1. Rodzaje skał gipsowych

Skały gipsowe podobnie jak wapienie i kreda są skałami osadowymi. Ich głównym składnikiem jest siarczan(VI) wapnia, z którego zbudowane są takie minerały jak: gips i anhydryt. Pokłady gipsu krystalicznego (${\text{CaSO}}_{\text{4}}{\text{ · 2H}}_{\text{2}}\text{O}$), który jest przykładem hydratuhydratyhydratu, powstały podczas odparowywania słonych wód jezior i rzek w temperaturze niższej niż 42°C. Gips krystalicznygips krystalicznyGips krystaliczny może również tworzyć odmianę zwaną alabastrem (${\text{CaSO}}_{\text{4}}{\text{ · 2H}}_{\text{2}}\text{O}$). Natomiast w wyższych temperaturach krystalizuje anhydryt (${\text{CaSO}}_{\text{4}}$), czyli bezwodny siarczan(VI) wapnia, z łac. an – bez i hydro – woda, czyli gips bezwodny.

R1OT2GGLq4tO01

Rodzaje skał gipsowych

W Polsce występują bogate złoża gipsu i anhydrytu. Największe pokłady znajdują się w m.in.: w dolinie rzeki Nidy (te złoża są zaliczane do największych w Europie), w Niwnicach k. Lwówka Śląskiego, w Niecce Głogowskiej, na obrzeżu Gór Świętokrzyskich.

R1dCDT0DYuhks1

Rozmieszczenie złóż gipsu i anhydrytu na terenie Polski

Gips krystaliczny w warunkach naturalnych tworzy przepiękne kryształy w różnych kolorach: czerwonym, szarym, białym, ale najczęściej jest bezbarwny. Odznacza się charakterystycznym jedwabnym, perłowym lub szklistym połyskiem. Jego twardość w skali Mohsa wynosi 2, należy więc do miękkich i kruchych minerałów. Gęstość tego minerału wynosi ok. 2,3 g/cmIndeks górny 3³.

Alabaster to minerał dobrze prześwitujący, biały lub nieco zabarwiony, np. na: żółtawo, zielonkawo, różowawo. Alabaster gipsowy można bez trudu porysować paznokciem. W przyrodzie występuje również alabaster kalcytowy. Można go odróżnić od alabastru gipsowego po twardości, ponieważ jest on znacznie trudniejszy do porysowania – można tego dokonać dopiero z użyciem ostrego noża z dobrej jakościowo stali. Gęstość alabastru kalcytowego mieści się w przedziale 2,7–2,8 g/cmIndeks górny 3³.

Anhydryt również można spotkać w różnych kolorach: białym, szarym, niebieskim lub bezbarwnym. Zawsze pozostaje przezroczysty z charakterystycznym szklistym lub perłowym połyskiem. Jego twardość w skali Mohsa to 3–3,5, a gęstość to ok. 2,9–3,0 g/cmIndeks górny 3³.

Ciekawostka

Róża pustyni (piaskowa róża, kamienna róża) stanowi skupienie kryształów gipsu przypominających wyglądem płatki róży, dzięki czemu ma duże walory dekoracyjne. Poza przeważającą ilością gipsu zawiera także różne ilości piasku kwarcowego. Tworzy się 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 różę.

R4Da3D3C9S9sf1

Pustynia w Tunezji i gipsowa "róża pustyni"

2. Budowa i nazewnictwo hydratów

Hydraty (wodziany) to uwodnione sole. Są to związki chemiczne, które zawierają cząsteczki wody wbudowane w sieć krystaliczną. Woda zawarta w hydratach nosi nazwę wody krystalizacyjnejwoda krystalizacyjna (hydratacyjna)wody krystalizacyjnej lub hydratacyjnej. W krysztale pięciowodnego siarczanu(VI) miedzi(II) na jeden kation miedzi(II) i jeden anion siarczanowy(VI) przypada pięć cząsteczek wody. Często ta sama substancja może tworzyć kilka różnych hydratów, przykładem może być węglan sodu (${\text{Na}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3}}{\text{ · 10H}}_{\text{2}}\text{O}$, ${\text{Na}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3}}{\text{· 7H}}_{\text{2}}\text{O, }$${\text{Na}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3}}{\text{· H}}_{\text{2}}\text{O}$).

Symbolicznym zapisem obecności wody w hydratach jest kropka, która nie oznacza znaku mnożenia, lecz wskazuje na obecność wody w sieci krystalicznej. Nazwy hydratów tworzy się na kilka sposobów. Nazwa systematyczna zalecana przez Komisję Nomenklaturową PTCh zawiera: nazwę soli bezwodnej, długą kreskę, słowo „woda” i w nawiasie podane wzajemne proporcje składników w tym związku.

R17yQ4ReSizRx1

Sposoby tworzenia nazw hydratów

3. Właściwości hydratów

Ogrzewanie gipsu krystalicznego

Doświadczenie 1

Problem badawczy

W jaki sposób można wykryć wodę w gipsie krystalicznym?

Hipoteza

Ogrzewanie hydratów prowadzi do usunięcia zawartej w nich wody.

Co będzie potrzebne

• pokruszony gips krystaliczny,

• probówka,

• palnik,

• statyw,

• łącznik,

• łapa do probówek.

Instrukcja

1. Do probówki wsyp drobno pokruszony gips krystaliczny.

2. Probówkę zamocuj w statywie, najlepiej poziomo, i ogrzewaj w płomieniu palnika.

3. Obserwuj zachodzące zmiany.

Podsumowanie

W wyniku ogrzewania gipsu krystalicznego w probówce powstaje biała drobnoziarnista substancja stała, a na ściankach pojawiają się kropelki bezbarwnej cieczy. W układzie zachodzi przemiana, którą można opisać równaniem:

RjHb7QcD9zABe1

równanie reakcji

Produktami tej reakcji są gips palonygips palonygips palony i woda. Temperatura, w której zachodzi ta przemiana, wynosi ok. 120°C. W temperaturze powyżej 180°C gips krystaliczny całkowicie traci wodę, tworząc bezwodny siarczan(VI) wapnia:

${\text{CaSO}}_{\text{4}}\text{ ·}{\text{ 2H}}_{\text{2}}\text{O}\stackrel{\text{ temp. > 180°C}}{\to }{\text{CaSO}}_{\text{4}}\text{ +} {\text{2H}}_{\text{2}}\text{O}$

R13VJ1iuAeRfV1

Chemik bierze do ręki probówkę i wsypuje do niej pokruszony gips krystaliczny. Probówkę mocuje poziomo w statywie, za pomocą łapy i ogrzewa ją od dołu palnikiem. Krystaliczne ciało stale przechodzi w biały proszek, a na ściankach probówki skrapla się para wodna.

Chemik bierze do ręki probówkę i wsypuje do niej pokruszony gips krystaliczny. Probówkę mocuje poziomo w statywie, za pomocą łapy i ogrzewa ją od dołu palnikiem. Krystaliczne ciało stale przechodzi w biały proszek, a na ściankach probówki skrapla się para wodna.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Chemik bierze do ręki probówkę i wsypuje do niej pokruszony gips krystaliczny. Probówkę mocuje poziomo w statywie, za pomocą łapy i ogrzewa ją od dołu palnikiem. Krystaliczne ciało stale przechodzi w biały proszek, a na ściankach probówki skrapla się para wodna.

Ciekawostka

Niektóre sole bezwodne mogą różnić się od swoich hydratów barwą. Przykładem może być tzw. siny kamień, czyli ${\text{CuSO}}_{\text{4}} {\text{· 5H}}_{\text{2}}\text{O}$ [siarczan(VI) miedzi(II)–woda(1/5)], który ma postać niebieskich kryształków. Podczas ogrzewania go niebieska barwa stopniowo zmienia kolor na biały. W podobny sposób zachowuje się także ${\mathrm{CoCl}}_2$, który jest solą służącą do wykrywania wody, ponieważ zmienia w sposób charakterystyczny swoją barwę w zależności od liczby cząsteczek wody krystalizacyjnej, tzn. bezwodny chlorek kobaltu(II) jest niebieski, dwuwodny – różowy, a sześciowodny – czerwony.

R1WqSEbq5mSgY1

Przykłady hydratów, które zmieniają barwę w zależności od liczby związanych cząsteczek wody

Przygotowanie zaprawy gipsowej i badanie szybkości jej twardnienia

Doświadczenie 2

Problem badawczy

Jak otrzymuje się zaprawę gipsową i jakie czynniki mają wpływ na jej twardnienie?

Hipoteza

Zaprawa gipsowazaprawa gipsowaZaprawa gipsowa szybko wiąże wodę.

Co będzie potrzebne

• gips palony,

• zlewka z wodą,

• porcelanowa parownica,

• łyżka,

• bagietka,

• pudełko po zapałkach lub inna foremka.

Instrukcja

1. Do parownicy wsyp 3–4 łyżki gipsu palonego.

2. Stopniowo dodawaj wodę, mieszając zawartość naczynia bagietką, aż do uzyskania masy o konsystencji gęstej śmietany.

3. Jedną połowę otrzymanej zaprawy gipsowej umieść w pudełku po zapałkach lub innej foremce, a drugą pozostaw w parownicy.

4. Po kilkunastu minutach sprawdź twardość zaprawy w parownicy, a wykonany odlew pozostaw na kilka godzin.

Podsumowanie

Po zmieszaniu, w odpowiednich proporcjach, wody z gipsem palonym powstaje szara papka, o konsystencji gęstej śmietany. Otrzymana mieszanina, zwana zaprawą gipsową, szybko twardnieje. Gips palony wykazuje zdolność wiązania wody. Jak nazywa się taka właściwość? Zachodzący proces twardnienia tej zaprawy jest egzoenergetyczny i można go opisać równaniem reakcji:

R1SoikjG4puE71

równanie reakcji

Twardnienie zaprawy gipsowej zachodzi pod wpływem wody, dlatego zaprawę tę nazywa się zaprawą hydrauliczną. Proces zachodzący podczas twardnienia zaprawy gipsowej jest reakcją odwrotną do prażenia gipsu krystalicznego.

R1c5096QSAL0Q1

Film przedstawiający otrzymywanie zaprawy gipsowej

Film przedstawiający otrzymywanie zaprawy gipsowej

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Film przedstawiający otrzymywanie zaprawy gipsowej

Rh7q71v2kJ83f1

Odróżnianie skał gipsowych od wapiennych - wnioski

Odróżnianie skał gipsowych od wapiennych - wnioski

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/Dz0fOyOXQ

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, to oddaje nadmiar wilgoci.

R1dzX6aHjeERX1

Zastosowanie gipsu w budownictwie

Zastosowanie gipsu w budownictwie

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Zastosowanie gipsu w budownictwie

*Płyty gipsowo‑kartonowe (tzw. regips) to bardzo popularny materiał budowlany, mający postać arkuszy składających się z gipsu zabezpieczonego tekturą.

RoACzojoWKQDF1

Zalety płyt gipsowo-kartonowych

Zalety płyt gipsowo-kartonowych

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Zalety płyt gipsowo-kartonowych

Gips jest ponadto wykorzystywany w przemyśle ceramicznym do produkcji form odlewniczych. Używa się go również do produkcji farb i lakierów. W rolnictwie jest stosowany jako środek do użyźniania i nawożenia gleby, a w przemyśle spożywczym – do klarowania win. Szczególne zastosowanie znajduje w medycynie, gdzie wykorzystuje się bardzo czyste odmiany gipsu, tzw. gips chirurgiczny i dentystyczny. Ponadto znaczne jego ilości są wykorzystywane do tworzenia wyrobów artystycznych (gips modelowy), takich jak figurki gipsowe, maski, sztukateria, odlewy. W rzeźbiarstwie szczególnie cenionym materiałem jest alabaster. Służy do wyrobu m.in. waz, pucharów, tacek, świeczników, popielnic, abażurów lamp, stiuków i rzeźb.

Ciekawostka

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 VIII wieku z Arabii. Nie miały zbyt wielu zwolenników. Dopiero kiedy na początku IX wieku do unieruchomienia kończyn zastosowano sproszkowany i wyprażony gips, wtedy metodę tę zaczęto stosować powszechnie.

RT44xguzd1msX1

Inne przykłady zastosowania gipsu

Ciekawostka

Do pomiaru wilgotności powietrza stosuje się różnego typu wilgotnościomierze (tzw. 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 zawierającą chlorek kobaltu z kolorami powodującymi odpowiednie zabarwienie tej soli w zależności od wilgotności pomieszczenia, w którym przyrząd ten zostanie umieszczony.

RwqMFTdjZ5AAo1

Higrometr chemiczny

5. Kras gipsowy

Procesy krasowienia i formy krasu gipsowego należą do rzadkich zjawisk. Spowodowane to jest 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(IV). Jest to możliwe dlatego, że gips i anhydryt są materiałami chłonącymi wilgoć i umiarkowanie rozpuszczającymi się w wodzie. Oznacza to także, że formy krasu gipsowego są bardzo nietrwałe i stosunkowo 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 kraju jest Jaskinia Skorocicka w okolicach Buska‑Zdroju. Jednak najbardziej niezwykłą gipsową grotą jest Kryształowa Jaskinia w meksykańskim stanie Chihuahua.

Ciekawostka

Jaskinia Kryształowa, nazywana też Kaplicą Sykstyńską Kryształów, została odkryta przypadkiem w 2000 roku przez górników drążących tunel. Jaskinia ta słynie z największych odkrytych dotąd okazów gipsu (liczne z nich osiągają kolosalne rozmiary, nawet do 15 metrów długości, a ich waga dochodzi aż do 55 ton). 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 65,5°C, a wilgotność powietrza wynosi prawie 100%. 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 10 minut. Po zapoznaniu się z poniższym multimedium zapewne potrafisz odpowiedzieć na pytanie: „Dlaczego najdoskonalszym twórcą, jeśli chodzi o eksponaty otrzymywane z gipsu, okazała się natura?”.

RawbIA1rMEwmb1

Kaplica Sykstyńska Kryształów

Podsumowanie

• Skały gipsowe zawierają w swoim składzie siarczan(VI) wapnia.

• W wyniku prażenia gipsu krystalicznego w temp. ok. 120°C powstaje gips palony, a powyżej 180°C tworzy się bezwodny siarczan(VI) 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 o niższym stopniu uwodnienia.

• Zaprawa gipsowa jest przykładem zaprawy hydraulicznej.

• Skały gipsowe wykorzystywane są w budownictwie, medycynie, rolnictwie, w przemyśle: ceramicznym, spożywczym, chemicznym. Są też cennym tworzywem w rękach artystów.

Słowniczek

Zadania