UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA

INSTYTUT BUDOWNICTWA

CHEMIA BUDOWLANA

Ćwiczenia laboratoryjne

Ćwiczenie nr 2

Spoiwa wapienne. Identyfikacja i klasyfikacja materiału związanego spoiwami wapiennymi na podstawie oznaczenia zawartości tlenków CaO i MgO.

GRUPA DZIEKAŃSKA 12

PODGRUPA A

ZESPÓŁ LABORATORYJNY 79

Michał Burda

Łukasz Jerusel

Marcin Mikulski

ROK AKADEMICKI 2011/2012

I CZĘŚĆ OGÓLNA

1. Przedmiot badania:

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

2. Zadanie do wykonania:

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

• Zidentyfikowanie i sklasyfikowanie badanego materiału.

3. Cel ćwiczenia:

• Poznanie zasady chemicznej analizy miareczkowej kompleksometrycznej.

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

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

II CZĘŚĆ TEORETYCZNA

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

Surowcem 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 wychodzące 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.

Gaszeniem nazywamy reakcję hydratacji wapna, w wyniku, której powstaje wodorotlenek wapniowy. Reakcja ta zachodzi zgodnie z równaniem:

CaO + H₂O
Ca(OH)₂ + 15,5kcal

i jest silnie egzotermiczna. Temperatura układu wzrasta i znaczna część wody ulega odparowaniu. W zależności od ilości wody, możemy otrzymać produkty o różnych własnościach:

• 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.

• 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 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⁺

Skrócony opis przygotowania roztworu badanego (analitu)

• z otrzymanego do badania materiału odważyliśmy 0,8 g,

• przenieśliśmy próbkę do wysokiej zlewki za pomocą spryskiwacza,

• próbkę rozpuściliśmy:

• dolaliśmy około 1 cm³ stężonego kwasu solnego HCl,

• dolaliśmy 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).

Oznaczenie zawartości CaO

a) skrócony opis oznaczenia

• z kolby pobraliśmy 25 cm³ badanego roztworu,

• dodaliśmy 175 cm³ wody destylowanej,

• wkropiliśmy 20% NaOH (około 1 cm³),

• dodaliśmy około 2,6 cm³ trójetanoluaminy,

• odmierzyliśmy 20 cm³ 20% NaOH i otrzymaliśmy pH roztworu > 12,

• dodaliśmy szczyptę kalcesu aby uzyskać kolor fioletowy,

• miareczkowaliśmy EDTA do zmiany zabarwienia z fioletowego na czysto niebieski dla trzech niezależnych próbek, za wynik przyjęliśmy średnią arytmetyczną z trzech miareczkowań (17,1cm³)

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 titranta

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 μ

masa atomowa O = 16,00 μ

mol - 56,08 g

0,00005 - x

x = 0,00005 ⋅ 56,08

x = 0,002804 g

c) wynik miareczkowania i obliczenie zawartości CaO

%CaO =
100%

m. - masa produktu badanego w gramach (0,8 g)

W - liczba niemianowana (12,63)

K₁ - miano EDTA wyrażone w gramach tlenku wapnia na 1 cm³ tego roztworu

%CaO =
100%

CaO = 75,699%

Oznaczenie zawartości MgO i weryfikacja oznaczenia CaO

a) Skrócony opis oznaczenia

• z kolby pobraliśmy 25 cm³ badanego roztworu

• dodaliśmy 175 cm³ wody destylowanej

• wkropiliśmy wodę amoniakalną aby otrzymać pH roztworu miedzy 3 - 6 (10 kropli)

• dodaliśmy około 2 cm³ trójetanoloaminy

• odmierzyliśmy 20 cm³ wody amoniakalnej - otrzymałam pH roztworu = 10

• dodaliśmy wskaźnika aby uzyskać kolor fioletowo-niebieski

• miareczkowaliśmy EDTA do zmiany zabarwienia z fioletowo-niebieskiego na przeźroczysty dla trzech niezależnych próbek, za wynik przyjęliśmy średnią arytmetyczną z trzech miareczkowań wg wzoru:

V_Mg­ - V_Ca = V

18,17 cm³ - 17,1 cm³ = 1,07 cm³

b) obliczenie miana EDTA MgO na 1 cm³ titranta

1 l = 1000 cm³ - 0,05 mol EDTA

1 cm³ = 0,05:1000 mol MgO ≡ 0,00005 mola

masa atomowa Mg = 24,3 μ

masa atomowa O = 16,00 μ

mol - 40,3 g

0,00005 - x

x = 0,00005 ⋅ 40,3

x = 0,002015 g

c) wyniki miareczkowania i zawartość MgO

%MgO =
100%

%MgO =
100%

MgO = 3,404%

d) miareczkowanie weryfikacyjne - wyniki i wnioski

Nie zachodziła potrzeba miareczkowania weryfikacyjnego.

Ostateczne wyniki oznaczenia CaO i MgO

CaO = 75,699%

MgO = 3,404%

11. Identyfikacja i klasyfikacja badanego materiału.

Wg normy PN-EN 459-1:2003 badanym materiałem jest wapno budowlane CL70.

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 - 40μ

masa atomowa C - 12μ

masa atomowa O - 16μ

masa atomowa CaO = 40μ + 12μ = 56μ

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

x - zawartość CaO w węglanie wapniowym CaCO₃

Rozwiązanie:

100μ = 100g

56μ = 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%

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

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

---