2.5. Hydraty i zaprawa hydrauliczna

Gips jest ciekawym tworzywem zarówno w rękach murarza, jak i artysty oraz 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. Jednak najdoskonalszym twórcą okazała się natura. Dlaczego?

Już wiesz: 

  • że sole kwasu siarkowego(VI) to siarczany(VI);
  • że masa cząsteczkowa związku chemicznego to masa cząsteczki wyrażona w jednostkach masy atomowej [u];
  • że zewnętrzną warstwę skorupy ziemskiej tworzą różne skały i minerały.

Nauczysz się: 

  • zapisywać wzory i tworzyć nazwy hydratów;
  • interpretować różnice we właściwościach hydratów i substancji bezwodnych;
  • opisywać proces twardnienia zaprawy gipsowej oraz zapisywać odpowiednie równanie reakcji;
  • omawiać 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 siarczan(VI) wapnia, z którego zbudowane są takie minerały jak: gipsanhydryt. Pokłady gipsu krystalicznego (CaSO IndeksDolny 4 KoniecIndeksów · 2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O), który jest przykładem hydratu, powstały podczas odparowywania słonych wód jezior i rzek w temperaturze niższej niż 42°C. Gips krystaliczny może również tworzyć odmianę zwaną alabastrem (CaSO IndeksDolny 4 KoniecIndeksów · 2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O). Natomiast w wyższych temperaturach krystalizuje anhydryt (CaSO IndeksDolny 4 KoniecIndeksów), czyli bezwodny siarczan(VI) wapnia, z łac. an – bez i hydro – woda, czyli gips bezwodny.
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.
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/cm3.

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/cm3.

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/cm3.

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.

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 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 (Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów CO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów · 10H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O, Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów CO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów · 7H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O,Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów CO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów · H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów 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.

3. Właściwości hydratów

Doświadczenie 2.5.1. Ogrzewanie gipsu krystalicznego

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. 1.
    Do probówki wsyp drobno pokruszony gips krystaliczny.
  2. 2.
    Probówkę zamocuj w statywie, najlepiej poziomo, i ogrzewaj w płomieniu palnika.
  3. 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:
Produktami tej reakcji są gips 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:
CaSO IndeksDolny 4 KoniecIndeksów · 2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O strzałka-w-prawo IndeksNad temp. > 180°C     KoniecIndeksów CaSO IndeksDolny 4 KoniecIndeksów +   2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O

 

Polecenie 2.5.1.

Jaką nazwę systematyczną ma gips palony?

Wskazówka

Gips palony jest nazywany gipsem półwodnym. Jakie są wzajemne proporcje składników: bezwodnego siarczanu(VI) wapnia przypadającego na jedną cząsteczkę wody w tym związku?

Ciekawostka

Niektóre sole bezwodne mogą różnić się od swoich hydratów barwą. Przykładem może być tzw. siny kamień, czyli CuSO IndeksDolny 4 KoniecIndeksów   · 5H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów 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 CoCl IndeksDolny 2 KoniecIndeksów, 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.

Doświadczenie 2.5.2. Przygotowanie zaprawy gipsowej i badanie szybkości jej twardnienia

Problem badawczy:  
Jak otrzymuje się zaprawę gipsową i jakie czynniki mają wpływ na jej twardnienie?
Hipoteza: 
Zaprawa gipsowa szybko wiąże wodę.
Co będzie potrzebne: 
  • gips palony,
  • zlewka z wodą,
  • porcelanowa parownica,
  • łyżka,
  • bagietka,
  • pudełko po zapałkach lub inna foremka.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do parownicy wsyp 3–4 łyżki gipsu palonego.
  2. 2.
    Stopniowo dodawaj wodę, mieszając zawartość naczynia bagietką, aż do uzyskania masy o konsystencji gęstej śmietany.
  3. 3.
    Jedną połowę otrzymanej zaprawy gipsowej umieść w pudełku po zapałkach lub innej foremce, a drugą pozostaw w parownicy.
  4. 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:
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.

Ciekawostka

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 ok. 10 minutach od momentu zmieszania jej z wodą. Zaprawa szpachlowa potrzebuje ok. 30 minut. Natomiast długim czasem wiązania wody charakteryzuje się zaprawa tynkarska (w tym gładź szpachlowa), która w zależności od grubości warstwy twardnieje od jednej do kilkunastu godzin.

Polecenie 2.5.2.

W jaki sposób można odróżnić skały gipsowe od skał wapiennych?

Wskazówka

Jaki związek chemiczny jest głównym składnikiem skał gipsowych, a jaki tworzy skały wapienne? W jaki sposób można odróżnić skały wapienne od innych skał i minerałów?

Zadanie 2.5.1.

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

Polecenie 2.5.3.

Dlaczego do unieruchamiania kończyn wykorzystuje się gips palony, a nie wapno palone?

Wskazówka

Jaki charakter chemiczny ma wapno palone? Jak zabarwi się uniwersalny papierek wskaźnikowy w otrzymanym roztworze? Dlaczego podczas dodawania wody do wapna palonego należy zachować szczególną ostrożność? Jak pod wpływem wody zachowa się gips palony?

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.

Polecenie 2.5.4.

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 symbolizuje 1/5 wilgotności całkowitej.

Wskazówka

Optymalna wilgotność w pomieszczeniach, w których odpoczywamy, jak i w miejscu pracy powinna wynosić 40–60%. W zbyt suchych pomieszczeniach m.in. wysychają spojówki, pękają usta, nasilają się objawy chorób układu oddechowego. Zbyt wysoka wilgotność powoduje rozwój grzybów i bakterii.

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?".

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.

Praca domowa

Polecenie 2.5.5.

Problem 1.
Oblicz stężenie procentowe roztworu, który powstanie po rozpuszczeniu 70 g bezwodnego chlorku kobaltu(II) w 130 g wody. Jakie stężenie procentowe będzie miał roztwór, jeśli w 130 g wody rozpuści się 70 g chlorku kobaltu(II)—woda(1/6)?
Problem 2.
Czym jest gips syntetyczny i z czego się go otrzymuje? Jakie są zalety opatrunku z gipsu syntetycznego w porównaniu z opatrunkiem tradycyjnym?

Słowniczek

Definicja

hydraty –
w chemii nieorganicznej, sole, które zawierają cząsteczki wody wbudowane w sieć krystaliczną

Definicja

woda krystalizacyjna (hydratacyjna) –
cząsteczki wody wbudowane w sieć krystaliczną hydratów

Definicja

gips krystaliczny –
siarczan(VI) wapnia—woda(1/2)

Definicja

gips palony –
siarczan(VI) wapnia—woda(2/1)

Definicja

zaprawa gipsowa –
mieszanina gipsu palonego i wody, twardniejąca pod wpływem wiązania wody

Zadania

Zadanie 2.5.2.

Zadanie 2.5.3.

Zadanie 2.5.4.

Zadanie 2.5.5.

Zadanie 2.5.6.

Zadanie 2.5.7.

Zadanie 2.5.8.