Jakub Opaliński

gr.IV, sem.I, R.A.2005/06

TEMAT I CEL ĆWICZENIA: Oznaczanie zawartości nierozłożonego węglanu wapniowego w wapnie palonym

DATA: 24.10.2005

PODSTAWY TEORETYCZNE:

Wapno palone należy do powietrznych spoiw mineralnych, tzn. twardniejących po zarobieniu wodą na powietrzu. Surowcem do produkcji spoiw wapiennych są skały wapienne, które oprócz węglanu wapniowego CaCO₃ (od 58% do 99%) zawierają węglan magnezowy, minerały ilaste, kwarc, tlenki żelaza. Wtrącenia glin pogarszają właściwości wytwarzanego spoiwa, utrudniają proces gaszenia. Przy zawartości glin powyżej 6% (wapienie margliste) produkt uzyskuje właściwości hydrauliczne (wapno hydrauliczne).

Proces wypalania wapienia polega na reakcji termicznego rozkładu węglanu wapniowego

CaCO₃ = CaO + CO₂ H>0

gdzie H - entalpia reakcji.

Jest to odwracalna reakcja endotermiczna, tzn. aby zaszła i ustalił się stan równowagi między produktami, a substratami wymagane jest dostarczenie do układu energii. Zgodnie z regułą przekory Le Chateliera i Brauna wzrost temperatury powoduje przesunięcie równowagi reakcji endotermicznej w kierunku produktów. Ze wzrostem temperatury rośnie więc w tym przypadku, ciśnienie wydzielanego CO₂. W temperaturze 898^oC ciśnienie to osiąga wartość ciśnienia atmosferycznego. W warunkach tak ustalonej równowagi, w układzie otwartym (wymieniającym masę i energię z otoczeniem) możliwe jest usuwanie ze środowiska reakcji jednego z produktów (CO₂). Dążność układu do przywrócenia stanu równowagi jest przyczyną, że reakcja jest nieodwracalna, a rozkład węglanu - całkowity.

W praktyce przemysłowej w celu zwiększenia szybkości reakcji stosuje się wyższe temp. do 1100-1200^oC. Dobór temperatury zależy od jakości surowca, jego struktury i składu chemicznego. W procesie wypalania, oprócz omówionej reakcji rozkładu zachodzą reakcje, w których substratami są inne składniki zawarte w surowcu. W temperaturach 550-750^oC zachodzi rozkład węglanu magnezowego. W zakresie temp. 900-1100^oC tlenek wapnia reaguje z tlenkami glinu, krzemu i żelaza wytwarzając gliniany, krzemiany i żelaziany wapniowe. Wypalanie wapieni w temp. pow. 1300^oC zwiększa zawartość i stopień uwapnienia tych związków, jednocześnie jednak produkt ulega spiekaniu, co utrudnia jego hydratację (tzw. wapno przepalone). Wysokie temperatury nie są również korzystne przy dużej zawartości MgCO₃. Wygrzewanie powstającego już przy ok. 550 C MgO powoduje utratę jego właściwości wiążących. Zbyt niska temperatura może być natomiast przyczyną dużej zawartości nierozłożonego CaCO₃.

Gaszenie wapna jest egzotermiczną reakcją hydratacji (z wydzielaniem ciepła), przebiegającą zgodnie z równaniem

CaO + H₂O = Ca(OH)₂, H<0

Temperatura wzrasta i znaczna część wody odparowuje. W zależności od ilości wody użytej do gaszenia można otrzymać produkty o różnych właściwościach:

• wapno hydratyzowane (suchogaszone), otrzymane przez gaszenie wapna palonego możliwie najmniejszą ilością wody; oprócz ilości wody wynikającej z równania reakcji (stechiometrycznej) w procesie tym niezbędny jest pewien jej nadmiar w związku z procesami odparowywania i adsorpcji wody,

• ciasto wapienne - plastyczna mieszanina wodorotlenku wapniowego wapniowego nasyconego roztworu wodorotlenku wapniowego w wodzie, otrzymana w wyniku gaszenia wapna nadmiarem wody; duży stopień rozdrobnienia wodorotlenku i otoczenia jegocząstek wodą zmniejsza siły tarcia wewnętrznego i nadaje mieszaninie właściwości plastyczne,

• mleko wapienne - koloidalna zawiesina wodorotlenku w wodzie powstała w wyniku gaszenia wapna dużym nadmiarem wody lub przez rozcieńczenie ciasta wapiennego.

Wymagania odnośnie składu wapna niegaszonego i suchogaszonego podaje PN-90/B-30020. Miarą zdolności wiążących wapna palonego jest zawartość wolnego tlenku wapniowego. W zależności od zawartości tlenku wapniowego rozróżnia się cztery gatunki wapna niegaszonego w kawałkach, cztery gatunki wapna niegaszonego mielonego i dwa gatunki wapna suchogaszonego.

Wapno gaszone po wymieszaniu z piaskiem i wodą stanowi zaprawę wapienną. wiązanie i twardnienie zaprawy powodują następujące procesy:

• odparowanie wody i krystalizacja wodorotlenku wapniowego; wiązanie trwa do kilku godzin od wykonania zaprawy,

• karbonatyzacja pod wpływem dwutlenku węgla i wilgoci przebiega według równania

Twardnienie jest procesem powolnym, trwającym nawet kilka lat. Zawarty w zaprawie piasek ułatwia wnikanie dwutlenku węgla i przyspiesza karbonatyzację. Twardość Twardość wytrzymałość zapraw zależy od stopnia skarbonatyzowania zaprawy oraz od wielkości powstających kryształów. Przyspieszenie reakcji przez zwiększenie stężenia
w powietrzu i/lub podwyższenie temperatury obniża wytrzymałość zaprawy; powstające kryształy węglanu wapniowego są mniejsze.

Wapno hydrauliczne zawiera oprócz tlenku wapniowego (CaO) również krzemian dwuwapniowy (
), glinian trójwapniowy (
) i żelazian dwuwapniowy
, nadające spoiwu właściwości hydrauliczne. Po wypaleniu wapno hydrauliczne gasi się niewielką ilością wody, aby tlenek wapniowy przeszedł w wodorotlenek wapniowy, a krzemiany, gliniany i żelaziany nie uległy uwodnieniu. Proces wiązania i twardnienia wapna hydraulicznego polega na krystalizacji i karbonatyzacji wodorotlenku wapniowego oraz na reakcji uwodnienia glinianów, krzemianów krzemianów żelazianów wapniowych. Wapno hydrauliczne jest stosowane w budownictwie do wyrobu zapraw i betonów niskich klas.

PRZEBIEG:

W tyglu Porcelanowym odważyłem 0,5 g wapna palonego (z danej próbki)

Całość odważonego wapna przesypałem do szklanego tygla który umieściłem na dnie szklanego naczynia.

Do naczynia wlałem za pomocą pipety 25 cm3 HCl.

Zamknąłem naczynie korkiem połączonym z biuretąza pomocą rurki szklanej i gumowego węża.

Zanotowałem poziom cieczy w biurecie.

Przechyliłem naczynie tak, aby tygiel przewrócił się, co doprowadziło do przedostania się kwasu do próbki.

Zbadałem piziom cieczy w biurecie od razu po przeprowadzeniu reakcji.

Odczyt wykonałem ponownie po 15 minutach.

W międzyczasie przeprowadziłem pomiar temperatury otoczenia i ciśnienia a z tablicy odczytałem współczynnik prężności pary wodnej nad nasyconym roztworem NaCl (f).

t,oC	19	20	21	22	23	24	25	27
, hPa	22,0	23,3	25,0	26,4	28,1	30,0	31,7	35,9

Obliczyłem według podanych wzorów objętość w warunkach normalnych

Następnie obliczyłem zawartość
w badanej próbce

Korzystając z zależności w reakcji

porównałem masę wydzielonego CO₂ i CaCO₃ (tyle samo moli) i uzyskałem C% CaCO₃ w badanej próbce.

KOŃCOWE WYNIKI:

Cecha	Wynik
t,^oC	20
f, hPa	23,3
p, hPa	1006
V, cm3	6
V0, cm3	5,42
%CO2	2,14
%CaCO3	5,38

WNIOSKI:

.Proces wydzielania dwutlenku węgla w reakcji CaCO₃ z HCl jest gwałtowny i przy odpowiednio dużej ilości HCl przebiega w całości w początkowej fazie reakcji. Badając ilość moli CO₂ wydzielonych w reakcji można zbadać ilość moli CaCO₃ a tym samym ocenić jego zawartość w badanym wapnie (zawartość części niedopalonej w wapnie palonym). W wyniku pomiarów i obliczeń uzyskałem następujący wynik: %CaCO₃ = 5,38(%). Według normy PN-90/B-30020 oznacza to, że to wapno gaszone nadaje się do zapraw wysokiej klasy (czyli nadaje się dobrze do zastosowania w budownictwie).

BIBLIOGRAFIA: Ćwiczenia laboratoryjne z chemii budowlanej, praca zbiorowa pod red. Lecha Czarneckiego, OWPW 1999

---