Известь, гипс и жёсткость воды
Круговорот извести
Известь — один из древнейших строительных материалов. Её цикл удивительно замкнут:
scienceИзвестковый цикл
- \(\ce{CaCO3 ->[900 °C] CaO + CO2}\) — обжиг известняка в печи (негашёная известь, «кипелка»).
- \(\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}\), \(\Delta H = -65\) кДж/моль — гашение; известь «кипит», вода вскипает.
- \(\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O}\) — твердение известкового раствора (извести с песком) на воздухе.
Вернулись к исходному карбонату! Строительство из известняка — это его разложение и обратная сборка. Твердение идёт медленно (месяцы и годы) — диффузия \(\ce{CO2}\) внутрь кладки; выделяющаяся вода заставляет свежую штукатурку «потеть».
auto_awesomeИзвесть и фрески
Фреска (итал. fresco — «свежий») — роспись по сырой известковой штукатурке. Пигменты в воде наносят на влажный раствор; при карбонизации кристаллы \(\ce{CaCO3}\) вырастают вокруг частиц краски и запечатывают их. Фрески Джотто и Микеланджело держатся благодаря этой реакции.
boltМольные массы цикла
\(\ce{CaCO3}\) 100 → \(\ce{CaO}\) 56 → \(\ce{Ca(OH)2}\) 74. Из тонны известняка — 560 кг извести и 440 кг углекислого газа: производство извести и цемента даёт около 8 % мировых выбросов \(\ce{CO2}\).
Гипс
Гипс \(\ce{CaSO4*2H2O}\) — мягкий минерал (им можно царапать ногтем). При нагревании он теряет воду ступенями:
| Температура | Продукт | Свойства |
|---|---|---|
| 120–180 °C | \(\ce{CaSO4*0{,}5H2O}\) (алебастр, строительный гипс) | с водой схватывается за 5–30 минут |
| 200–350 °C | растворимый ангидрит \(\ce{CaSO4}\) | гигроскопичен, с водой быстро возвращается в полугидрат и гипс |
| выше 500 °C | нерастворимый («намертво обожжённый») ангидрит | почти не схватывается |
Схватывание: \(\ce{2CaSO4*0{,}5H2O + 3H2O -> 2CaSO4*2H2O}\) — переплетающиеся игольчатые кристаллы; объём немного увеличивается, и гипс точно заполняет форму (слепки, медицинские повязки, лепнина).
history_eduПарижский гипс
Близ Парижа (Монмартр) добывали гипс с древности; «plaster of Paris» — английское название алебастра. По преданию, после Великого лондонского пожара 1666 года Людовик XIV предписал покрывать деревянные дома Парижа гипсовой штукатуркой — гипс не горит и выделяет при нагревании воду.
scienceГипс в реакциях
- \(\ce{2CaSO4*2H2O ->[150 °C] 2CaSO4*0{,}5H2O + 3H2O}\).
- \(\ce{CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3 v + Na2SO4}\) — гипс в воде даёт постоянную жёсткость.
- \(\ce{2CaSO4 ->[1200 °C] 2CaO + 2SO2 + O2}\) — разложение ангидрита при очень высокой температуре.
Расчёты по жёсткости
Напомним (урок 145): 1 °Ж = 1 мг-экв/л = 0,5 ммоль/л ионов \(\ce{Ca^2+}\) и \(\ce{Mg^2+}\).
Устранение жёсткости (по молям ионов кальция):
- временная — известь: \(\ce{Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2CaCO3 + 2H2O}\), 1 моль \(\ce{Ca(OH)2}\) на моль \(\ce{Ca(HCO3)2}\);
- постоянная — сода: \(\ce{CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3 + Na2SO4}\), 1 моль соды на моль \(\ce{Ca^2+}\);
- магниевая — сода и известь: \(\ce{MgCl2 + Ca(OH)2 -> Mg(OH)2 + CaCl2}\), затем соду на образовавшийся кальций.
boltЦепочка единиц
°Ж → ммоль/л (÷2) → моль в заданном объёме (× литры) → масса реагента. Самая частая ошибка — забыть делить градусы на 2 или путать м³ с литрами.
auto_awesomeПочему жёсткая вода — проблема
Накипь в котлах снижает теплопередачу: слой в 1 мм увеличивает расход топлива на несколько процентов и может привести к прогару труб. Мыло в жёсткой воде образует хлопья нерастворимых солей кальция. Зато умеренно жёсткая вода вкуснее, а кальций и магний в ней — полезные минералы; дистиллированную воду пить постоянно не рекомендуют.
push_pinГлавное
Известняк \(\ce{CaCO3}\) обжигают (900–1000 °C) до негашёной извести \(\ce{CaO}\); гашение \(\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}\) сильно экзотермично (\(-65\) кДж/моль); известковый раствор твердеет, поглощая \(\ce{CO2}\): \(\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O}\). Гипс \(\ce{CaSO4*2H2O}\) при 150 °C даёт алебастр \(\ce{CaSO4*0{,}5H2O}\), который с водой снова схватывается в гипс; при сильном обжиге (выше 500 °C) — «намертво обожжённый» ангидрит, почти не схватывающийся. Жёсткость: временную устраняют кипячением и известью, постоянную — содой и ионным обменом; 1 °Ж = 0,5 ммоль/л \(\ce{Ca^2+ + Mg^2+}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.