substratów do produktów i od produktów do substratów jest dokładnie taka sama.

• Zasada przekory - zasada z pogranicza nauk ścisłych i filozofii, i pochodzi prawdopodobnie z czasów, gdy obie były jedną dziedziną wiedzy."Każde zdarzenie wywołuje skutki, które działają przeciw zdarzeniu, które je wywołało."Zasada ta przydaje się do szybkiego, jakościowego określenia jaką reakcję wywoła dane zdarzenie.

• Wyrażanie stężeń roztworów - Cp=ms/mr

• Przesunięcie stanu równowagi - może nastąpić gdy zmienimy warunki, w których reakcja zachodzi np. temperatura, ciśnienie, stężenie reagentów.

• 3 prawa stechiometryczne:

• Prawo stosunków stałych ( prawo Prousta ) - „Każdy związek chemiczny niezależnie od jego pochodzenia albo metody otrzymywania ma stały skład jakościowy i ilościowy.”

• Prawo stosunków wielokrotnych ( prawo Daltona ) - „Jeżeli dwa pierwiastki A i B tworzą ze sobą więcej niż jeden związek, to masy pierwiastka A przypadające na taką samą masę pierwiastka B mają się do siebie jak niewielkie liczby całkowite.”

• Prawo zachowania masy - „W danym układzie zamkniętym suma energii pozostaje stała, bez względu na przemiany, jakim ulegają wzajemnie jej poszczególne rodzaje oraz łączna suma mas substratów równa się łącznej masie produktów reakcji chemicznej.”

III. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

7. Reakcje dehydratacji - usunięcie wody krystalizacyjnej z kryształów, hydratów za pomocą środków odwadniających lub przez podniesienie temperatury.

Jest to utrata wody dwustopniowa:

- Etap I dehydratacji - 75% wody ulatnia się (powstaje półhydrat)

- Etap II dehydratacji - 25% wody ulatnia się (powstaje anhydryt)

Reakcja dehydratacji badanego materiału (spoiwa gipsowego) - reakcja analizy:

I etap:

II etap:

8. Obliczenie teoretycznej zawartości wody krystalizacyjnej

Dane: Masa cząsteczkowa pierwiastków:

PIERWIASTEK	Ca	S	O	H
MASA CZĄSTECZKOWA [u]	40	32	16	1

Szukane: teoretyczna % zawartość wody w głównych odmianach siarczanu wapnia.

a) Dwuhydrat ( Gips )

CaSO₄*2H₂O → CaSO₄ + 2H₂O↑

36 g/mol - masa molowa wody w związku

36+136= 172 g/mol - masa molowa związku

36/172 * 100% = 20,9 % - procent wody w gipsie

b) Półhydrat

2CaSO₄*H₂O → 2CaSO₄ + H₂O ↑

18g/mol - masa molowa wody w związku

2*136+18 = 290 g/mol - masa molowa związku

18/290 *100%= 6,2 % - procent wody w półhydracie

c) Anhydryt

CaSO₄

Nie zachodzi reakcja dehydratacji, ponieważ anhydryt nie posiada wody

0% - procent wody w anhydrycie

9. Dane doświadczalne i obliczenia.

m_{1 =} masa tygielka

m_{2 =} masa tygielka i próbki ( określona ilość materiału )

m_{3 =} próbka przed prażeniem

m_{4 =} masa tygielka i próbka po prażeniu

m_{5 =} próbka po prażeniu

m_{6 =} masa wyparowanej wody

m_{3 =} m_{2 -} m₁ , m_{5 =} m_{4 -} m_{1 ,} m_{6 =} m_{3 -} m₅

m_{1 =} 33.18g m_{2 =} 35.37g m_{3 =} 35.37 - 33.18 ₌ 2.19g

m_{4 =} 35.28g m_{5 =} 35.28 - 33.18 ₌ 2.1g m_{6 =} 2.19 - 2.1 ₌ 0.09g

Procentowa zawartość wody w określonym materiale:

0.09/2.19 * 100% = 4.10 %

10. Wnioski.

Zespół otrzymał gips (półhydrat ) 2CaSO₄*H₂O. Badany materiał zawierał 4.10% wody i był najbliższy wynikowi dla półhydratu, czyli teoretycznie powinien mieć 6.2% wody. Różnice jakie wynikły między wynikiem uzyskanym a wynikiem oczekiwanym spowodowane są tym, że doświadczenie zostało przeprowadzone na preparacie zanieczyszczonym, a nie na czystym chemicznie gipsie.

---