Uniwersytet Zielonogórski

Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

Instytut Budownictwa

CHEMIA BUDOWLANA

ĆWICZENIA LABORATORYJNE

ĆWICZENIE NUMER 2

TEMAT 2: SPOIWA WAPIENNE - IDENTYFIKACJA I KLASYFIKACJA MATERIAŁU ZWIĄZANEGO Z SPOIWAMI WAPIENNYMI NA PODSTAWIE OZNACZENIA ZAWARTOŚCI TLENKÓW CaO I MgO.

Grupa Dziekańska 13

Podgrupa 11

Piotr Korczak

Mateusz Siwczak

Rok akademicki 2008/2009

SPIS STREŚCI

I. CZĘŚĆ OGÓLNA

1. Przedmiot badania.

2. Zadanie do wykonania

3. Cel ćwiczenia

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 Ostateczn.e 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.

Badaniu poddany został materiał (surowiec, spoiwo, wyrób) związany z technologią spoiw wapiennych.

2. Zadanie do wykonania.

- Oznaczyć procentową /% wag./ zawartość tlenków CaO i MgO w

badanym materiale,

- Zidentyfikować i sklasyfikować badany materiał.

3. Cel ćwiczenia.

- Poznanie zasady chemicznej analizy miareczkowej kompleksometrycznej.

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

- Zapoznanie się z normą PN-EN 495-1.

II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

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

Surowcem do produkcji spoiw wapiennych są skały wapienne. Oprócz głównego składnika - węglanu wapniowego - zawierają one zwykle domieszki węglanu magnezu i glinu. Surowcem najbardziej wartościowym są wapienie zawierające możliwie niewielką ilość domieszek gliniastych. Domieszki gliny pogarszają własności produktu wypału, utrudniając proces gaszenia.

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

Wapno palone (tlenek wapnia, CaO) jest białym proszkiem o temperaturze topnienia 2572°C. Ma własności higroskopijne. Łatwo reaguje z wodą dając wapno gaszone (tzw. gaszenie wapna) i dwutlenkiem węgla z powietrza.

Wypalanie wapna. Proces wypalania wapienia polega na reakcji odwracalnej termicznego rozkładu węglanu wapniowego:

CaCO₃
CaO + CO₂ - wypalanie

CaO + H₂O
Ca(OH)₂ - gaszenie

Do procesu wypalania wapna potrzebna jest temperatura 898 C. 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 1100 C. 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.

Gaszenie wapna(lasowanie) - reakcja chemiczna tlenku wapnia z wodą i powstanie wodorotlenku wapnia:

CaO + H₂O --> Ca(OH)₂ - 63,5 kJ/mol

Proces gaszenia może być przeprowadzony metodą:

• na mokro - dawniej metoda ta była często stosowana bezpośrednio na budowie, w wyniku daje ciasto wapienne i mleko wapienne

• na sucho - przy użyciu minimalnej ilości wody, niezbędnej dla prawidłowej reakcji chemicznej, proces przeprowadzany w warunkach przemysłowych. W wyniku otrzymywane jest wapno hydratyzowane.

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 wapnia. Dodatkowym produktem otrzymywanym przy tej procedurze jest mleko wapienne.

● 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.

● Wapno hydratyzowane(suchogaszone) - wapno hydratyzowane to suchy proszek, 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 jest to spoiwo hydrauliczne o barwie szarej lub żółtawej.

Otrzymywane jest przez wypalenie w temperaturze od 900 do 1100 °C margli lub wapieni marglistych zawierających od 6 do 20% domieszek gliniastych lub wapieni krzemiankowych, zgaszenie ich na sucho (czyli dodanie niewielkiej ilości wody) i zmielenie.

Produkt wypału jest mieszaniną zawierającą następujące składniki:

• tlenek wapniowy CaO

• krzemian dwuwapniowy 2CaOSiO₂

• glinian trójwapniowy 3Ca
  Al₂O₃

• żelazian dwuwapniowy 2CaO
  Fe₂O₃

Zaprawy z wapna hydraulicznego mają niską wytrzymałość mechaniczną, przez to nie należą do często używanych spoiw. Niemniej stosuje się je do zapraw murarskich, do murów fundamentowych, do tynków narażonych na zawilgocenie, do betonów o niewielkiej wytrzymałości i do farb wapiennych.

8. Mechanizm wiązania i twardnienia wapna budowlanego.

Proces wiązania i twardnienia spoiwa wapiennego (zaprawy) zachodzi w dwóch etapach. Pierwszy etap (kilka godzin) to czas, w którym następuje proces wiązania i krzepnięcia spoiwa. Drugi etap trwający bardzo długo (do kilku lat) to okres twardnienia spoiwa. 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.

Wiązanie i twardnienie zaprawy 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.

Reakcja opisująca proces karbonizacji:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

9. Podstawowe wiadomości o miareczkowaniu kompleksometrycznym ze szczególnym uwzględnieniem miareczkowania z zastosowaniem kompleksonu EDTA.

Miareczkowanie - to chemiczna technika analizy ilościowej polegająca na dodawaniu roztworu titranta z biurety w postaci kropel do roztworu zwanego analitem. Pomiar objętości wkroplonego titrantu, który reaguje ilościowo z oznaczaną substancją, umożliwia określenie dokładnego stężenia określonego związku chemicznego w analicie.

Reakcja stosowana przy miareczkowaniu powinna:

• przebiegać szybko i ilościowo zgodnie z określonym, dobrze znanym równaniem,

• wprowadzany odczynnik nie może wchodzić w reakcję z innymi substancjami występującymi w roztworze,

• posiadać odpowiedni wskaźnik umożliwiający określenie końca miareczkowania.

Klasyfikacja wg sposobu prowadzenia miareczkowania:

• miareczkowanie bezpośrednie - wykorzystanie bezpośredniej reakcji między titrantem a oznaczanym związkiem chemicznym,

• miareczkowanie pośrednie - oznaczany związek nie reaguje bezpośrednio z titrantem, lecz pośrednio z inną substancją, a miereczkowany jest produkt tej reakcji,

• miareczkowanie odwrotne - do badanego roztworu dodaje się odmierzoną ilość roztworu mianowanego w nadmiarze, a następnie miareczkuje się odpowiednio dobranym titrantem.

Schemat zestawu do miareczkowania: kolba stożkowa ( znajduje sie w niej badany roztwór Analit) i biureta ( która składa się z rurki z podziałką na której odczytuje się objętość titrantu i kranika za pomocą którego dozuje się roztwór titrantu).

W naszym doświadczeniu titrantem jest EDTA - (kwas etylenodiaminotetraoctowy) organiczny związek chemiczny z grupy amin. Jest szeroko stosowanym czynnikiem kompleksującym wiele kationów metali, takich jak Ca²⁺, Mg²⁺ czy Fe³⁺.

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⁺

1. Skrócony opis przygotowania roztworu badanego.

• Odważyliśmy od 0,8 do 1,0g badanego materiału i przenieśliśmy do zlewki o pojemności ok. 600cm³;

• Próbkę zwilżyliśmy minimalną ilością wody destylowanej tak, by została przyklejona do ścianek zlewki (bez użycia nadmiaru wody);

• Do zlewki dodaliśmy ok. 1,0cm³ HCl (kwas odmierzamy pipetą o poj. 1-2cm³⁾;

• Do zlewki dodaliśmy ok. 5,0cm³ HClO₄ (kwas odmierzamy pipetą o poj. 10-20cm³);

• Po ustaniu reakcji zlewkę z zawartością ogrzewaliśmy na płycie grzewczej do momentu odparowania nadmiernej ilości wody (staraliśmy się nie dopuszczać do intensywnego gotowania się preparatu oraz całkowitego odparowania wody);

• Zlewkę ochłodziliśmy, a następnie dodaliśmy ok. 100cm³ ciepłej wody;

• Zawartość zlewki dobrze wymieszaliśmy bez użycia bagietki szklanej, poprzez ruchy zlewką; doprowadziliśmy do pierwszych objawów wrzenia;

• Zawartość zlewki przesączyliśmy przez miękki sączek; przesącz zebraliśmy do kolby miarowej o poj. 250cm³;

• Zlewkę przemyliśmy kilkoma małymi porcjami wody. Następnie sączek i osad przemywaliśmy małymi porcjami wody do momentu wypełnienia się kolby do 0,5cm poniżej kreski kalibracyjnej;

• Dopełniliśmy kolbę do kreski dozując wodę z pipety tak, by nie dopuścić do przelania , a następnie zakorkowaliśmy kolbę.

10.2 Oznaczenie zwartości CaO.

a). Skrócony opis oznaczenia

• Omierzyliśmy 25cm³ roztworu badanego pipetą i przenieśliśmy do zlewki (poj. 400cm³);

• Dolaliśmy do zlewki ok. 75cm³ wody destylowanej;

• Położyliśmy zlewkę na mieszadełku, a następnie dodawaliśmy 20% roztwór KOH tak, aby nasz badany roztwór uzyskał pH>=5 (dolewając liczyliśmy krople);

• Dodaliśmy 2,5cm³ trójetanoloaminy;

• Dodaliśmy 20-21cm³ 20% KOH (odmierzając cylindrem miarowym);

• W razien wytrącenia się białego osadu mieliśmy dodać ok. 100cm³ H₂O; w naszym zespole nie okazało się być to konieczne;

• Dodaliśmy wskaźnika końcowego miareczkowania KALCESU w ilości takiej, by otrzymać barwę I (malinowa z fioletowym odcieniem);

• Miareczkowaliśmy EDTA 0,05mol; punkt końcowy otrzymaliśmy w chwili, gdy roztwór stracił czerwony odcień swej barwy;

• Odczytaliśmy i zapisaliśmy objętość; za wynik przyjeliśmy średnią arytmetyczną z trzech miareczkowań (26 cm³);

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 wyrażonego w gramach CaO na 1 cm³ titranta.

1. Zawartość tlenku wapnia CaO.

%CaO =
100%

m - masa produktu badanego w gramach (1,000g)

W - liczba niemianowana (10)

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

2. Obliczenie miana EDTA.

CaO + H₂O
Ca(OH)

1 l = 1000 cm³ - 0,05 mol EDTA

1 cm³, 0,05mol EDTA = 0,05:1000 mol CaO ≡ 0,00005 mola Ca²⁺

masa atomowa Ca = 40,08 u

masa atomowa O = 16,00 u

mol - 40,08 g

0,00005 - x

x = 0,00005 ⋅ 40,08

x = 0,002004 g

masa cząsteczkowa 2CaO = 2(40,08 +16,00) = 112,16

2Ca + O₂ → 2CaO

80,16 g - 112,16

0,002004 - y

80,16 y = 0,0224769

y = 0,002804g CaO

3. Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości CaO.

%CaO =
100%

%CaO =
100%

%CaO = 72,904%

1. Oznaczenie zawartości MgO i weryfikacja oznaczenia CaO.

1. Skrócony opis oznaczenia.

Oznaczamy kationy Mg

• Do zlewki o poj. 400cm³ wlaliśmy 25cm³ roztworu badanego;

• Dodaliśmy ok. 75cm³ wody destylowanej;

• Do zlewki dodaliśmy wodny roztwór amoniaku; dodawaliśmy zakraplaczem, aby próbka uzyskała pH 3-5 (liczyliśmy krople);

• Dodaliśmy 2,5cm³ trójetanoloaminy;

• Dodaliśmy 25cm³ roztworu wodnego amoniaku (cylindrem miarowym);

• Dodaliśmy indykatora mieszanego, aby roztwór uzyskał barwę denaturatu;

• Miareczkowaliśmy EDTA 0,05mol; punkt końcowy otrzymaliśmy w chwili, gdy roztwór stracił odcień denaturatu (miał uzyskać kolor różowy lub żółty);

• Odczytaliśmy i zapisaliśmy objętość; za wynik przyjeliśmy średnią arytmetyczną z trzech miareczkowań (27,3 cm³) wg wzoru:

V_Mg­ - V_Ca = V

27,3 cm³ - 26 cm³ = 1,3 cm³

2. Obliczenie miana EDTA wyrażonego w gramach MgO na 1 cm³ titranta .

1 l = 1000 cm³ - 0,05 mol EDTA

1 cm³ = 0,05:1000 mol MgO ≡ 0,00005 mola Mg²⁺

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

masa atomowa Mg = 24,3 μ

masa atomowa O = 16,00 μ

mol - 24,3 g

0,00005 - x

x = 0,00005 ⋅ 40,3

x = 0,001215 g

masa cząsteczkowa 2MgO = 2(24,3 +16,00) = 80,6

2Mg + O₂ → 2MgO

48,6 g - 84,6

0,001215 - y

48,6 y = 0,059049

y = 0,1215g MgO

3. Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości MgO

%MgO =
100%

MgO =
100%

%MgO = 1,5795%

4. Miareczkowanie weryfikacyjne - wyniki, obliczenia i wnioski.

Przeprowadzenie miareczkowania weryfikacyjnego nie było konieczne.

10.4 Ostateczne wyniki oznaczenia CaO i MgO.

%CaO = 72,904%

%MgO = 1,5795%

11. Identyfikacja i klasyfikacja badanego materiału wg EN 459-1.

Badanym materiałem jest wapno budowlane CL 70 czyli wapno wapniowe 70.

12. Wykaz literatury z której korzystano przy opracowaniu sprawozdania.

Strony internetowe:

1. pl.wikipedia.org

2. http://pl.shvoong.com/exact-sciences/116551-wapno-palone-gaszone-gaszenie-wapnia/

3. http://www.dami.pl/~chemia/liceum/liceum15/przemysl3.htm

12

---