Hydraty i zaprawa hydrauliczna
Gips jest ciekawym tworzywem zarówno w rękach murarza, artysty, jak i lekarza. Płyty gipsowo–kartonowe czy gipsowe stiuki umożliwiają zmianę charakteru każdego wnętrza. Artyści z gipsu tworzą piękne przedmioty. W medycynie wykorzystuje się tę substancję nie tylko do usztywniania złamanych kości, ale również do przygotowywania odlewów zębów. Jednak najdoskonalszym twórcą okazała się natura. Dlaczego?
definicję masy cząsteczkowej i sposoby jej obliczania;
budowę soli;
metody tworzenia wzorów sumarycznych i nazw soli nieorganicznych;
definicję skał i minerałów;
budowę zewnętrznej warstwy skorupy ziemskiej.
zapisywać wzory i tworzyć nazwy hydratów;
projektować i przeprowadzać doświadczenie, które pozwala na potwierdzenie obecności wody w hydratach;
opisywać proces twardnienia zaprawy gipsowej oraz zapisywać odpowiednie równanie reakcji;
wymieniać zastosowanie skał gipsowych;
uzasadniać, dlaczego gips palony jest stosowany w medycynie.
1. Rodzaje skał gipsowych
Skały gipsowe, podobnie jak wapienie i kreda, są skałami osadowymi. Ich głównym składnikiem jest sól o nazwie siarczan() wapnia. Buduje ona takie minerały, jak gips krystaliczny i anhydryt. Pokłady gipsu krystalicznego (), który pod względem budowy chemicznej jest przykładem hydratuhydratu, powstały podczas odparowywania słonych wód jezior i mórz, w temperaturze niższej niż . Gips krystalicznyGips krystaliczny może również tworzyć różne odmiany polimorficzneodmiany polimorficzne. Jedną z nich jest minerał o nazwie alabaster (). Natomiast w wyższych temperaturach krystalizuje anhydryt (), czyli bezwodny siarczan() wapnia (z gr. an „bez” i hydro „woda”, czyli gips bezwodny).
W poniższej galerii znajdują się zdjęcia i opisy minerałów, zbudowanych z siarczanu() wapnia.
W Polsce występują bogate złoża gipsu i anhydrytu. Największe pokłady tych minerałów znajdują się w między innymi: w dolinie rzeki Nidy (te złoża są zaliczane do największych w Europie), w Niwnicach k. Lwówka Śląskiego, w Niecce Głogowskiej, na obrzeżu Gór Świętokrzyskich.
Róża pustyni (piaskowa róża, kamienna róża) stanowi skupienie kryształów gipsu, które wyglądem przypomina płatki róży, dzięki czemu ma duże walory dekoracyjne. Poza przeważającą ilością gipsu, zawiera także różne ilości piasku kwarcowego. Powstaje na obszarach pustynnych, w warunkach suchego i gorącego klimatu, na skutek odparowania silnie zmineralizowanych słonych jezior lub wód gruntowych, które krystalizują w przypowierzchniowej warstwie sypkiego piasku, przyjmując formy przypominające wspomniany kwiat.
2. Budowa i nazewnictwo hydratów
HydratyHydraty (wodziany) to najczęściej uwodnione sole. Są to związki chemiczne, które zawierają cząsteczki wody, wbudowane w sieć krystaliczną. Woda zawarta w hydratach nosi nazwę wody krystalizacyjnejwody krystalizacyjnej lub hydratacyjnej.
Ogólny wzór hydratów, będących uwodnionymi solami, możemy zapisać jako:
gdzie „n” to liczba cząsteczek wody hydratacyjnej.
Symbolicznym zapisem obecności wody w hydratach jest kropka („”, która nie oznacza znaku mnożenia, lecz wskazuje na obecność wody w sieci krystalicznej.
Zapis wzoru hydratu:
interpretujemy w następujący sposób: w krysztale tego hydratu, na jeden kation miedzi() i jeden anion siarczanowy() przypada pięć cząsteczek wody.
Często ta sama substancja może tworzyć kilka różnych hydratów, czego przykładem może być węglan sodu. Sól ta tworzy hydraty o wzorach: , oraz .
Nazwy hydratów tworzy się na kilka sposobów. Przeanalizuj w jaki sposób tworzy się nazwę systematyczną oraz nazwy zwyczajowe hydratu o wzorze .
W poniższej galerii znajdują się zdjęcia kryształów wybranych hydratów oraz ich nazwy systematyczne, zwyczajowe i mineralogiczne. Zapoznaj się z informacjami zawartymi w tej galerii, a następnie wykonaj polecenie nr .
Zapisz nazwy systematyczne i zwyczajowe hydratów o wzorach:
3. Właściwości hydratów
Obecność wody w hydratach można potwierdzić doświadczalnie w bardzo prosty sposób.
Sprawdź, w jaki sposób można potwierdzić obecność wody w gipsie krystalicznym. W tym celu wykonaj doświadczenie .
Uwaga: Przeprowadzając doświadczenie zachowaj wszelkie środki bezpieczeństwa.
Problem badawczy:
W jaki sposób można potwierdzić obecność wody w gipsie krystalicznym?
Hipoteza:
Ogrzewanie hydratów prowadzi do usunięcia zawartej w nich wody hydratacyjnej.
Co było potrzebne?
pokruszony gips krystaliczny;
probówka;
palnik;
statyw;
łącznik;
łapa do probówek;
zapałki.
Instrukcja:
Do probówki wsypano pokruszony gips krystaliczny. Probówkę umocowano pod skosem w statywie i rozpoczęto ogrzewanie przy pomocy palnika. Obserwowano zachodzące zmiany.
Obserwacje:
W wyniku ogrzewania gipsu krystalicznego, w probówce powstaje biała drobnoziarnista substancja stała, a na ściankach pojawiają się krople bezbarwnej cieczy.
Wnioski:
Na podstawie odnotowanych obserwacji można wnioskować, że pojawiające się na ściankach probówki krople cieczy są wodą. Ogrzewanie hydratu powoduje jej „uwolnienie” w postaci pary wodnej, z sieci krystalicznej tego hydratu. Potem para wodna skrapla się na chłodniejszych fragmentach ścianek probówki.
Napisz obserwacje oraz wynikające z nich wnioski. Jeśli nie masz możliwości samodzielnego przeprowadzenia doświadczenia, obejrzyj film obrazujący jego przebieg.
Podsumowanie doświadczenia:
Podczas ogrzewania gipsu krystalicznego zachodzi reakcja chemiczna, której produktami są woda oraz, tak zwany, gips palony. Równanie zachodzącej reakcji można zapisać jako:
Temperatura, w której zachodzi opisana reakcja chemiczna, wynosi około . W temperaturze powyżej gips krystaliczny całkowicie traci wodę, tworząc bezwodny siarczan() wapnia:
Niektóre sole bezwodne różnią się barwą od swoich hydratów (soli uwodnionych). Przykładem może być siarczan() miedzi() . Hydrat siarczan()
miedzi()–woda() , tak zwany chalkantyt lub siny kamień), ma postać niebieskich kryształków. Podczas ogrzewania, jego niebieska barwa stopniowo jednak zanika. Ostatecznie otrzymuje się białą próbkę stałego bezwodnego siarczanu() miedzi(). W podobny sposób zachowuje się także chlorek kobaltu() . Jest to sól wykorzystywana w laboratoriach chemicznych do wykrywania wody, ponieważ zmienia w sposób charakterystyczny swoją barwę. Zmiana barwy zależy od liczby cząsteczek wody krystalizacyjnej: bezwodny chlorek kobaltu() jest niebieski, dwuwodny – różowy, a sześciowodny – czerwony.
Gips palony wykorzystuje się między innymi do produkcji, tak zwanej, zaprawy gipsowejzaprawy gipsowej.
Sprawdź, w jaki sposób otrzymuje się zaprawę gipsową i jakie czynniki mają wpływ na jej twardnienie. W tym celu wykonaj doświadczenie .
Problem badawczy:
Jak otrzymuje się zaprawę gipsową i jakie czynniki mają wpływ na jej twardnienie?
Hipoteza:
Zaprawa gipsowa szybko wiąże wodę.
Co było potrzebne?
gips palony;
zlewka z wodą;
porcelanowa parownica;
łyżka;
bagietka;
pudełko po zapałkach lub inna foremka.
Instrukcja:
Do parownicy wsypano trzy łyżki gipsu palonego. Stopniowo dodawano wodę, mieszając zawartość naczynia bagietką, aż do uzyskania masy o konsystencji gęstej śmietany. Otrzymaną zaprawę umieszczono w pudełku po zapałkach. Po kilkunastu minutach sprawdzono twardość zaprawy. Odlew pozostawiono na kilka godzin i po tym czasie sprawdzono jego kształt i twardość.
Obserwacje:
Po zmieszaniu wody z gipsem palonym powstaje masa, o konsystencji gęstej śmietany. Po kilkunastu minutach otrzymana masa zaczyna twardnieć i staje się cieplejsza w dotyku. Po kilku godzinach odlew jest twardy, suchy i ma kształt zastosowanej formy.
Wnioski:
Postawiona hipoteza jest prawdziwa – zaprawa gipsowa wiąże wodę. Zachodzący proces jest procesem egzotermicznym (w jego wyniku do otoczenia wydziela się ciepło).
Zapisz nazwę systematyczną produktu powstałego w wyniku reakcji przebiegającej w doświadczeniu nr .
Podsumowanie doświadczenia:
Otrzymana w doświadczeniu nr mieszanina gipsu palonego i wody to zaprawa gipsowa, która szybko twardnieje. Dzieje się tak, ponieważ gips palony ma właściwości higroskopijne, a więc wykazuje zdolność wiązania (pochłaniania) wody. Zachodzący proces twardnienia tej zaprawy gipsowej jest egzotermiczny i można go opisać równaniem reakcji:
Proces zachodzący podczas twardnienia zaprawy gipsowej jest reakcją odwrotną do prażenia gipsu krystalicznego. Twardnienie zaprawy gipsowej zachodzi pod wpływem wody, dlatego nazywa się ją zaprawą hydrauliczną. Szybkość twardnienia zaprawy, a więc szybkość wiązania wody, zależy od stosunku ilości użytych do jej sporządzenia składników: gipsu palonego oraz wody. Im więcej wody użyjemy do przygotowania zaprawy, tym dłuższy będzie czas jej twardnienia, ponieważ nadmiar użytej wody musi odparować z układu.
Ze względu na czas twardnienia mieszaniny gipsu palonego i wody wyróżnia się kilka rodzajów zapraw gipsowych, które mają inny skład, dlatego znajdują różne zastosowanie w budownictwie. Najszybciej twardnieje zaprawa budowlana, bo już po około minutach od momentu zmieszania jej z wodą. Zaprawa szpachlowa potrzebuje około minut. Z kolei długim czasem wiązania wody charakteryzuje się zaprawa tynkarska (w tym gładź szpachlowa), która – w zależności od grubości warstwy – twardnieje od jednej do kilkunastu godzin.
Zapoznaj się z poniższą symulacją, a dowiesz się, w jaki sposób odróżnić skały wapienne od skał gipsowych. Następnie zapisz obserwacje, równanie zachodzącej reakcji chemicznej oraz wnioski.
4. Zastosowanie skał gipsowych
Możliwości zastosowania gipsu są bardzo różnorodne, szczególnie w budownictwie, gdzie wykorzystuje się go do sporządzania zaprawy gipsowej, prefabrykatów budowlanych, posadzek samopoziomujących czy do produkcji cementu. Gips jest materiałem ekologicznym, przyjaznym dla człowieka. Łatwo chłonie nadmiar wilgoci z atmosfery, a gdy powietrze w pomieszczeniu jest suche, oddaje wodę do otoczenia.
Zapoznaj się z poniższym filmem, a dowiesz się, gdzie jeszcze w budownictwie wykorzystuje się gips. Następnie rozwiąż ćwiczenie pod filmem.
Popularnym materiałem budowlanym są wspomniane w filmie płyty gipsowo–kartonowe (tak zwane regipsy). Mają one postać arkuszy, składających się z gipsu zabezpieczonego tekturą.
Zapoznaj się z poniższym filmem, a dowiesz się, jakie zalety mają płyty gipsowo–kartonowe. Następnie rozwiąż ćwiczenie pod filmem.
Gips znalazł również zastosowanie w przemyśle ceramicznym do produkcji form odlewniczych. Używa się go także do produkcji farb i lakierów. W rolnictwie jest wykorzystywany jako środek użyźniania i nawożenia gleby, a w przemyśle spożywczym do klarowania win. Szczególne ważne miejsce znalazł w medycynie, gdzie używa się bardzo czyste odmiany gipsu, tak zwany gips chirurgiczny i dentystyczny. Ponadto znaczne jego ilości są wykorzystywane do tworzenia wyrobów artystycznych (gips modelowy), takich jak figurki gipsowe, maski czy sztukaterii. W rzeźbiarstwie szczególnie cenionym materiałem jest konkretna odmiana gipsu – alabaster. Służy do wyrobu między innymi waz, pucharów, tacek, świeczników, popielnic, abażurów lamp, stiuków oraz rzeźb.
Wybrane zastosowania gipsu zaprezentowano w poniższej galerii.
Usztywnianie kończyn było znane już w starożytności. Używano do tego celu drewnianych deseczek i wstęg materiału, nasączonego krochmalem, żywicą, woskiem, białkiem z kurzych jaj, a nawet wapnem. Opatrunki z gipsu dotarły do Europy w z Arabii. Nie miały zbyt wielu zwolenników. Dopiero kiedy na początku do unieruchomienia kończyn zastosowano sproszkowany i wyprażony gips, metodę tę zaczęto stosować powszechnie.
Do pomiaru wilgotności powietrza stosuje się różnego typu wilgotnościomierze (tak zwane higrometry). W konstrukcji higrometru chemicznego można wykorzystać niektóre hydraty, które zmieniają swoje zabarwienie w zależności od ilości wody (pary wodnej), zawartej w otoczeniu. Taki higrometr to pasek bibuły nasycony mieszaniną z chlorkiem kobaltu(), z kolorami powodującymi odpowiednie zabarwienie tej soli, w zależności od wilgotności pomieszczenia, w którym przyrząd ten zostanie umieszczony.
Zastanów się i odpowiedz na pytanie, na jaki kolor powinien zabarwić się biały pasek bibuły na higrometrze chemicznym, umieszczonym w pomieszczeniu, w którym nasze samopoczucie, ze względu na ten parametr, będzie najlepsze? Każdy z kolorów, zaprezentowanych na grafice w powyższej ciekawostce, symbolizuje wilgotności całkowitej.
5. Kras gipsowy
Procesy krasowienia i formy krasu gipsowego należą do rzadkich zjawisk, co jest powodowane stosunkowo małymi pokładami gipsu w skorupie ziemskiej, w przeciwieństwie do ilości wapieni. Krasowienie gipsów polega na rozpuszczeniu ich przez wodę, która w odróżnieniu od krasu wapiennego nie musi zawierać tlenku węgla(). Jest to możliwe dlatego, że gips i anhydryt są materiałami chłonącymi wilgoć i umiarkowanie rozpuszczają się w wodzie. Oznacza to także, że formy krasu gipsowego są bardzo nietrwałe i dość młode, w porównaniu z krasem wapiennym. Można je spotkać w różnych częściach świata, również w Polsce. W naszym kraju występują głównie na Ponidziu. Największą polską jaskinią gipsową jest Jaskinia Skorocicka w okolicach Buska‑Zdroju.
Jednak najbardziej niezwykłą gipsową grotą jest Kryształowa Jaskinia w meksykańskim stanie Chihuahua.
Jaskinia Kryształowa, nazywana też Kaplicą Sykstyńską Kryształów, została odkryta przypadkiem w przez górników drążących tunel. Słynie ona z największych odkrytych dotąd okazów gipsu (wiele z nich osiąga kolosalne rozmiary – nawet do długości, a ich waga dochodzi aż do ). Kryształy, które znajdują się w tej jaskini, są jednocześnie jednymi z największych minerałów na świecie. W grocie panują ekstremalne warunki klimatyczne, tzn. temperatura dochodzi do , a wilgotność powietrza wynosi prawie . Z tego względu jej eksplorowanie jest możliwe tylko w specjalnych kombinezonach ochronnych, wyposażonych w maski podłączone do zasobników z tlenem. W przeciwnym razie pobyt w jaskini nie może być dłuższy niż minut.
Podsumowanie
Skały gipsowe zawierają w swoim składzie siarczan() wapnia .
Gips krystaliczny oraz gips palony są przykładami uwodnionych soli (hydratów). Anhydryt () to przykład soli bezwodnej.
Hydraty są nietrwałe i podczas ogrzewania przechodzą w sole bezwodne lub sole o niższym stopniu uwodnienia.
W wyniku prażenia gipsu krystalicznego w temperaturze około powstaje gips palony, a powyżej – bezwodny siarczan() wapnia.
Zaprawa gipsowa jest przykładem zaprawy hydraulicznej – w czasie twardnienia wiąże wodę.
Skały gipsowe wykorzystywane są w budownictwie, medycynie, rolnictwie, w przemyśle: ceramicznym, spożywczym, chemicznym. Są też cennym tworzywem w rękach artystów.
Zastanów się i odpowiedz na pytanie, dlaczego do unieruchamiania kończyn wykorzystuje się gips palony, a nie wapno palone.
Oblicz stężenie procentowe roztworu, który powstanie po rozpuszczeniu bezwodnego chlorku kobaltu() w wody, w temperaturze pokojowej. Jakie stężenie procentowe będzie miał roztwór, jeśli w tej samej temperaturze, w wody, rozpuści się chlorku kobaltu()–woda()? Wyniki podaj z dokładnością do liczb całkowitych.
Korzystając z dostępnych źródeł informacji, napisz czym jest gips syntetyczny i z czego się go otrzymuje. Następnie zastanów się i odpowiedz na pytanie, jakie są zalety opatrunku z gipsu syntetycznego w porównaniu z opatrunkiem tradycyjnym.
Słownik
w chemii nieorganicznej związki chemiczne, które zawierają cząsteczki wody wbudowane w sieć krystaliczną; najczęściej tworzone są przez sole nieorganiczne
cząsteczki wody wbudowane w sieć krystaliczną hydratów
związek chemiczny należący do hydratów (soli uwodnionych), o nazwie
siarczan() wapnia–woda() i wzorze ; w przyrodzie występuje jako minerał
występowanie tej samej (pod względem składu chemicznego) substancji w dwóch lub więcej odmianach krystalicznych, różniących się budową wewnętrzną i związanymi z nią postaciami krystalograficznymi oraz właściwościami fizycznymi i niektórymi właściwościami chemicznymi; odmiany polimorficzne mają ten sam wzór sumaryczny, a więc taki sam skład chemiczny, ale różnią sposobem połączenia indywiduów chemicznych budujących kryształ danej odmiany
dziesięciostopniowa skala używana do określania względnej twardości minerałów; jako wzorców używa się w niej odpowiednich minerałów, którym przypisano odpowiednie wartości na skali: talk (najmniejsza twardość), gips, kalcyt, fluoryt, apatyt, ortoklaz, kwarc, topaz, korund, diament (największa twardość); jest to skala orientacyjna – jeśli badany minerał jest w stanie zarysować powierzchnię minerału wzorcowego (zawartego w skali), to przypisuje się mu jego twardość
związek chemiczny należący do hydratów (soli uwodnionych), o nazwie
siarczan() wapnia–woda() i wzorze ; można go otrzymać, ogrzewając gips krystaliczny w temperaturze około
mieszanina gipsu palonego i wody, twardniejąca pod wpływem wiązania wody; reakcja wiązania wody przez gips palony jest reakcją egzotermiczną (w jej wyniku do otoczenia wydziela się ciepło) i można ją opisać równaniem:
Ćwiczenia
Uczeń przeprowadził doświadczenie, zilustrowane na poniższym schemacie.
Przeprowadzono doświadczenie chemiczne, w którym w poziomo ułożonej probówce na dnie znajdował się siarczan() miedzi()–woda(), a u jej wylotu bezwodny chlorek kobaltu(). Część probówki z siarczanem() miedzi()–woda() umieszczono w płomieniu palnika. Po pewnym czasie próbka przyjęła białe zabarwienie, na ściankach zaczęły osadzać się krople bezbarwnej cieczy, a bezwodny chlorek kobaltu() po kontakcie z parami i cieczą przybrał czerwone zabarwienie.
W pewnym laboratorium chemicznym znajdowały się dwa eksykatory wypełnione silikażelem, wymieszanym z chlorkiem kobaltu(). Poniżej opisano wygląd zawartości obydwu eksykatorów.
EKSYKATOR : zawartość o barwie czerwonej.
EKSYKATOR : zawartość o barwie niebieskiej.
W poniższej tabeli znajdują się pojęcia, prezentowane w niniejszej lekcji, zapisane w trzech różnych językach. Przetłumacz je na język polski i podaj ich znaczenie.
Lp. | Język angielski | Język niemiecki | Język francuski |
---|---|---|---|
hydrate | Hydrat | hydrater | |
gypsum | Gips | gypse | |
chalcantite | Chalkantit | chalcantite | |
gypsum mortar | Gipsmörtel | mortier de gypse | |
anhydrite | Anhydrit | anhydrite |
W poniższej tabeli znajdują się pojęcia, prezentowane w niniejszej lekcji, zapisane w trzech różnych językach. Przetłumacz je na język polski i podaj ich znaczenie.
Lp. | Język angielski | Język niemiecki | Język francuski |
---|---|---|---|
hydrate | Hydrat | hydrater | |
gypsum | Gips | gypse | |
chalcantite | Chalkantit | chalcantite | |
gypsum mortar | Gipsmörtel | mortier de gypse | |
anhydrite | Anhydrit | anhydrite |
Bibliografia
Encyklopedia PWN
Hassa R., Mrzigod A., Mrzigod J., To jest chemia. Zakres podstawowy, Warszawa 2012.
Maciejowska I., Warchoł A., Świat chemii. Zakres podstawowy, Kraków 2012.
Pazdro K. M., Chemia. Pierwiastki i związki nieorganiczne, Warszawa 2012.