Курсовая работа: Сульфат кальция, кристаллогидрат и безводная соль

CaSO₄ +4CO = CaS + 4CO₂ t = 600-800˚С

CaSO₄ + Na₂ CO₃ = CaCO₃ ↓+Na₂ SO₄

CaSO₄ 2H₂ O = CaSO₄ 0,5H₂ O + 1,5H₂ O t = 150-170˚С

CaSO₄ 0,5H₂ O = CaSO₄ + 0,5H₂ O t = 225±5˚С [3]

1.4 Жёсткость воды

Содержание в воде CaSO₄ наряду с MgCl₂ , MgSO₄ придаёт воде постоянную жёсткость. Избавиться от жёсткости воды можно с помощью умягчения воды. Химическое умягчение воды основано на введении в воду реагентов, обогащающих её анионами CO₃ ^2- и ОН^- . Для этого природную воду обрабатывают гашеной известью или содой:

CaSO₄ + Na₂ CO₃ = CaCO₃ ↓+Na₂ SO₄

Широкое распространение получил метод устранения жёсткости воды путём ионообмена. В этом методе используется способность некоторых природных и искусственных высокомолекулярных соединений – ионитов – обменивать входящие в их состав радикалы на ионы, находящиеся в растворе. Ионитами часто являются алюмосиликаты типа цеолитов, например, Na₂ [Al₂ Si₂ O₈ ]∙nH₂ O

Na₂ R + CaSO₄ = CaR + Na₂ SO₄

Где R – сложный алюмосиликатный ион.[1]

1.4 Применение

Жжёный гипс, или алебастр – гидрат состава 2CaSO₄ H₂ O – применяется в производстве вяжущих материалов (это порошкообразные вещества, образующиеся при смешивании с водой пластичную массу, затвердевающую в твёрдое прочное тело). Алебастр получаю обжигом гипса 2CaSO₄ 2H₂ O (при температуре 150 - 170˚С). При замешивании теста из порошка 2CaSO₄ H₂ O с водой происходит присоединение воды, сопровождающееся отвердеванием всей массы вследствие закристаллизовывания

2[CaSO₄ 0,5H₂ O]+3H₂ O=2[2CaSO₄ 2H₂ O]

На этом основано применение гипса при изготовлении строительных перегородочных плит и панелей, слепков с различных предметов, а также в виде известково-гипсовых растворов для штукатурных работ.[1]

Обжиг выше 200˚С ведёт к образованию растворимой формы безводного сульфата кальция, а выше 500˚С – его нерастворимой формы, которая вновь воду уже не присоединяет и поэтому в качестве вяжущего материала использована быть не может («мёртвый гипс»).

Образующиеся при ещё более сильном обжиге (900 - 1200˚С) основные соли состава x CaSO₄ ∙y CaO (гидравлический гипс), будучи замешаны с водой, вновь дают затвердевающую массу. Её твердение вызывается присоединением воды и кристаллизацией материала, причём образующиеся кристаллы тесно переплетаются и срастаются друг с другом, что обусловливает большую механическую прочность затвердевшей массы. Последняя вместе с тем весьма стойка по отношению к действию воды, изменению температуры и т. д. Гидравлический гипс применяется в строительном деле для изготовления ступеней, подоконников и т. п. и в качестве вяжущего материала. Он был известен египтянам ещё за 2000 лет до н. э. и использовался ими при возведении различных построек.

Кроме других областей применения природный гипс может служить исходным продуктом для комбинированного получения серной кислоты и цемента. Для этой цели размолотую смесь с песком, углём и глиной (а также небольшим количеством окиси железа, играющей в процессе роль катализатора) обжигают во вращающейся цементной печи. Образующийся при обжиге сернистый газ идёт в переработку на серную кислоту, а твёрдый осадок даёт хорошего качества цемент.[4]

Сульфат кальция используется в качестве осушителя при анализе органических соединений. Безводный сернокислый кальций может поглотить 6,6% воды от всей массы. Влажный воздух, пропущенный через трубку с CaSO₄ , содержит только 0,005 мг/л H₂ O. [5]

Также сульфат кальция применяется для изготовления теплоизоляционных материалов (в смеси с асбестом). [6]

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Способы получения CaSO ₄

2.1.1 Первый способ

Дигидрат CaSO₄ 2H₂ O можно получить следующим образом:

Профильтрованный 20% раствор CaCl₂ осаждают 20% раствором H₂ SO₄ , взятой в избытке. После отстаивания сульфата кальция жидкость декантируют или сливают сифоном. Осадок несколько раз промывают декантацией до слабой реакции на ион хлора. Осадок два раза промывают этанолом на воронке Бюхнера и высушивают при 25 – 30˚С до исчезновения запаха спирта. При нагревании дигидрата до 150 - 170˚С он переходит в CaSO₄ 0,5H₂ O. Обезвоживать сульфат кальция можно в фарфоровой чашке или на металлическом противне. Окончание обезвоживания можно контролировать по уменьшению массы исходного вещества. [7]

2.1.2 Второй способ

В отфильтрованный тёплый раствор 20 г (NH₄ )₂ SO₄ в 250 мл воды приливают раствор 50 г CaCl₂ в 200 мл воды и проверяют полноту осаждения (в отфильтрованном растворе при добавлении CaCl₂ не должно образовываться осадка). После отстаивания осадок промывают 5 – 6 раз декантацией, отсасывают на воронке Бюхнера и промывают до полного отсутствия ионов NH₄ ⁺ в промывных водах (проба реактивом Несслера (K₂ [HgI₄ ] в 2н КОН)). Препарат сушат на пергаментной бумаге при 60-70˚C. Выход составляет 20-22 г (80-85%). Полученный препарат соответствует реактиву квалификации ч. [8]

2.1.3 Получение безводного сульфата кальция

Безводный сульфат кальция получают нагреванием при 225±5˚С двух- или полуводного CaSO₄ . Температура, при которой высушивают сульфат кальция, имеет большое значение для препарата, который пригоден для быстрого поглощения паров воды (если CaSO₄ будет использован в качестве осушителя). Никоем случае нельзя допускать нагревание выше указанной температуры.

Перед высушиванием CaSO₄ 2H₂ O или CaSO₄ 0,5H₂ O измельчают и просеивают через сито (имеющее ячейки 1-2 мм). Отсеянные зёрна (а не мелочь, прошедшую через сито) помещают в хлоркальциевые трубки, чаще U-образной формы, которые нагревают 2-3 часа при 225±5˚С с протягиванием через них воздуха, предварительно высушенного над Р₂ О₅ . Скорость протягивания воздуха ≈ 50 мл/мин. Использованный в качестве осушителя CaSO₄ можно много раз регенерировать, он нейтрален, химически инертен и при насыщении водой не расплывается. [5]

2.2 Расчёт исходных веществ для синтеза

В работе был использован синтез из п. 2. 1. 1.

CaCl₂ ∙2H₂ O + H₂ SO₄ = CaSO₄ 2H₂ O + 2 HCl

Чтобы получить ≈ 6 г CaSO₄ 2H₂ O:

n(CaSO₄ 2H₂ O) = = 0,034 моль;

n(CaCl₂ ∙2H₂ O) = 0,034 моль;

m(CaCl₂ ∙2H₂ O) = 0,034 моль * 147 г/моль = 5 г;

m_р-ра (CaCl₂ ∙2H₂ O) = = 25 г;