Skały wapienne
Jak to się dzieje, że w niektórych masywach górskich możemy obserwować powstawanie wapiennych jaskiń z oryginalnymi formami skalnymi? Czy wiesz, że gdyby nie skały wapienne, tak potrzebna zaprawa wapienna prawdopodobnie nie towarzyszyłaby człowiekowi od tysiącleci? Jaka substancja łączy kredę szkolną, kamień w czajniku i marmurową rzeźbę Wenus z Milo?
podział reakcji chemicznych ze względu na towarzyszący im efekt energetyczny;
właściwości higroskopijne tlenku wapnia;
reakcje chemiczne tlenków z zasadami;
produkty reakcji węglanów (soli kwasu węglowego) z kwasami;
doświadczalne metody wykrywania obecności tlenku węgla(IV) w układzie reakcyjnym.
opisywać rodzaje skał wapiennych, ich właściwości i zastosowanie;
projektować i przeprowadzać doświadczenie, które pozwala na odróżnienie skał wapiennych od innych skał i minerałów;
wyjaśniać, na czym polega proces gaszenia wapna palonego i gdzie znajduje zastosowanie;
omawiać proces twardnienia zaprawy wapiennej;
określać wpływ czynników atmosferycznych (temperatury, ciśnienia, wilgotności powietrza) na efektywność twardnienia zaprawy wapiennej;
wyjaśniać na czym polegają zjawiska krasowe.
1. Rodzaje skał wapiennych
Od niepamiętnych czasów do wznoszenia budynków wykorzystywano wapienie pozyskiwane ze skał wapiennychskał wapiennych, które budują wiele łańcuchów górskich. Ich głównym składnikiem jest węglan wapnia (), występujący w przyrodzie jako minerał. Jego nazwa – kalcytkalcyt – pochodzi od greckiego słowa chalix i oznacza wapno. Nawiązuje więc do tradycyjnego zastosowania tego minerału. Do skał wapiennych zalicza się także kredę i marmur. Wapień i kreda to skały osadowe, a marmur jest przykładem skał przeobrażonych (metamorficznych).
Przeanalizuj poniższą galerię, a dowiesz się, w jaki sposób mogą powstawać skały.
2. Powstawanie i występowanie skał wapiennych
Skały wapienne mogą powstawać w wyniku nagromadzenia się węglanowych szczątków zwierzęcych (m.in. kości, muszli czy skorupek), a niekiedy również roślinnych, na dnie zbiorników morskich i śródlądowych oraz przez wytrącenie węglanu wapnia z roztworów wodnych, na skutek odparowania wody ze zbiornika wodnego.
Luźny osad wapienny ulega przekształceniu w zwięzłą skałę dzięki procesom określanym łącznie mianem diagenezy. W uproszczeniu polegają one na łączeniu utworzonych ziaren skalnych za pomocą odpowiedniego spoiwa (rolę spoiwa mogą odgrywać np. węglany – minerały zbudowane z soli kwasu węglowego).
Największe złoża marmurów w Polsce zlokalizowane są w rejonie Masywu Śnieżnika, w Sudetach Wschodnich oraz we wschodniej części Karkonoszy.
Najważniejsze złoża wapieni występują na obrzeżu Gór Świętokrzyskich, w Tatrach, Pieninach, w wielu miejscach lokalnie w Sudetach, na Lubelszczyźnie oraz Wyżynie Krakowsko‑Częstochowskiej. Tam też zbudowano z kamienia wapiennego wiele obiektów, które dziś mają dużą wartość historyczną.
Obejrzyj poniższy film, a następnie wymień przynajmniej cztery ukazane w nim miejsca na świecie, gdzie można podziwiać obiekty wyrzeźbione przez czynniki atmosferyczne w skałach wapiennych.
Pamukkale, czyli Bawełniany Zamek (pamuk – po turecku bawełna, kale – zamek) to miejscowość, która słynie z wapiennych osadów powstałych na zboczu góry Cökelez.
Woda bogata w rozpuszczalne związki wapnia i tlenek węgla(IV), wypływając z gorących źródeł, ochładza się na powierzchni, co skutkuje m.in. wytrącaniem się trudno rozpuszczalnego w wodzie węglanu wapnia, który w postaci osadu układa się w formy naciekowe. To bajeczne miejsce, wyglądające jak lodowiec w samym środku tej gorącej i orientalnej krainy, charakteryzuje się półkolistymi i eliptycznymi basenami z wodą termalną o temperaturze od 30 do 55°C.
Zawartość związków wapnia w spływającej z góry wodzie jest tak wysoka, że wytrącony z niej węglan wapnia może w przeciągu roku pokryć osadem o grubości 1 mm powierzchnię ok. .
3. Właściwości skał wapiennych
Skały wapienne to grupa skał zróżnicowanych pod względem fizykochemicznym. Wapień to skała o barwie białej, jasnoszarej lub beżowej. Czasami, w zależności od obecności obok kalcytu innych minerałów (takich jak np. kwarc, dolomit i piryt), wapienie mogą przyjmować kolor czerwony, zielonkawy lub brunatny. Są mało odporne na warunki atmosferyczne (m.in. na działanie wiatru czy też zmiany temperatury), a jako surowiec wykorzystuje się je np. w budownictwie – są łatwe w obróbce.
Kreda to skała o białej lub szarej barwie (tak jak na poniższych zdjęciach), porowatej strukturze i małej gęstości. Jest wyjątkowo miękka, więc łatwo wchłania wodę.
Marmur posiada budowę krystaliczną, o dużej twardości i różnym zabarwieniu – od białego poprzez różowe, zielone, aż do czarnego. Tę różnorodność kolorów zawdzięcza obecności innych substancji mineralnych występujących w nim. Jest trwały, ale jednocześnie daje się szlifować, polerować i piłować.
Świat odległy w czasie, czyli ammolity
Ammolity to jedne z najrzadziej występujących kamieni szlachetnych świata. Są to kopalne amonity, czyli skamieniałe szczątki głowonogów żyjących ok. 400–70 mln lat temu, od dewonu do końca kredy. Muszle tych głowonogów zbudowane były z węglanu wapnia i miały dwie warstwy – cienką, dobrze przeświecającą warstwę wapienną, i drugą, znacznie grubszą warstwę masy perłowej. Brak zewnętrznej (nieprzezroczystej) warstwy sprawiał, że unosząc się na powierzchni morza, mogły mienić się blaskiem jak duże, wielobarwne morskie świetliki. Takie cechy, jak kształt i efekty barwne sprawiają, że chętnie wykorzystuje się je w sztuce zdobniczej.
Sprawdź, w jaki sposób kwas chlorowodorowy (solny) wpływa na skały wapienne.
W tym celu wykonaj doświadczenie nr 1.
Przygotuj niezbędne odczynniki i przyrządy laboratoryjne. Wybierz hipotezę i zweryfikuj ją, przeprowadzając doświadczenie wg załączonej instrukcji. Napisz obserwacje oraz sformułuj odpowiedni wniosek. Napisz równania zachodzących reakcji chemicznych w formie cząsteczkowej.
Sprawdzono, w jaki sposób kwas chlorowodorowy (solny) wpływa na skały wapienne. W tym celu wykonano doświadczenie nr 1. Napisz równania zachodzących reakcji chemicznych w formie cząsteczkowej.
Problem badawczy:
Jak kwas solny wpływa na skały wapienne?
Hipoteza:
Kwas solny reaguje ze skałami wapiennymi.
Co było potrzebne:
węglan wapnia;
próbka marmuru;
kreda szkolna;
rozcieńczony kwas solny;
trzy kolby stożkowe;
trzy zlewki z wodą wapienną;
trzy korki z osadzonymi w nich rurkami odprowadzającymi.
Przebieg doświadczenia
W kolbach stożkowych umieszczono kolejno: w pierwszej - dwie łyżeczki węglanu wapnia, w drugiej - rozdrobniony (pokruszony) marmur, w trzeciej - pokruszoną kredę szkolną. Do każdej z kolb wprowadzono taką samą objętość rozcieńczonego kwasu solnego. Każdą kolbę szybko zamknięto korkiem z rurką odprowadzającą, której koniec umieszczono w zlewce z wodą wapienną (każdej z kolb odpowiadała osobna zlewka z wodą wapienną). Zaobserwowano zachodzące zmiany.
Obserwacje:
Zawartość każdej z kolb stożkowych się pieni (lub/i: w każdej z kolb wydziela się bezbarwny gaz).
Woda wapienna w każdej ze zlewek mętnieje (lub: w zlewkach z wodą wapienną wytrąca się biały osad).
Można również zaobserwować, że po pewnym czasie zmętnienie wody wapiennej zanika.
Wnioski:
Kwas solny reaguje ze skałami wapiennymi (konkretnie – ze składnikiem skał wapiennych, którym jest węglan wapnia).
Zapisz obserwacje, wnioski oraz równania reakcji chemicznych w formie cząsteczkowej do przeprowadzonego doświadczenia.
Zapisz równania zachodzących reakcji chemicznych.
Podsumowanie:
We wszystkich kolbach obserwujemy wydzielanie się bezbarwnego gazu. Świadczy to o reakcji chemicznej, zachodzącej pomiędzy węglanem wapnia (czystym oraz tym, zawartym w próbkach marmuru i kredy) a kwasem chlorowodorowym. Woda wapienna służy do identyfikacji tlenku węgla(IV). Jej zmętnienie w analizowanym doświadczeniu jest potwierdzeniem obecności tego gazu w układzie reakcyjnym. Samo zaś zmętnienie to biały osad trudno rozpuszczalnego w wodzie węglanu wapnia, który wytrąca się w wyniku reakcji tlenku węgla(IV) z rozpuszczonym w wodzie wodorotlenkiem wapnia. Zachodzące procesy można opisać następującymi równaniami reakcji chemicznych:
Możliwe, że podczas wykonywania doświadczenia udało Ci się zaobserwować stopniowe zanikanie zmętnienia wody wapiennej. Jeśli tak, to było ono spowodowane reakcją wytrąconego węglanu wapnia z wodą i nadmiarem tlenku węgla(IV), w wyniku czego powstaje dobrze rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan wapnia ()
Reakcja z kwasem chlorowodorowym (solnym) może być stosowana w laboratorium, w celu wykrywania węglanów (soli kwasu węglowego) w analizowanych próbkach. W naszym przypadku były to próbki skał. Stosując kwas solny, możemy łatwo odróżnić skały wapienne (węglanowe) od innych skał (niewęglanowych), np. od anhydrytu, zbudowanego z siarczanu(VI) wapnia. Efekt podobny do obserwowanego po zastosowaniu kwasu chlorowodorowego dadzą również inne kwasy (zarówno nieorganiczne, jak i organiczne), pod warunkiem, że będą kwasami mocniejszymi od kwasu węglowego.
Zastanów się i odpowiedz na pytanie, w jaki sposób możesz w domu zidentyfikować obecność węglanu wapnia w kamieniu kotłowym (powstającym podczas gotowania wody w czajniku) lub w skorupce jaja kurzego.
Skały wapienne wydobywa się i przerabia, aby móc je wykorzystać m.in. do produkcji materiałów budowlanych. Pierwszym etapem przeróbki jest ich wypalanie (prażenie) w specjalnych piecach zwanych wapiennikami. Temperatura wewnątrz takiego pieca osiąga wartości rzędu 900‑1300°C.
Sprawdź, w jaki sposób węglan wapnia (główny składnik skał wapiennych) zachowuje się w podwyższonej temperaturze.
W tym celu wykonaj doświadczenie nr 2.
Przygotuj niezbędne odczynniki i przyrządy laboratoryjne. Zweryfikuj postawioną hipotezę przeprowadzając doświadczenie wg załączonej instrukcji. Napisz obserwacje oraz sformułuj odpowiedni wniosek. Napisz równania zachodzących reakcji chemicznych w formie cząsteczkowej.
Sprawdzono, w jaki sposób węglan wapnia (główny składnik skał wapiennych) zachowuje się w podwyższonej temperaturze.
Przygotowano niezbędne odczynniki i przyrządy laboratoryjne. Zweryfikuj postawioną hipotezę. Napisano obserwacje oraz sformułowano odpowiedni wniosek. Napisz równania zachodzących reakcji chemicznych w formie cząsteczkowej.
Problem badawczy
Czy węglan wapnia ulega reakcji chemicznej w wyniku działania podwyższonej temperatury?
Hipoteza
W wyniku ogrzewania węglanu wapnia powstają nowe substancje chemiczne.
Co było potrzebne
węglan wapnia;
zlewka z wodą wapienną;
probówka z trudnotopliwego szkła;
statyw na probówki;
palnik;
drewniana łapa do probówek;
korek z osadzoną w nim rurką odprowadzającą.
Przebieg doświadczenia
Do probówki z trudnotopliwego szkła wprowadzono 1‑2 gramy węglanu wapnia. Probówkę zamknięto korkiem z rurką odprowadzającą, umieszczając jej wlot w zlewce z wodą wapienną. Probówkę intensywnie ogrzano w płomieniu palnika i obserwowano roztwór w zlewce.
Obserwacje
Woda wapienna ulega zmętnieniu (lub: w zlewce z wodą wapienną wytrąca się biały osad).
Uwaga: można również zaobserwować, że po pewnym czasie zmętnienie wody wapiennej zanika.
Wnioski
Postawiona hipoteza jest prawdziwa. W wyniku działania podwyższonej temperatury węglan wapnia ulega termicznemu rozkładowi, w wyniku którego w układzie reakcyjnym powstają nowe substancje chemiczne – tlenek wapnia i tlenek węgla(IV).
Zapisz obserwacje, wnioski oraz równania reakcji chemicznych w formie cząsteczkowej do przeprowadzonego doświadczenia.
Zapisz równania zachodzących reakcji chemicznych
W wyniku prażenia skał wapiennych, zawarty w nich węglan wapnia ulega rozkładowi termicznemu na gazowy tlenek węgla(IV) i stały tlenek wapnia, zwany w przemyśle wapnem palonymwapnem palonym. Zachodzącą podczas tego procesu reakcję chemiczną możemy opisać równaniem:
Powstający w wyniku termicznego rozkładu skał wapiennych tlenek wapnia (wapno palonewapno palone) jest substancją stałą, higroskopijnąhigroskopijną, o białej barwie. W budownictwie znajduje zastosowanie m.in. do sporządzania tynków i tzw. zaprawyzaprawy wapiennej. Sprawdźmy zachowanie się wapna palonego wobec wody.
4. Charakterystyka substancji otrzymywanych z węglanu wapnia
Sprawdź, w jaki wapno palone (uzyskane w wyniku prażenia wapienia) zachowuje się wobec wody.
W tym celu wykonaj doświadczenie nr 3.
Przygotuj niezbędne odczynniki i przyrządy laboratoryjne. Zweryfikuj postawioną hipotezę, przeprowadzając doświadczenie wg załączonej instrukcji. Napisz obserwacje oraz sformułuj odpowiedni wniosek. Napisz równanie zachodzącej reakcji chemicznej w formie cząsteczkowej. Uwaga: przeprowadzając to doświadczenie zachowaj wszelkie środki ostrożności – załóż fartuch, rękawice i okulary ochronne. Jeśli nie masz możliwości samodzielnego wykonania doświadczenia, obejrzyj znajdujący się pod instrukcją film.
Sprawdzono, w jaki wapno palone (uzyskane w wyniku prażenia wapienia) zachowuje się wobec wody.
Przygotowano niezbędne odczynniki i przyrządy laboratoryjne. Zweryfikuj postawioną hipotezę. Napisano obserwacje oraz sformułowano odpowiedni wniosek. Napisz równanie zachodzącej reakcji chemicznej w formie cząsteczkowej. Przeprowadzając to doświadczenie zachowano wszelkie środki ostrożności – założono fartuch, rękawice i okulary ochronne.
Problem badawczy
Czy tlenek wapnia (wapno palone) reaguje z wodą?
Hipoteza
Tlenek wapnia (wapno gaszone) ulega reakcji chemicznej z wodą.
Co było potrzebne
tlenek wapnia;
alkoholowy roztwór fenoloftaleiny;
zlewka z wodą destylowaną;
łyżka;
porcelanowa parownica;
termometr.
Przebieg doświadczenia
W porcelanowej parownicy umieszczony niewielką ilość wapna palonego. Do wapna palonego ostrożnie dodano wodę destylowaną. Do parownicy z wapnem palonym i wodą włożono termometr i sprawdzono, jak zmienia się temperatura w trakcie eksperymentu. Po wyjęciu termometru, dodano do zawartości parownicy kilka kropli alkoholowego roztworu fenoloftaleiny.
Obserwacje
Ciało stałe (częściowo) roztwarza się. Temperatura układu wzrasta. Alkoholowy roztwór fenoloftaleiny dodaniu do uzyskanej zawiesiny zabarwia się na malinowo.
Wnioski
Postawiona hipoteza jest prawdziwa – tlenek wapnia (wapno palone) reaguje z wodą z utworzeniem wodorotlenku wapnia. W wyniku zachodzącej reakcji chemicznej wydziela się ciepło – proces ten jest zatem egzotermiczny (egzoenergetyczny). Malinowe zabarwienie alkoholowego roztworu fenoloftaleiny świadczy o zasadowym odczynie roztworu wodorotlenku wapnia otrzymanego w doświadczeniu.
Zapisz obserwacje, wnioski oraz równanie reakcji chemicznej w formie cząsteczkowej do przeprowadzonego doświadczenia.
Zapisz równanie reakcji chemicznej.
Wapno palone gwałtownie reaguje z wodą, czemu towarzyszy wydzielanie się dużej ilości ciepła. Przebieg zachodzącej reakcji chemicznej można opisać za pomocą równania:
W przemyśle, reakcja wapna palonego z wodą nazywana jest gaszeniem wapna palonego i stanowi kolejny krok w procesie przeróbki wapieni. Powstały na tym etapie wodorotlenek wapnia to tzw. wapno gaszone. Na skalę przemysłową, proces gaszenia wapna palonego jest prowadzony na sucho, tzn. przy użyciu min. ilości wody, niezbędnej do prawidłowego zajścia reakcji chemicznej. Otrzymany w ten sposób produkt to tzw. wapno hydratyzowanewapno hydratyzowane. Wapno gaszone zmieszane z wodą (czyli zawiesina, którą otrzymaliśmy w doświadczeniu nr 3) to tzw. mleko wapienne, z kolei nasycony klarowny roztwór wodorotlenku wapnia jest nazywany wodą wapienną. Po dodaniu alkoholowego roztworu fenoloftaleiny do wodnego roztworu wodorotlenku wapnia pojawia się malinowe zabarwienie, co świadczy o zasadowym odczynie uzyskanego roztworu. Jest on spowodowany obecnością w układzie jonów wodorotlenkowych, pochodzących z dysocjacji elektrolitycznej wodorotlenku wapnia w wodzie:
Zastanów się i odpowiedz na pytanie, dlaczego podczas gaszenia wapna palonego należy bezwzględnie przestrzegać zasad bezpieczeństwa, stosując okulary, rękawice oraz odzież ochronną? Jak należy postąpić w przypadku dostania się wapna palonego do oka? Skorzystaj z wiedzy zdobytej podczas wykonywania doświadczenia nr 3 i z dostępnych Ci źródeł informacji.
Zastanów się i odpowiedz na pytanie, dlaczego podczas gaszenia wapna palonego należy bezwzględnie przestrzegać zasad bezpieczeństwa, stosując okulary, rękawice oraz odzież ochronną? Jak należy postąpić w przypadku dostania się wapna palonego do oka? Skorzystaj z wiedzy zdobytej podczas analizy doświadczenia nr 3 i z dostępnych Ci źródeł informacji.
Obecnie wapno gaszone, w postaci wapna hydratyzowanego, można kupić np. w sklepie z materiałami budowlanymi. Ma ono postać białego proszku. Dawniej jednak przygotowywano je w pobliżu prowadzonej budowy, zalewając wapno palone, umieszczone w wykopanym w ziemi dole, wodą. Przed przystąpieniem do dalszych prac, odczekiwano co najmniej dwa tygodnie. Po tym czasie można było przygotować tzw. zaprawę murarską, którą otrzymywano z wapna gaszonego i piasku (którego głównym składnikiem jest tlenek krzemu(IV)).
Przygotuj zaprawę murarską (zaprawę wapienną) i sprawdź, czy za jej pomocą można trwale połączyć dwie cegły. W tym celu wykonaj doświadczenie nr 4.
Przygotuj niezbędne odczynniki i przyrządy laboratoryjne. Zweryfikuj postawioną hipotezę, przeprowadzając doświadczenie wg załączonej instrukcji. W oparciu o odnotowane obserwacje, sformułuj odpowiedni wniosek. Jeśli nie masz możliwości samodzielnego wykonania doświadczenia, obejrzyj znajdujący się pod instrukcją film. Uwaga – końcowy efekt doświadczenia sprawdź po upływie ok. 24 godzin.
Przygotowano zaprawę murarską (zaprawę wapienną) i sprawdzono, czy za jej pomocą można trwale połączyć dwie cegły. W tym celu wykonano doświadczenie nr 4. Przygotowano niezbędne odczynniki i przyrządy laboratoryjne. Zweryfikowano postawioną hipotezę, przeprowadzając doświadczenie wg załączonej instrukcji. W oparciu o odnotowane obserwacje, sformułowano odpowiedni wniosek. Uwaga – końcowy efekt doświadczenia sprawdzono po upływie ok. 24 godzin.
Problem badawczy
W jaki sposób można trwale połączyć dwie cegły?
Hipoteza
Do łączenia cegieł można wykorzystać zaprawę murarską.
Co było potrzebne
piasek;
wapno gaszone;
woda;
duża zlewka;
łyżka;
bagietka;
dwie cegły.
Przebieg doświadczenia
W zlewce zmieszano wapno gaszone i piasek w stosunku wagowym 1:3. Następnie dodano niewielką ilość wody tak, by otrzymana mieszanina miała postać dosyć gęstego ciasta. Całość dokładnie wymieszano. Przygotowaną zaprawę podzielono na dwie części, Jedną z części odłożono i wykorzystano w doświadczeniu nr 5. Pozostałą zaprawą wapienną połączono dwie cegły i pozostawiono do stwardnienia. Następnego dni sprawdzono trwałość połączenia.
Obserwacje
Dwie cegły połączyły się.
Film z przeprowadzonego doświadczenia
Zapisz wniosek wynikający z przeprowadzonego doświadczenia.
Zaprawa wapienna (będąca jednym z rodzajów zaprawy murarskiej), wykazuje silne właściwości wiążące, dlatego ma zastosowanie w budownictwie. Występujący w niej wodorotlenek wapnia jest materiałem wiążącym, zaś piasek pełni rolę kruszywa wypełniającego, a woda uplastycznia masę tak, aby można było łączyć ze sobą materiały, np. dwie cegły. Po pewnym czasie zaprawa zastyga. Proces ten często nazywany jest także twardnieniem. Jest on związany z odparowywaniem wody oraz z procesami chemicznymi, do których należą: wiązanie przez wodorotlenek wapnia tlenku węgla(IV) z powietrza, zgodnie z równaniem reakcji:
oraz wiązanie tlenku krzemu(IV) z piasku, wg równania reakcji:
Twardnienie jest długotrwałe – zachodzi powoli, nawet przez kilka lat. Dzięki obecności piasku, który warunkuje porowatość zaprawy, tlenek węgla(IV) wnika w coraz to głębsze warstwy muru.
Zastanów się, czy warunki atmosferyczne, w jakich zachodzi twardnienie zaprawy wapiennej, mają wpływ na przebieg tego procesu. W udzieleniu odpowiedzi pomoże Ci wykonanie doświadczenia nr 5. Przygotuj niezbędne odczynniki i przyrządy laboratoryjne. Zweryfikuj postawioną hipotezę przeprowadzając doświadczenie wg załączonej instrukcji. W oparciu o odnotowane obserwacje, sformułuj odpowiedni wniosek. Jeśli nie masz możliwości samodzielnego wykonania doświadczenia, obejrzyj znajdujący się pod instrukcją film.
Zastanów się, czy warunki atmosferyczne, w jakich zachodzi twardnienie zaprawy wapiennej, mają wpływ na przebieg tego procesu. W udzieleniu odpowiedzi pomoże Ci wykonane doświadczenia nr 5. Przygotowano niezbędne odczynniki i przyrządy laboratoryjne. Zweryfikuj postawioną hipotezę analizując doświadczenie wg załączonej instrukcji. W oparciu o odnotowane obserwacje, sformułuj odpowiedni wniosek.
Problem badawczy
Czy twardnienie zaprawy murarskiej zależy od warunków, w jakich zachodzi ten proces?
Hipoteza
Szybkość twardnienia zaprawy murarskiej zależy od warunków, w jakich zachodzi ten proces.
Co było potrzebne
zaprawa murarska (możesz wykorzystać zaprawę wapienną przygotowaną w trakcie doświadczenia nr 4);
szkiełko zegarkowe;
jeden zakręcany słoiczek z wodą;
Trzecią kulkę umieść w słoiczku wypełnionym tlenkiem węgla(IV). Naczynie zamknij.
Czwartą ogrzewaj w płomieniu palnika.
Po kilku godzinach, za pomocą bagietki, sprawdź twardość każdej z kulek.
Obserwacja
Kulka, która była ogrzewana, kruszy się, podobnie jak ta, która była pozostawiona na powietrzu. Z kolei ta, która była zamknięta w słoiku z tlenkiem węgla(IV), nie kruszy się w tak dużym stopniu jak dwie poprzednie. Kulka umieszczona w wodzie rozpadła się.
Wnioski
Postawiona hipoteza jest prawdziwa – proces twardnienia zaprawy murarskiej (zaprawy wapiennej) zależy od warunków środowiska, w jakich zachodzi. Najtwardsza okazała się być zaprawa, którą umieszczono w słoiku z tlenkiem węgla(IV), najmniej twarda ta, którą umieszczono w wodzie (w ogóle nie stwardniała). Kulka, która była ogrzewana, ma nieco mniejszą twardość niż kulka pozostawiona na powietrzu bez ogrzewana.
Film z przeprowadzonego doświadczenia
Napisz obserwacje i wnioski do przeprowadzonego doświadczenia.
Zapisz w jakich warunkach sprawdzono stopień twardnienia zaprawy wapiennej.
Twardnienie zaprawy wapiennej jest uzależnione od warunków środowiska, w jakich zachodzi. Zarówno zbyt wysoka, jak i zbyt niska temperatura otoczenia negatywnie wpływają na twardnienie zaprawy wapiennej. Zaprawa tego rodzaju będzie miała małą trwałość również w wyniku narażenia na dużą wilgoć (np. na opady deszczu). Dlatego też zaleca się stosowanie zapraw wapiennych jako zapraw tynkarskich – do tynków wewnętrznych. Twardnienie zaprawy wapiennej można przyspieszyć, wykorzystując do tego celu specjalne osuszające gazy, które w swoim składzie zawierają tlenek węgla(IV).
5. Zjawiska krasowe
Zjawiska krasowe są wynikiem chemicznego oddziaływania wód powierzchniowych i podziemnych na skały. Nazwa kras pochodzi od nazwy płaskowyżu w Słowenii, gdzie te zjawiska są bardzo popularne. Krasowieniu ulegają przede wszystkim wapienie, a także m.in. dolomity, gips, kreda oraz sól kamienna. Woda nasycona tlenkiem węgla(IV), pochodzącym z atmosfery oraz z gnijących szczątków organicznych, reaguje ze składnikami skał, np. z kalcytem, powodując jego roztwarzanie (w wyniku tego procesu tworzy się dobrze rozpuszczalna w wodzie sól – wodorowęglan wapnia):
Zmniejszenie ilości tlenku węgla(IV) w roztworze, na skutek chociażby odparowywania wody, powoduje proces odwrotny – powolną krystalizację węglanu wapnia:
Strącanie węglanu wapnia z roztworu spływającego ze stropu jaskini prowadzi do tworzenia nacieków, które mogą przybierać różną postać: stalaktytów, stalagmitów czy stalagnatów. Intensywność roztwarzania wapienia zależy od wielu czynników: klimatu, ilości opadów (zachodzi szybciej w klimacie wilgotnym), zawartości tlenku węgla(IV) w wodzie, wysokości n.p.m. (na wysoko położonych obszarach woda krąży dłużej, więc intensywniej działa na skały, powodując ich roztwarzanie), a nawet ukształtowania powierzchni (im bardziej płaski obszar, tym więcej wody wnika w głąb).
Próby otrzymania stałego wodorowęglanu wapnia na drodze odparowania wody kończą się niepowodzeniem, gdyż strąca się wówczas węglan wapnia. Wodorowęglan wapnia jest trwały jedynie w roztworach.
Są na świecie miejsca, gdzie występują niezwykle fascynujące podziemne i skalne groty. Niektóre oszałamiają swoim ogromem i piękną rzeźbą, inne zaś urokliwym wnętrzem. Często tworzą setki kilometrów korytarzy oraz przestronne, malownicze komory. Przyglądając się różnorodnym formom naciekowym w jaskiniach, aż trudno uwierzyć, że natura potrafiła stworzyć coś tak niesamowitego.
Zapoznaj się z poniższym materiałem filmowym i wymień nazwy przynajmniej pięciu przedstawionych w nim jaskiń krasowych. Zastanów się, w jaki sposób położenie geograficzne wpłynęło na ich powstanie.
6. Zastosowanie skał wapiennych
Wapień jest głównie stosowany w budownictwie. Z niego wzniesiono wiele historycznych budowli, np. średniowieczną Bramę Floriańską oraz maszkarony w Sukiennicach w Krakowie, zamki na szlaku Orlich Gniazd. Na dużą skalę stanowił on lokalny materiał, z którego budowano domy i budynki gospodarcze.
Węglan wapnia jest surowcem używanym do produkcji spoiw budowlanych, np. cementucementu. Takie zastosowanie wynika z możliwości otrzymywania z tego związku wapna palonego i w efekcie wapna gaszonego, które stanowią podstawę otrzymywania zaprawy murarskiej. Z wapieni wytwarza się również nawozy sztuczne i mączkę wapienną, wykorzystywaną do budowy dróg. Skały wapienne są popularnym materiałem stosowanym w architekturze ogrodowej.
Zapoznaj się z poniższą grafiką i opowiedz krótko o możliwościach zastosowania wapienia. Zastanów się, czy (a jeśli tak, to gdzie i w jaki sposób) w Twojej najbliższej okolicy wykorzystuje się wapień.
Marmur jest bardzo dobrym materiałem rzeźbiarskim, wysoce cenionym przez artystów. Ciekawa gama kolorystyczna, niepowtarzalne wzornictwo oraz dominacja kalcytu, którego twardość w skali Mohsaskali Mohsa wynosi 3, ma wpływ na łatwość obróbki i zastosowanie głównie do wystroju wewnątrz budynków. Z płyty marmurowej wykonuje się posadzki, schody, parapety, elementy wykończenia kominków, wazony oraz rzeźby.
Ponadto jest niezwykle atrakcyjnym materiałem budowlanym. Z tego kamienia wzniesiono jedne z najpiękniejszych budowli świata.
Obejrzyj poniższą galerię zdjęć za pomocą strzałek umieszczonych po prawej i lewej stronie.
Zastanów się i odpowiedz na pytanie, dlaczego zastosowanie marmurowych blatów w kuchni może być kłopotliwe?
Zapoznaj się z poniższą grafiką i opowiedz krótko o możliwościach zastosowania marmuru. Zastanów się, czy (a jeśli tak, to gdzie i w jaki sposób) w Twojej najbliższej okolicy wykorzystuje się marmur.
Zastanów się i napisz jakie są możliwości zastosowania marmuru. Zastanów się, czy (a jeśli tak, to gdzie i w jaki sposób) w Twojej najbliższej okolicy wykorzystuje się marmur.
Kreda jest skałą, którą dodaje się do białych farb, kitu, proszków i past do zębów. Ma zastosowanie w przemyśle ceramicznym, chemicznym, farmaceutycznym i kosmetycznym. Po zmieszaniu z gipsem służy do wyrobu kredy do pisania.
Zapoznaj się z poniższą grafiką i opowiedz krótko o możliwościach zastosowania kredy. Zastanów się, czy (a jeśli tak, to gdzie i w jaki sposób) w Twojej najbliższej okolicy wykorzystuje się kredę.
Podsumowanie
Podstawowym składnikiem skał wapiennych, do których należą wapień i kreda (skały osadowe) oraz marmur (skała metamorficzna), jest węglan wapnia ().
Identyfikację skał wapiennych przeprowadza się za pomocą kwasów (np. kwasu chlorowodorowego). W obecności kwasu (mocniejszego od kwasu węglowego) skała wapienna pieni się – wydziela się bezbarwny, bezwonny gaz. Jest nim tlenek węgla(IV).
W wyniku prażenia wapieni, powstaje tzw. wapno palone (tlenek wapnia – ). Jest ono stosowane m.in. do otrzymywania wapna gaszonego (wodorotlenku wapnia – ) i karbidu (węgliku wapnia – ), jako nawóz do wapnowania gleb, a także jako środek owadobójczy.
Wapno gaszone wykorzystywane jest do produkcji zaprawy murarskiej.
Wapienie, pod wpływem wody bogatej w tlenek węgla(IV), ulegają chemicznemu wietrzeniu (erozji chemicznej). Stały węglan wapnia (budujący skałę) w wyniku reakcji chemicznej z wodą i tlenkiem węgla(IV) przechodzi w dobrze rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan wapnia. Ten z kolei, w wyniku zmian warunków ciśnienia i temperatury oraz zmniejszenia zawartości tlenku węgla(IV) w wodzie, może z powrotem przekształcić się w trudno rozpuszczalny w wodzie węglan wapnia. Opisane reakcje chemiczne są podstawą tzw. zjawisk krasowych.
Skały wapienne wykorzystywane są w różnych gałęziach przemysłu, m.in. w budownictwie, ogrodnictwie, rolnictwie, przemyśle kosmetycznym, farmaceutycznym, ceramicznym, chemicznym.
Napisz równania reakcji chemicznych (1 - 7), które przebiegają wg schematu. Skorzystaj z cząsteczkowego zapisu równań reakcji chemicznych. Następnie wykonaj polecenia A‑C.
A) Określ typy reakcji nr: 1, 2, 3. Wskaż, czy są to reakcje syntezy, czy analizy, czy wymiany.
B) Zastanów się i odpowiedz na pytanie, w jaki sposób należy zmienić temperaturę, by ułatwić przebieg reakcji nr 5? Odpowiedź uzasadnij.
C) Zastanów się i odpowiedz na pytanie, w jaki sposób należy zmienić ciśnienie, aby ułatwić przebieg reakcji nr 5?
Napisz równania reakcji chemicznych (1 - 7). Skorzystaj z cząsteczkowego zapisu równań reakcji chemicznych. Następnie wykonaj polecenia A‑C.
wapień wapno palone
wapno palone wapno gaszone
wapno gaszone węglan wapnia
węglan wapnia wodorowęglan wapnia
wodorowęglan wapnia węglan wapnia
wapno palone karbid
wapno gaszone karbid
A) Określ typy reakcji nr: 1, 2, 3. Wskaż, czy są to reakcje syntezy, czy analizy, czy wymiany.
B) Zastanów się i odpowiedz na pytanie, w jaki sposób należy zmienić temperaturę, by ułatwić przebieg reakcji nr 5? Odpowiedź uzasadnij.
C) Zastanów się i odpowiedz na pytanie, w jaki sposób należy zmienić ciśnienie, aby ułatwić przebieg reakcji nr 5?
Węglan wapnia jest głównym składnikiem pereł, zawierających również substancję organiczną, tzw. konchiolinę, dzięki której perły nie są wieczne, lecz starzeją się. Ich powstawanie zawdzięczamy niewielkim małżom – perłopławom. Perłopław otacza masą perłową obcy element, który dostał się do jego wnętrza. Z biegiem lat obcy element przyjmuje kształt mniej lub bardziej regularnej perły. Biorąc pod uwagę ich twardość, która wynosi 2,5–4,5 w skali Mohsaskali Mohsa, oraz ich skład chemiczny, opisz, w jaki sposób powinno się zadbać o biżuterię wykonaną z pereł, aby zachwycała swoim pięknem przez wiele lat? Skorzystaj z wiedzy zdobytej podczas analizy niniejszego materiału i z dostępnych Ci źródeł informacji.
Zastanów się i odpowiedz na pytanie, czy dostrzegasz jakieś podobieństwo pomiędzy procesem zachodzącym w czajniku podczas gotowania twardej wodytwardej wody a powstawaniem form naciekowych, np. stalaktytów i stalagmitów w jaskiniach? Odpowiedź uzasadnij.
Słownik
(łac. caementum = kamień tłuczony) sproszkowany materiał wiążący, wytwarzany z minerałów, pełniący w zaprawie murarskiej rolę spoiwa budowlanego; plastyczna mieszanina utworzona w wyniku zmieszania cementu z wodą (zaprawa murarska) ma zdolność do twardnienia zarówno na powietrzu, jak i w wodzie
minerał o wzorze chemicznym (węglan wapnia), główny składnik skał wapiennych
dziesięciostopniowa skala, używana do określania względnej twardości minerałów; jako wzorców używa się w niej odpowiednich minerałów, którym przypisano odpowiednie wartości na skali: 1 – talk (najmniejsza twardość), 2 – gips, 3 – kalcyt, 4 – fluoryt, 5 – apatyt, 6 – ortoklaz, 7 – kwarc, 8 – topaz, 9 – korund, 10 – diament (największa twardość); skala orientacyjna – jeśli badany minerał jest w stanie zarysować powierzchnię minerału wzorcowego (zawartego w skali), to przypisuje się mu jego twardość
skały, których głównym minerałem jest kalcyt (węglan wapnia); do skał wapiennych należą: wapień, marmur i kreda
substancje chemiczne zdolne do pochłaniania pary wodnej i wody; np. tlenek wapnia
woda o wysokiej zawartości jonów wapnia () i magnezu (), pochodzących z dysocjacji elektrolitycznej rozpuszczonych w niej soli tych metali
nazwa zwyczajowa wodorotlenku wapnia ()
stały wodorotlenek wapnia, stosowany do otrzymywania zapraw wapiennych i cementowo‑wapiennych; wapno hydratyzowane otrzymuje się poprzez gaszenie wapna palonego minimalną ilością wody, potrzebną do całkowitego przereagowania tlenku wapnia
nazwa zwyczajowa tlenku wapnia ()
nasycony wodny roztwór wodorotlenku wapnia
mieszanina spoiwa budowlanego (materiału wiążącego), kruszywa (najczęściej piasku) i wody; zaprawa murarska ma zwykle plastyczną konsystencję i na skutek zachodzenia odpowiednich reakcji chemicznych, twardnieje z upływem czasu; w zależności od rodzaju używanego spoiwa, wyróżnia się m.in. zaprawy wapienne, gipsowo‑wapienne, gipsowe i gliniane
Ćwiczenia
Oblicz masę wapna palonego, jaką można otrzymać w wyniku termicznego rozkładu 10 kg wapienia, wiedząc, że próbka ta zawiera 95% masowych węglanu wapnia i 5% masowych minerałów, które nie ulegają rozkładowi pod wpływem temperatury. Wynik podaj w kilogramach, z dokładnością do drugiego miejsca po przecinku.
Oblicz masę wapna palonego, jaką można otrzymać w wyniku termicznego rozkładu 10 kg wapienia, wiedząc, że próbka ta zawiera 95% masowych węglanu wapnia i 5% masowych minerałów, które nie ulegają rozkładowi pod wpływem temperatury. Wynik podaj w kilogramach, z dokładnością do drugiego miejsca po przecinku.
Przypomnij sobie proces przeróbki wapieni. W kolejnych dwóch zadaniach dopasuj do poszczególnych etapów nazwy odpowiednich związków (zwyczajowe i systematyczne) oraz wzory chemiczne (sumaryczne) oraz uzupełnij procesy zachodzące w poszczególnych etapach przeróbki wapieni.
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.