UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA

INSTYTUT BUDOWNICTWA

CHEMIA BUDOWLANA

Ćwiczenia laboratoryjne

Ćwiczenie nr 1

TEMAT: ”Spoiwa gipsowe - identyfikacja materiału na podstawie oznaczenia rodzaju siarczanu wapniowego.”

GRUPA DZIEKAŃSKA 13

PODGRUPA B

Marcin Szymański

ROK AKADEMICKI 2007/2008

SPIS TREŚCI:

I. Część ogólna

1. Przedmiot badania.

2. Zadanie do wykonania.

3. Cel ćwiczenia.

2. Część teoretyczna

4. Stosowana metoda oznaczenia (omówienie zasady analizy wagowej).

5. Podział i otrzymywanie spoiw gipsowych.

6. Definicje wybranych pojęć i praw chemicznych.

3. Część praktyczna

7. Reakcje dehydratacji oraz obliczenia teoretycznej zawartości wody krystalizacyjnej w głównych odmianach siarczanu wapnia.

8. Dane doświadczalne i obliczenia.

9. Wnioski.

I. CZĘŚĆ OGÓLNA

1. Przedmiot badania.

Przedmiotem badań jest proszek o kolorach od białego do odcieni szarości. Jest to spoiwo gipsowe (siarczanowe).

2. Zadanie do wykonania.

Identyfikacja rodzaju siarczanu wapnia. Może to być gips (CaSO₄ * 2H₂O), minerał tworzący często samodzielne skały gipsowe, będące osadami chemicznymi lub anhydryt (CaSO₄), który jest pospolitym składnikiem złóż solnych.

3. Cel ćwiczenia.

Podstawowe cele ćwiczenia to:

- poznanie i praktyczne wykorzystanie podstawowych wybranych pojęć, definicji i praw chemicznych związanych z masą i licznością materii oraz stechiometrią;

- poznanie reguł chemicznej analizy wagowej;

- ugruntowanie podstaw fizyczno - chemicznych technologii spoiw gipsowych;

II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

4. Stosowana metoda oznaczenia (omówienie zasady analizy wagowej).

W obrębie analizy chemicznej możemy wyróżnić:

- Analizę jakościową

- Analizę ilościową (wagową)

W naszym doświadczeniu opieramy się na zasadach analizy wagowej.

Analiza wagowa jest to chemiczna, ilościowa technika analityczna w polegająca na określeniu masy oznaczanej substancji po jej przeprowadzeniu w trudno rozpuszczalny związek chemiczny.

Ilościowe oznaczenie realizuje się poprzez usuwanie oznaczanego składnika z próbki (w naszym przypadku H₂O) w trakcie ogrzewania lub prażenia, 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.

Powyższa metoda analizy wagowej użyta została w naszym ćwiczeniu.

Wydzielanie składnika jako trudno rozpuszczalnego związku sprowadza się do jego wytrącenia za pomocą odpowiedniego odczynnika. Osad po odsączeniu, przemyciu i wysuszeniu lub prażeniu, waży się. W wyniku prażenia można go także przeprowadzić w inny związek o dokładnie określonym składzie chemicznym.

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

5. Podział i otrzymywanie spoiw gipsowych.

Spoiwa gipsowe możemy podzielić na dwie zasadnicze grupy:

A. 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 tzw. gips półwolny (anhydryt) wg reakcji:

2CaSO₄*2H₂O --^T---> 2CaSO₄*H₂O + 3H₂O

dwuhydrat (gips surowy) półhydrat (gips półwodny)

Gips półwodny to główny składnik tej grupy spoiw (stąd pochodzi ich nazwa).

Podział spoiw gipsowych półwodnych (wg zastosowania):

a). spoiwa do celów budowlanych

- gips budowlany zwykły

- gipsy budowlane specjalne

b). gips ceramiczny

c). gips do celów medycznych

- gips chirurgiczny

- gips dentystyczny

d). gips autoklawizowany

B. SPOIWA GIPSOWE BEZWODNE

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

Spoiwa gipsowe bezwodne dzielimy na:

a). Spoiwa anhydrytowe właściwe

Otrzymujemy je dwoma sposobami:

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

CaSO₄ * 2H₂O ---T---> CaSO₄ + 2H₂O

Tak otrzymany anhydryt ma wiele wspólnego z aktywatorem.

- Sposób II polega na przeróbce anhydrytu naturalnego (skały anhydrytowej) składającej się z czynności:

* wydobycie anhydrytu

* wstępne rozdrobnienie

* wysuszenie

* zmielenie wspólnie z aktywatorem.

b). 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 --T--> CaO + SO₂ + ½ O₂

Tlenek CaO spełnia rolę naturalnie powstającego aktywatora.

c). Do spoiw anhydrytowych specjalnych zalicza się tzw. gipsy ałunowe

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

6. Definicje wybranych pojęć i praw chemicznych.

PRAWA STECHIOMETRYCZNE:

Prawo stosunków stałych (prawo Prosta) - „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 stosunków objętościowych (prawo Lussaca) - „W reakcji między gazami objętości substratów i produktów gazowych mierzone w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia maję się do siebie jak niewielkie liczby całkowite.”

Prawo zachowania materii - „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.”

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 (czyli protonów i neutronów) w jądrze (w nuklidzie) danego izotopu atomu danego pierwiastka.

NUKLEONY - to wspólna nazwa protonów i neutronów. Są to podstawowe cząstki tworzące jądro atomu, same zaś składają się z kwarków. Z historycznych względów zalicza się je do cząstek elementarnych mimo, iż nimi nie są.

PROTONY - cząstki występujące w jądrach atomowych. Przyjmuje się, że proton posiada elementarny, dodatni ładunek elektryczny i masę atomową równą 1, zapisywany jako +p1.

NEUTRONY - to cząstki subatomowe występujące w jądrach atomowych. Są obojętne elektrycznie.

ELEKTRONY - e, β ⁻ - trwał cząstki elementarne (lepton) będące jednym z elementów atomu.Elektron ma ładunek elektryczny równy -e = -1,6021917(70) × 10^-19C (ujemny ładunek elektryczny elementarny - skąd też nazwa negaton) i masę spoczynkową m_e≈9,10938 × 10^-31kg.

NUKLIDY - tym mianem określa się w fizyce jądrowej jądra atomowe o określonej liczbie nukleonów (protonów i neutronów). Nuklidy można podzielić na kilka grup:

• Nuklidy posiadające tę samą liczbę protonów, a różniące się liczbą neutronów (ta sama liczba atomowa i różne liczby masowe) to izotopy. Również atomy z takimi nuklidami (jako jądra) nazywa się izotopami danego pierwiastka.

• Nuklidy o tej samej liczbie neutronów to izotony.

• Izobary - nuklidy o równej liczbie masowej (tej samej liczbie nukleonów w jądrze), lecz różniące się ładunkiem (liczbą atomową).

• Nuklidy o identycznych liczbach masowych i ładunkach, ale różniące się stanem kwantowym nazywane są izomerami jądrowymi.

IZOTOPY - odmiany pierwiastków chemicznych, różniące się liczbą neutronów w jądrach, a tym samym i liczbą masową. Atomy danego pierwiastka (o określonej liczbie protonów) będące różnymi izotopami różnią się liczbą masową (liczba neutronów i protonów w jądrze), różne izotopy mają niemal identyczne własności chemiczne.

JEDNOSTKA MASY ATOMOWEJ - (u) 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. Jednostkę tę przyjęło się także nazywać daltonem (Da) na cześć twórcy współczesnej teorii atomowej Johna Daltona.

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.

MASA ATOMU BEZWZGLĘDNA - 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 ¹²C. Liczba ta nazywana jest stałą Avogadro.

MASA MOLOWA - jest to masa jednego mola materii. Jednostką masy molowej jest kg/mol.

III. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

7. Reakcja dehydratacji oraz obliczenia teoretycznej zawartości wody krystalizacyjnej w głównych odmianach siarczanu wapnia.

Dehydratacja (odwodnienie) - 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:

Obliczenie teoretycznej zawartości wody krystalizacyjnej w głównych odmianach siarczanu wapnia.

Główne odmiany siarczanu wapnia:

- Dwuwodny siarczan (VI) wapnia (CaSO₄ * 2H₂O)

- Półhydrat, półwodny siarczan (VI) wapnia (2CaSO₄ * H₂O)

- Anhydryt (CaSO₄)

Dane: masa cząsteczkowa poszczególnych pierwiastków:

m Ca = 40,08u

m S = 32,06u

m O = 16u

m H = 1u

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

1) Dla anhydrytu % zawartość wody wynosi 0%, gdyż jest to bezwodny siarczna (VI) wapnia. Jednak, biorąc pod uwagę zanieczyszczenia oraz obecność wody w powietrzu (w postaci pary wodnej) przyjmujemy, że zawartość % wody wynosi 0-3%

2)Dla gipsu półwodnego obliczamy:

Masa cząsteczkowa dla 2CaSO₄ * H₂O wynosi :

2 * 40.08u + 2 * 32,06u + 8 * 16u + 2u + 16u = 226,28u

Masa wody to 18u.

Obliczamy:

18 / 226,28 = 0,0795 => 7,95%

Odp. Zawartość % wody dla gipsu półwodnego wynosi 7,95%.

3)Dla gipsu dwuwodnego obliczamy:

Masa cząsteczkowa dla CaSO₄ * 2H₂O wynosi :

40,08u + 32,06u + 4 *16u + 4u +32u= 172,14 u

Masa wody to 36u.

Obliczamy:

36 / 172,14 = 0,2091 => 20,91%

Odp. Zawartość % wody dla gipsu dwuwodnego wynosi 20,91%.

Stąd:

Główne odmiany siarczanu wapnia oraz teoretyczna % zawartość wody w nich:

- CaSO₄ woda krystalizacyjna 0-3% (pod uwagę bierzemy zanieczyszczenia)

- 2CaSO₄ * H₂O woda krystalizacyjna 7,95%

- CaSO₄ * 2H₂O woda krystalizacyjna 20,91%

8. Dane doświadczalne i obliczenia.

W doświadczeniu używamy dwóch tygielków o masie:

Tygielek X (nr 86)= m₁x

Tygielek (nr 87)= m₁y

Ważymy każdy z nich i uzyskujemy:

m₁x = 57,76g

m₁y = 58,37g

Następnie dosypujemy substancji do tygielków. Ważymy je i uzyskujemy masę tygielka i masę substancji:

m₂x = 59,66g

m₂y = 60,76g

Chcemy sprawdzić ile waży badany materiał w poszczególnych tygielkach. W tym celu wykonujemy obliczenia:

m₃x = m₂x - m₁x = 1,90g

m₃y = m₂y - m₁y = 2,39g

Następnie oba tygielki podgrzewamy do temperatury > 350^oC aby zawarta w nich substancja uległa dehydratacji.

Po zakończeniu procesu prażenia ponownie ważymy tygielki i uzyskujemy:

m₄x = 59,40g

m₄y = 60,41g

Aby uzyskać masę substancji po prażeniu dokonujemy następujących obliczeń:

m₄x - m₁x = m₅x = 1,64g

m₄y - m₁y = m₅y = 2,04g

Następnie obliczamy różnice w wadze substancji przed i po prażeniu:

m₃x- m₅x = 0,26g

m₃y - m₅y = 0,35g

Ostatni etap to obliczenie zawartości procentowej wody, która odparowała w badanej substancji:

0,26/1,90 ~ 0,13684 => 14%

0,35/2,39 ~ 0,14644 => 15%

Porównując otrzymane wyniki zawartości wody krystalizacyjnej w badanych próbkach z teoretyczną zawartością wody w głównych odmianach siarczanu wapnia można stwierdzić, że są mają one zbliżone wartości, a różnice wynikają z zanieczyszczeń w badanych substancjach.

Odp.: Zawartość % wody w badanej substancji wynosi 15%.

9. Wnioski:

BADANA SUBSTANCJA TO PÓŁHYDRAT (2CaSO₄ *H₂O).

Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia stwierdzam, że prawdopodobnym materiałem otrzymanym do badania był gips surowy (skała gipsowa), który na skutek niskotemperaturowej obróbki cieplnej - prażenia gipsu - utracił częściowo wodę krystalizacyjną i przeobraził się w półhydrat (2CaSO₄ *H₂O) wg reakcji:

2CaSO₄*2H₂O→2CaSO₄*H₂O+3H₂O

Ze względu na brak właściwości żrących jest on składnikiem wielu rodzajów spoiw gipsowych stosowanych zarówno w budownictwie (-gips budowlany zwykły (stosowany do produkcji elementów ściennych i stropowych), -gipsy budowlane specjalne np. tynkarskie, szpachlowe), medycynie (-gips chirurgiczny, -gips dentystyczny), jak i w ceramice stołowej i sanitarnej (gipsy ceramiczne).

UWAGA: Nieprecyzyjne wskazania końcowe są wynikiem zanieczyszczeń!

---