Известь, гипс и жёсткость воды
Круговорот извести
Известь — один из древнейших строительных материалов. Чтобы получить её из известняка, известняк обжигают: карбонат кальция разлагается на оксид кальция и углекислый газ. Полученный оксид кальция называют негашёной известью, или «кипелкой». При добавлении воды он превращается в гидроксид кальция — гашёную известь. Если смешать её с песком, получится известковый раствор. На воздухе он постепенно твердеет, поскольку гидроксид кальция поглощает углекислый газ и вновь превращается в карбонат кальция.
scienceИзвестковый цикл
- \(\ce{CaCO3 ->[900 °C] CaO + CO2}\) — при обжиге известняка образуются негашёная известь и углекислый газ.
- \(\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}\), \(\Delta H = -65\) кДж/моль — при гашении извести выделяется столько теплоты, что вода может вскипать.
- \(\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O}\) — известковый раствор твердеет на воздухе при взаимодействии гашёной извести с углекислым газом.
Таким образом, при твердении снова образуется карбонат кальция, с которого начиналось получение извести. Этот процесс продолжается месяцы и годы: углекислый газ должен проникнуть с воздуха внутрь кладки. При реакции выделяется вода, поэтому свежая штукатурка может «потеть».
auto_awesomeИзвесть и фрески
Фреска (итал. fresco — «свежий») — роспись по сырой известковой штукатурке. Пигменты, смешанные с водой, наносят на влажный раствор. При взаимодействии извести с углекислым газом кристаллы \(\ce{CaCO3}\) вырастают вокруг частиц краски и закрепляют их. Благодаря этой реакции сохраняются фрески Джотто и Микеланджело.
boltМольные массы известкового цикла
Молярные массы \(\ce{CaCO3}\), \(\ce{CaO}\) и \(\ce{Ca(OH)2}\) составляют соответственно 100, 56 и 74 г/моль. Поэтому при обжиге тонны известняка, состоящего из карбоната кальция, теоретически получают 560 кг негашёной извести и 440 кг углекислого газа. Производство извести и цемента даёт около 8 % мировых выбросов \(\ce{CO2}\).
Гипс
Гипс \(\ce{CaSO4*2H2O}\) — мягкий минерал, который можно поцарапать ногтем. В отличие от известняка, при нагревании он прежде всего теряет воду. Состав и свойства продукта зависят от температуры обжига.
| Температура | Продукт | Свойства |
|---|---|---|
| 120–180 °C | \(\ce{CaSO4*0{,}5H2O}\) — алебастр, или строительный гипс. | При добавлении воды схватывается за 5–30 минут. |
| 200–350 °C | Образуется растворимый ангидрит \(\ce{CaSO4}\). | Он гигроскопичен; при взаимодействии с водой быстро превращается в полугидрат и гипс. |
| выше 500 °C | Образуется нерастворимый, или «намертво обожжённый», ангидрит. | При добавлении воды он почти не схватывается. |
При добавлении воды к строительному гипсу вновь образуется минерал гипс. Это превращение называют схватыванием (\(\ce{2CaSO4*0{,}5H2O + 3H2O -> 2CaSO4*2H2O}\)): растущие игольчатые кристаллы переплетаются, и смесь затвердевает. Её объём при этом немного увеличивается, поэтому гипс точно заполняет форму. Это свойство используют при изготовлении слепков, медицинских повязок и лепнины.
Сульфат кальция важен и при изучении воды: растворённый гипс вызывает постоянную жёсткость, которая не исчезает при кипячении. Удалить ионы кальция из такой воды помогает сода.
history_eduПарижский гипс
Близ Парижа, на Монмартре, гипс добывали с древности. Английское название алебастра — «plaster of Paris», то есть «парижский гипс». По преданию, после Великого лондонского пожара 1666 года Людовик XIV предписал покрывать деревянные дома Парижа гипсовой штукатуркой. Гипс не горит и при нагревании выделяет воду.
scienceГипс в реакциях
- \(\ce{2CaSO4*2H2O ->[150 °C] 2CaSO4*0{,}5H2O + 3H2O}\) — при нагревании гипса образуется полугидрат сульфата кальция и выделяется вода.
- \(\ce{CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3 v + Na2SO4}\) — при добавлении соды к воде, содержащей сульфат кальция, ионы кальция переходят в осадок карбоната кальция.
- \(\ce{2CaSO4 ->[1200 °C] 2CaO + 2SO2 + O2}\) — при очень высокой температуре ангидрит разлагается с образованием оксида кальция, диоксида серы и кислорода.
Расчёты по жёсткости
Напомним определение из урока 145: 1 °Ж = 1 мг-экв/л = 0,5 ммоль/л ионов \(\ce{Ca^2+}\) и \(\ce{Mg^2+}\) в сумме. Чтобы рассчитать расход реагента для умягчения воды, или устранения жёсткости, сначала находят количество этих ионов в заданном объёме воды. Затем по уравнению реакции определяют необходимое количество реагента.
Способ умягчения зависит от того, какими солями вызвана жёсткость.
- Временную жёсткость можно устранить известью: \(\ce{Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2CaCO3 + 2H2O}\). На 1 моль \(\ce{Ca(HCO3)2}\) требуется 1 моль \(\ce{Ca(OH)2}\).
- Постоянную жёсткость устраняют содой: \(\ce{CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3 + Na2SO4}\). На 1 моль \(\ce{Ca^2+}\) требуется 1 моль соды.
- Если жёсткость вызвана солями магния, применяют известь и соду. Сначала протекает реакция \(\ce{MgCl2 + Ca(OH)2 -> Mg(OH)2 + CaCl2}\), а затем содой осаждают образовавшиеся ионы кальция.
boltПорядок расчёта
Сначала переводят жёсткость из °Ж в ммоль/л, разделив её значение на 2. Затем умножают полученную концентрацию на объём воды в литрах: результат выражен в миллимолях. После этого находят количество реагента по уравнению реакции, переводят миллимоли в моли и рассчитывают массу. Частые ошибки — забыть разделить значение жёсткости на 2 или перепутать м³ с литрами.
auto_awesomeПочему жёсткая вода создаёт проблемы
Накипь в котлах снижает теплопередачу. Её слой толщиной 1 мм увеличивает расход топлива на несколько процентов и может привести к прогару труб. В жёсткой воде мыло образует хлопья нерастворимых солей кальция и магния. При этом умеренно жёсткая вода приятнее на вкус, а содержащиеся в ней кальций и магний полезны; постоянно пить дистиллированную воду не рекомендуют.
push_pinГлавное
При обжиге известняка \(\ce{CaCO3}\) при 900–1000 °C получают негашёную известь \(\ce{CaO}\). Её гашение, \(\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}\), сопровождается значительным выделением теплоты (\(-65\) кДж/моль). Известковый раствор твердеет, поглощая \(\ce{CO2}\): \(\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O}\). Гипс \(\ce{CaSO4*2H2O}\) при 150 °C превращается в алебастр \(\ce{CaSO4*0{,}5H2O}\), который при добавлении воды снова схватывается в гипс. При сильном обжиге, выше 500 °C, образуется «намертво обожжённый» ангидрит, который почти не схватывается. Временную жёсткость воды устраняют кипячением или известью, постоянную — содой или ионным обменом. При расчётах учитывают, что 1 °Ж соответствует суммарной концентрации ионов \(\ce{Ca^2+ + Mg^2+}\) 0,5 ммоль/л.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.