Powtórzenie materiału do sprawdzianu skały i minerały I. Minerały i skały 1. Minerały - pierwiastki w stanie wolnym lub związki chemiczne, które występują przyrodzie i powstały w wyniku naturalnych procesów chemicznych (bez udziału człowieka) Przykłady ważniejszych minerałów występujących w skorupie ziemskiej Pierwiastki: S siarka Au złoto Ag Srebro Pt platyna C węgiel (odmiany alotropowe węgla diament i grafit) Związki chemiczne: SiO 2 krzemionka/kwarc tlenek krzemu(iv) CaCO 3 kalcyt/wapń węglan wapnia MgCO 3 - magnezyt węglan magnezu NaCl halit chlorek sodu CaSO 4 anhydryt siarczan(vi) wapnia Al 2 O 3 korund tlenek glinu NaNO 3 saletra chilijska azotan(v) sodu KNO 3 saletra indyjska azotan(v) potasu Ca(NO 3 ) 2 saletra norweska azotan(v) wapnia Ca 3 (PO 4 ) 2 apatyt ortofosfosforan(v) wapnia KCl - kainit chlorek potasu (sól potasowa) 2. Skały powstały w wyniku procesów geologicznych i są naturalnymi skupiskami minerałów Przykłady ważniejszych skał występujących w przyrodzie Skały zawierające - Kalcyt (CaCO 3 ) : Wapień, Kreda Marmur Magnezyt (MgCO 3 ) : Dolomit Skały zawierające CaSO 4 : Anhydryt (CaSO 4 ) Gips (CaSO 4 2H 2 O) Alabaster odmiana gipsu Skały zawierające apatyt Ca 3 (PO 4 ) 2 : Fosforyt Skały zawierające związki krzemu: - SiO 2 Kwarc (piasek, kryształ górski, ametyst, agat, cytryn) - glinokrzemiany (skalenie ortoklaz ) Granit 3. Właściwości fizyczne i zastosowanie w gospodarce patrz podręcznik.
4. Właściwości chemiczne Identyfikacja skał węglanowych (zawierających kalcyt lub magnezyt) Kwas węglowy jest kwasem bardzo słabym i jest łatwo wypierany z soli przez kwasy mocniejsze [octowy CH 3 -COOH, chlorowodorowy - HCl, siarkowy(vi) H 2 SO 4 ], Kwas H 2 CO 3 jest również kwasem nietrwałym i ulega rozkładowi na gazowy CO 2 i H 2 O, reakcja przebiega wg równania: H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 W reakcji mocniejszego kwasu na sole kwasu węglowego wydziela się obficie bezbarwny i bezwonny gaz (pienie się reagentów w probówce) Przykładowe zad. 1 W 6 nieoznakowanych probówkach umieszczone 4 różne substancje stałe o barwie białej: kwarc, anhydryt, apatyt, wapno palone, kalcyt i magnezyt. Dobierz odczynnik i zaproponuj doświadczenie (opis lub schemat) umożliwiające identyfikacje kalcytu, podaj obserwacje, zapisz odpowiednie równania reakcji chemicznych, skorzystaj z tabeli rozpuszczalności. Przykładowe rozwiązanie: Dobrany odczynnik : H 2 SO 4 Do każdej probówki z w/w związkami należy dodać roztwór kwasu siarkowego(vi) Kalcyt znajduje się w probówce gdzie po dodaniu kwasu zaobserwowano wydzielanie się bezbarwnego i bezwonnego gazu i powstanie białego osadu. SiO 2 + H 2 SO 4 reakcje nie zachodzi, CaSO 4 + H 2 SO 4 Ca 2+ + 2HSO - 4 (powolne roztworzenie białej substancji), CaO + H 2 SO 4 CaSO 4 + H 2 O (reakcja zachodzi ale zmiany są niezauważalne), CaCO 3 + H 2 SO 4 CaSO 4 + CO 2 + H 2 O (wydziela się obficie bezbarwny i bezwonny gaz ale pozostaje biały osad), Ca 3 (PO 4 ) 2 + 3H 2 SO 4 3CaSO 4 + 2H 3 PO 4 (reakcja zachodzi i brak objawów reakcji) MgCO 3 + H 2 SO 4 Mg 2+ + SO 2-4 + CO 2 + H 2 O (reakcja zachodzi, wydziela się bezbarwny i bezwonny gaz ale następuje rozpuszczenie jednego z produktów reakcji i powstanie bezbarwnego roztworu). Przykładowe zad.2 Rośliny do wzrostu i rozwoju potrzebuje makroskładników (N, P, K, Ca, Mg), które pobiera z roztworu glebowego. W intensywnej produkcji roślinnej stosuje się nawozy mineralne, którymi mogą być przetworzone mechaniczne niektóre skały lub minerały. Spośród skał/minerałów wskaż te, które mogą być źródłem A) dwóch makroskładników B) jednego makroskładnika Przykładowe rozwiązanie: Dwuskładnikowe: saletra norweska Ca(NO 3 ) 2, saletra indyjska (KNO 3 ), apatyt Ca 3 (PO 4 ) Jednoskładnikowe: saletra chilijska NaNO 3 ; magnezyt MgCO 3, kreda CaCO 3. Rozkład termiczny skał węglanowych i usuwanie wody krystalicznej z soli uwodnionych hydratów Sole kwasu węglowego są nietrwałe i wyniku prażenia (termiczny rozkład) ulegają rozkładowi do odpowiedniego tlenku metalu i tlenku węgla(iv)
Hydraty sole uwodnione w wyniku prażenia ulegają dehydratacji częściowemu lub całkowitemu odwodnieniu z ewentualną zmianą barwy (np. CuSO 4 5H 2 O ma barwę niebieską, a CuSO 4 jest bezbarwny, CoCl 2 6H 2 O ma barwę czerwoną, a CoCl 2 ma barwę granatową) Przykładowe zad. 3 Zapisz równanie reakcji termicznego rozkładu kalcytu otrzymywania wapna palonego oraz oblicz ile kilogramów tego minerału należy rozłożyć aby otrzymać 100kg wapna palonego. T CaCO 3 CaO + CO 2 (do wykonania drugiej części zadania niezbędna jest umiejętność obliczania masy cząsteczkowej = suma mas atomowych pierwiastków w cząsteczce związku) m cz CaCO 3 = m at Ca + m at C + 3m at O = 40u + 12u + 3 14u = 100u m cz CaO = m at Ca + m at O = 40u + 16u = 56u m cz CO 2 = m at C + 2m at O = 12u + 2 16u = 44u interpretacja masowa równania reakcji chemicznej; CaCO 3 CaO + CO 2 100u 56u + 44u 100g 56g + 44g 100kg 56kg + 44kg Obliczenie z wykorzystaniem proporcji 100kg CaCO 3 56kg CaO 100kg CaO = 178,57kg CaCO 3 Przykładowe zad. 4 Prażeniu (paleniu) poddano próbkę gipsu o masie 200g, jednym z produktów reakcji jest woda a drugim jest gips palony. Oblicz masę otrzymanego gipsu palonego. (oblicz masy cząsteczkowe jak w zad.3) T 2CaSO 4 2H 2 O (CaSO 4 ) 2 H 2 O + 3H 2 O 2 172g 290g 54g 344g 200g 290g = 168,6g gipsu palonego
Bierność chemiczna kwarcu (SiO 2 ) Kwarc jest bierny chemicznie, stąd większość odczynników chemicznych jest przechowywana w naczyniach szklanych, jak i również aparatura chemiczna jest wykona ze szkła. Wyjątek stanowi kwas fluorowodorowy i wodne roztwory mocnych zasad (litowców i wapniowców), związki te reagują z kwarcem proces trawienia Produktem reakcji kwarcu z kwasem fluorowodorowym jest czterofluorek krzemu, a produktami reakcji z silnymi zasadami litowców są rozpuszczalne w wodzie odpowiednie metakrzemiany(iv) lub ortokrzemiany(iv). Przykładowe zad. 5 Zapisz równania reakcji wykazujące, że mocne zasady i kwas fluorowodorowy nie mogą być przechowywane w naczyniach szklanych (przechowuje się je w pojemnikach z tworzyw sztucznych), w rozwiązaniu zadania wykorzystaj tabelę rozpuszczalności. SiO 2 + 4HF SiF 4 + 2H 2 O SiO 2 + 2K + + 2OH - 2K + + SiO 2-3 + H 2 O II. Przeróbka skał i minerałów i ich zastosowanie 1. Zastosowanie kwarcu (krzemionki): Produkcja szkła przez stapianie z dodatkiem węglanu sodu i węglanu wapnia, szkło jest mieszaniną (kwarcu, metakrzemianu sodu i wapnia) bezpostaciową o nieporządkowanej strukturze wewnętrznej i bez ściśle określonej temp. topnienia, Szkło barwne otrzymuje się przez dodanie barwnych tlenków metali w trakcie spiekania: zielone Cr 2 O 3 ; niebieskie CoO; fioletowe NiO; czerwone Cu 2 O; mleczne SnO; żółte-brązowe Fe 2 O 3. Składnik zaprawy wapiennej, w mieszaninie w wapnem gaszonym i wodą Przykładowe zad. 6 Zapisz równania reakcji chemicznych, które zachodzą: a) w trakcie produkcji szkła krzemionkowego do wyrobu szyb, naczyń szklanych i elementów optycznych, b) twardnienia (wiązania) zaprawy wapiennej a) Skład mieszaniny reakcyjnej: SiO 2 + Na 2 CO 3 + CaCO 3 SiO 2 + 2NaCO 3 Na 2 SiO 3 + 2CO 2 SiO 2 + CaCO 3 CaSiO 3 + CO 2 b) Skład mieszaniny reakcyjnej SiO 2 + Ca(OH) 2 SiO 2 + Ca(OH) 2 CaSiO 3 + H 2 O 2. Zastosowanie wapna palonego Wapno palonego przed użyciem do sporządzenia zaprawy wapiennej poddaje się gaszeniu, w reakcji z wodą powstaje ciasto wapienne (wodorotlenek wapnia) o właściwościach żrących, ciasto wapienne może być również stosowane do bielenia ścian pełniąc jednocześnie środka odkażającego. Pod wpływem CO 2 zawartego w powietrzu atmosferycznych następuje wiązanie zaprawy (twardnienie)
Przykładowe zad. 7 Oblicz, w jakim stosunku masowym nalży wymieszać wapno palone z wodą aby całkowicie przeprowadzić proces gaszenia. (patrz zadanie 3 i 4) CaO + H 2 O Ca(OH) 2 56g + 18g 74g m CaO : m H 2 O = 56g : 18g = 14 : 4,5 Przykładowe zad. 8 Zapisz równania reakcji chemicznych, które zachodzą w trakcie wiązania (twardnienia) zaprawy murarsko-tynkarskiej jeżeli jest ona mieszaniną: kwarcu, wapna gaszonego i wody. SiO 2 + Ca(OH) 2 CaSiO 3 + H 2 O Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O 3. Zastosowanie gipsu palonego W budownictwie stosuje się gips budowlany zawierający praktycznie wyłącznie gips palony, jest to zaprawa szybko wiążąca, Oprócz gipsu budowalnego, do wykonywania gładzi tynkowych stosuje się gips szpachlowy, który zawiera domieszki wapna gaszonego i węglanu wapnia, proces twardnienia jest znacznie wolniejszy niż w przypadku gipsu budowlanego. Przykładowe zad. 9 Zapisz równania reakcji chemicznych zachodzących w trakcie wiązania gipsu budowalnego i gipsu szpachlowego i wyjaśnij przyczyny wolniejszego procesu wiązania gipsu szpachlowego. Gips budowlany: (CaSO 4 ) 2 H 2 O + 3H 2 O 2CaSO 4 2H 2 O Gips szpachlowy: (CaSO 4 ) 2 H 2 O + 2H 2 O + Ca(OH) 2 + CO 2 2CaSO 4 2H 2 O + CaCO 3 (proces wiązania spowolniony jest procesem twardnienia zaprawy wapiennej pod wpływem CO 2 zawartego w powietrzu atmosferycznym, część wody niezbędna do krystalizacji gipsu powstaje w trakcie twardnienia zaprawy wapiennej). Przykładowe zad. 10 Oblicz, ile gramów wody należy dodać aby całkowicie utwardzić 0,5kg gipsu palonego. (skorzystaj z informacji z zad 3 i 4) (CaSO 4 ) 2 H 2 O + 3H 2 O 2CaSO 4 2H 2 O 290g + 3 18g 344g 290g ---------------------- 54g wody 500g ---------------------- 93g wody
III. IV. Zjawisko krasu Proces wietrzenia chemicznego skał węglanowych pod wpływem wody i rozpuszczonych w niej tlenków kwasowych głównie CO 2. Kalcyt i magnezyt są związkami praktycznie nierozpuszczalnymi w wodzie W wyniku oddziaływana wody i CO 2 minerały węglanowe przechodzą w wodorowęglany, które są rozpuszczalne w wodzie Przechodzące od roztworu kationy wapnia i magnezu nadaje wodzie twardość węglanową (przemijającą) CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca 2+ + 2HCO 3 - MgCO 3 + CO 2 + H 2 O Mg 2+ + 2HCO 3 - Procesy wieloetapowe Przykład zad. 11 Zapisz równania reakcji chemicznych przedstawionych na poniższym schemacie dobierając ewentualnie drugi substrat i warunki reakcji. A) d CaCO 3 a CaO b Ca(OH) 2 c CaSiO 3 T a) CaCO 3 CaO + CO 2 b) CaO + H 2 O Ca(OH) 2 c) SiO 2 + Ca(OH) 2 CaSiO 3 + H 2 O d) Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O B) c Na 2 SiO 3 SiO 2 a SiF 4 d SiO 2 b CaSiO 3 a) SiO 2 + 4HF SiF 4 + 2H 2 O b) SiO 2 + Ca(OH) 2 CaSiO 3 + H 2 O c) SiO 2 + 2NaOH Na 2 SiO 3 + H 2 O d) SiF 4 + 2H 2 O SiO 2 + 2H 2 O
V. Właściwości gleby i jej ochrona 1. Odczyn i ph gleby ph jest to ujemny logarytm dziesiętny ze stężenia molowego kationów wodorowych w roztworze: ph = - log[h [H + ] = 10-5 mol/dm 3 to ph = -log 10-5 = 5 ; odczyn kwasowy [H + ] = 10-8 mol/dm 3 to ph = -log 10-8 = 8; odczyn zasadowy [H + ] = 10-7 mol/dm 3 to ph = -log 10-7 = 7; odczyn obojętny Skala ph a odczyn 0 7 14 Wzrost kwasowości Wzrost zasadowości Odczyn obojętny 2. Nawozy a odczyn gleby odkwaszające glebę: kalcyt, magnezyt, wapno palone, wapno gaszone, apatyty, superfosfat potasowy -K 3 PO 4, superfosfat wapniowy - Ca(H 2 PO 4 ) 2 nawozy zakwaszające glebę: salmiak - NH 4 Cl, siarczan(vi) amonu - (NH 4 ) 2 SO 4, nawozy obojętne: saletra potasowa, saletra sodowa, sól potasowa, superfosfat amonowy - (NH 4 ) 3 PO 4, siarczan(vi) potasu - K 2 SO 4, mocznik - CO(NH 2 ) 2 3. Działanie nawozów odkwaszających: Ca 2+ + 2OH - + 2H + Ca 2+ + 2H 2 O 3K + + PO 3-4 + 3H + 3K + + H 3 PO 4 4. Działanie nawozów zakwaszających: + NH 4 + Cl - + H 2 O NH 3 H 2 O + H + + Cl - + 2NH 4 + SO 2-4 + 2H 2 O 2NH 3 H 2 O + 2H + 2- + SO 4 Przykładowe zad. 12 A. Stężenie kationów wodorowych w roztworze glebowym wynosi 10-4 mol/dm 3. Podaj odczyn gleby i dobierz nawóz umożliwiający do prowadzenie ph gleby do ph = 6,5 (słabo kwasowego) ph = - log [H+] = - log 10-4 = 4, odczyn kwasowy, aby podnieść odczyn gleby należy zastosować nawóz odkwaszający: np. kredę, wapno palone lub wapno gaszone. B. Na glebach o odczynie obojętnym lub zasadowym kwiaty hortensji mają barwę różową, na glebach kwaśnych kwiaty maja barwę niebieską. Jakim nawozem nalży nawozić glebę aby kwiaty hortensji zmieniły barwę z różowej na barwę niebieską? Należy zastosować nawozy zakwaszające np. siarczan(vi) amonu lub chlorek amonu.
5. Procentowy skład nawozów Składniki pokarmowe zawarte w nawozach mineralnych przelicza się na: N N; P P 2 O 5 ; K K 2 O; Ca CaO; Mg MgO Przykłady przeliczeń: Zawartość % azotu w moczniku CO(NH 2 ) 2 m cz(moczniaka) = 12u + 16u + 2 14u + 2 1u = 60u, to jest 100%, 60u mocznika ------------------ 100% 28u azotu ----------------------- ----------------------------------------- 46,66% azotu Przykładowe zad. 13 Oblicz % udział składników pokarmowych w apatycie Obliczenie masy cząsteczkowej Ca 3 (PO 4 ) 2, związek do ustalenia procentowego składu K i P należy traktować jako mieszaninę CaO i P 2 O 5 Ca 3 (PO 4 ) 3CaO + P 2 O 5, m cz = 3 40u + 3 16u + 2 31u + 5 16u = 168u + 142u = 310u to jest 100% 310u --------------- 100% 310u --------------------- 100% 168u CaO --------- 142u P 2 O 5 ---------------- ------------------------------- ------------------------------------ Apatyt zawiera 54,2% tlenku wapnia i 45,8% tlenku fosforu(v), stosując 100kg tego nawozu wnosi się go gleby 54,2kg tlenku wapnia i 45,8kg tlenku fosforu(v).