Experimenteren met Gips

Datum:  Januari 2017

Inleiding:

De reactie van gips met water is een exotherme reactie die men in kaart kan brengen. Gipskristallen zijn interessante objecten voor onder de microscoop.

Materiaal:

  • Gips (calciumsulfaat, CaSO4.2H2O)
  • Microscoop (polarisatie)
  • Objectglaasjes
  • Dekglaasjes
  • Water
  • Maatcilinder
  • Plastic bekers
  • Pipetjes (plastic)
  • Isolatiemantel
  • Roerhoutjes
  • Plakband
  • Weegschaal
  • Coachlab
  • Temperatuur probe (Vernier)
  • Plastic zakjes
  • Bekerglas
  • Roerstaaf
  • Trechter
  • Filtreerpapier
  • Warmhoudplaatje of alcoholbrander
  • Spot testplaat
  • Zoutzuur (HCl, 7%)
  • Kalk (Calciumcarbonaat (CaCO3)
  • Zacht schuimplastic afdekplaatje


Gips uit de speelgoedwinkel


Uitvoering:

Gipskristallen onder de microscoop
  • Giet wat water in een klein bekerglaasje
  • Voeg wat gips toe
  • Roer goed
  • Laat bezinken
  • Filtreer de oplossing af
  • Neem een druppel afgefiltreerde oplossing en leg deze m.b.v een roerstaafjes op een objectglaasje
  • Damp de druppel in op het warmhoudplaatje
  • Bedek het preparaat met een dekglaasje
  • Observeer onder de microscoop

 
Gipspoeder onder de microscoop Uitgehard gips onder de microscoop
  • Neem een beetje gipspoeder en leg dat op een objectglaasje
  • Plaats een dekglaasje
  • Observeer onder de microscoop
  • Leg m.b.v. een pipet een druppel water op een objectglaasje
  • Voeg een beetje gipspoeder toe
  • Plaats een dekglaasje
  • Wacht enkele uren
  • Observeer onder de microscoop
Exotherme reactie van gips met water
  • Neem het pastic zakje steek de temperatuur probe daarin, wikkel het plastic daaromheen en gebruik plakband om de wikkel vast te zetten.
  • Verbind de probe met Coachlab
  • Start Coachlab op en stel deze in voor het meten van de temperatuur elke 30 seconden gedurende 4 uur.
  • Weeg de benodigde hoeveelheid gips af in het plastic bekertje.
  • Meet 40 ml water af in de maatcilinder.
  • Voeg het water toe aan het gips.
  • Meng goed m.b.v. het roerhoutje
  • Plaats de beker in de isolatiemantel
  • Plaats de temperatuur probe in de beker
  • Plaats het afdekplaatje
  • Start de Coachlab meting
  • Herhaal dit experiment met verschillende hoeveelheden gips en water.


Ingepakte temperatuur probe

Controle op de zuiverheid van het gips
  • Vul een holte met wat water (blanco)
  • Leg enkele korrels kalk in ander holte van de test plaat
  • Leg enkele korrels gips in een naastliggende holte op de test plaat
  • Voeg aan elke gevulde holte een druppel zoutzuur toe
  • Observeer

Resultaten:

Gipskristallen onder de microscoop

Naaldvormige en gekruiste kristallen zijn duidelijk waarneembaar.Zoals ook in onderstaande referentie tekening te zien is [1].
Met gekruiste nicols vind uitdoving plaats.

Het gips in de verpakking bevat geen kristallen maar is opgebouwd uit een zeer fijn poeder zoals in onderstaande foto's te zien is.

gipskorrels - licht

gipskorrels - donkerveld

Uitgehard gips onder de microscoop


gips - verhard

gips verhard - donkerveld
Controle op de zuiverheid van het gips
Soms voegt men wat kalk toe aan gips.
Kalk en zoutzuur reageren onder bruisontwikkeling. Zoals te zien is op de test plaat bij het kalkmonster. Het in dit experiment gebruikte gips laat geen bruisvorming zien hetgeen impliceert dat het geen kalk bevat.

Dat is consistent met de verpakking (nevenstaande foto) die aangeeft dat het zuiver calciumsulfaat is.

Reactie van kalk met zuur:
CaCO3 + 2H3O+ --> Ca2+ + CO2 (g) + 3H2O

Exotherme reactie van gips met water
Alle meetresultaten zijn samengevat in onderstaande grafiek en samengevat in onderstaande tabel.
Samenvatting experimenten en resultaten.

Discussie:

Het zeer bekende Gips staat bij de chemicus bekend als calciumsulfaat (CaSO4). Gips komt in verschillende kristalvormen voor. De kristalvorm is van invloed op de hoeveelheid water die nodig is om een gietbare gipsbrij te kunnen maken. Gips kan bestaan in verschillende vormen. De meest bekende is de hemihydraat-vorm waarbij 1 molecuul kristalwater gekoppeld is met 2 moleculen calciumsulfaat. Als men het hemihydraat-poeder mengt met water neemt het hemihydraat water op en wordt dan uitgeharde gips. Dit uitgeharde gips vormt nieuwe kristallen die langzaam uitgroeien tot grotere kristallen. Deze grotere kristallen haken in elkaar hetgeen uiteindelijk resulteert in de ons welbekende harde massa.
Als reactievergelijking:
  • 2CaSO4.H2O + 3H2O -- > 2 CaSO4.2H2O
Het hierboven beschreven proces noemt men ook wel de dissolutie - precipitatie theorie.
  • Als het hemihydraat gemengd wordt met water wordt een suspensie gevormd die vloeibaar is.
  • Het hemihydraat lost in het water op totdat de oplossing verzadigd is.
  • Deze verzadigde oplossing van hemihydraat wordt oververzadigd als dihydraat en begint neer te slaan als dihydraat.
  • Als het dihydraat neerslaat is de oplossing niet meer verzadigd met hemihydraat waardoor dat weer oplost. Het oplossen ven hemihydraat en neerslaan van dehydraat is een continue proces dat doorgaat en waarbij nieuwe kristallen gevormd worden of oudere blijven groeien. The reactie stop als er geen dihydraat meer neerslaat uit de oplossing.
    De groei en het door elkaar weven van de naaldvormige kristallen noemt men Spheruliet vorming. Deze geeft aan dat het materiaal zich gezet heeft.
    Dit fenomeen kan men goed waarnemen in de microscoop foto's van het verharde gips.
  • De reactiesnelheid kan men volgen door de warmte die vrijkomt als gevolg van deze exotherme reactie. Een typisch reactieverloop is weergegeven in onderstaande Figuur.

Zoals men kan zien komen tijdsschaal en temperatuurverandering overeen met de verzamelde experimentele resultaten.

Indien we de temperatuurtoename weergeven als functie van de hoeveelheid gips  die we in bewerking nemen waarbij we de hoeveelheid water die we toegevoegd hebben constant houden (40 g) dan vindt men een (redelijk) lineaire relatie.
Rond de 60 g gips is de hoeveelheid toegevoegd water gevarieerd. Indien we de temperatuurafname weergeven als functie van de hoeveelheid water die we in bewerking nemen dan vindt men wederom een (redelijk) lineaire relatie. Des te meer water men toevoegt des te kleiner de temperatuurstijging, alhoewel het effect relatief klein lijkt te zijn.
In nevenstaande grafiek is de hellingshoek van de temperatuurtoename weergegeven als functie van de hoeveelheid gips die in bewerking is genomen voor alle meetresultaten. Op zich wijkt deze grafiek niet wezenlijk af van de reeds gepresenteerde grafieken.
Kijken we op een ietwat fundamentelere manier naar de experimenten die we uitgevoerd hebben.
Dan zien we dat we deze experimenten met een ruime overmaat aan water uitgevoerd hebben. De reactievergelijking laat zien dat we in principe maar anderhalve mol water nodig hebben om de reactie te laten verlopen.

2CaSO4.H2O + 3H2O -- > 2CaSO4.2H2O

Een overmaat water toevoegen draagt er aan bij om de reactie helemaal naar rechts te laten verlopen. Deze overmaat is verder echter "inert" en verklaart waarom extra water toevoegen een "remmende" werking heeft op de geobserveerde temperatuurtoename. De massa van het systeem neemt toe hetgeen betekent dat de geproduceerde warmte over deze grotere massa/volume verdeeld moet worden (Wet van Newton).

Een vraag die we nog kunnen proberen te beantwoorden is of het mogelijk is om de hoeveelheid geproduceerde warmte te kwantificeren en te relateren aan het reactieverloop.
Voor het kwantificeren van de hoeveelheid warmte kunnen we gebruik maken van warmtecapaciteitberekeningen. In dit geval:

Q = m.Cp.
DT

De resultaten zijn samengevat in onderstaande tabel.
Dit resultaat kan men dan weer relateren aan de theoretische reactiewarmte die men kan berekenen m.b.v. de Wet van Hess.

DH = SDHf Producten - SDHf Reactanten

Vorminsgwarmte hemihydraat  : -1575.2 kJ/mol
Vormingswarmte dihydraat      : -2021.1 kJ/mol
Vormingswarmte water           : -285.8 kJ/mol

Reactiewarmte: DH = (-2021.1) - (-1575.2-428.7) = -17.2 kJ/mol
Een negatieve reactiewarmte geeft aan dat de reactie exotherm is.

Koppelen we deze waarde aan de hoeveelheid gips die bij de reactie betrokken was dan verkrijgen we onderstaande getallen.

Het verschil tussen berekende en gemeten reactiewarmte is nogal groot. Dit impliceert volgens mij vooral dat we met suboptimale calorimeters gewerkt hebben waarbij we met veel warmteverlies naar de omgeving te maken hadden.

Opmerkingen:

  • In het verleden werd gips ook wel "kunstmeel" genoemd aangezien het soms aan het meel werd toegevoegd om zo het meel te vervalsen (tot wel 40%).
  • Alle meetresultaten en berekeningen zijn verzameld in een Excel sheet: Resultaat
  • Een les voor mij in dit experiment is dat het zich kan lonen om wat meer rekentijd in de voorbereiding te steken. Oorspronkelijk begin ik dit experiment als een kristallisatie experiment. Het temperatuureffect experiment vond ik al zoekende naar literatuur op het web waarop ik besloot dit als onderdeel toe te voegen. Hierbij  heb ik de meegegeven instructies opgevolgd. In de analyse achteraf kom je dan wel eens tot de conclusie dat je het experiment misschien iets verfijnder had kunnen uitvoeren, bv door meer steuchiometrische hoeveelheden water te gebruiken.

Literatuur:

  1. H. Behrens; "A Manual of Microchemical Analysis"; 1894; MacMillan and Co
  2. G. Sirokman; "Syntheis, Dehydration, and Rehydration of Calcium Sulfate (Gypsum, Plaster of Paris)"; Journal of Chemical Education; 2014 91, p. 557-559.
  3. H.L. Heys; "Scheikunde thuis"; 4de druk; Thieme, ISBN 9003915407; p. 78-80.
  4. C.M.J.I. Terhell, J.C.J.M. Terhell; "Fysische Chemie 1A"; 2de druk; 1975; Agon Elsevier; ISBN 9010105733.
  5. BINAS; 5de druk; 2008; Noordhoff; ISBN 3789001893805; p. 10, 11.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Gips, is een zacht mineraal dat gemijnd wordt op verschillende plaatsen in de wereld waarbij het meestal gevonden wordt in de hemihydraat vorm (CaSO4.2H2O).De chemische benaming van gips is calciumsulfaat.

Gips kan bestaan in drie vormen:

  • De Hemihydraat-vorm (1 molecuul kristalwater per 2 moleculen CaSO4). Gipspoeder dat door toevoegen van water hard wordt.
    Hierin onderscheidt men ook nog:
    - Beta-hemihydraaat (Type I en II)
       + Vezelachtige aggregaten opgebouwd uit kleine kristallen die capillaire porin bevatten.
       + Meer amorf achtig, poreus met een lage dichtheid.
    - Alpha-hemihydraate (Type III, IV, V)
       + Afgespeten segmenten en kistallen in de vorm van staven en prisma's.
       + Hogere dichtheid en krsitallijner. 

  • De Dihydraat-vorm (2 moleculen kristalwater op elk molecuul CaSO4). Uitgeharde of ruwe gips.

  • De Anhydraat-vorm (CaSO4 zonder kristalwater). Gevormd als het gips tot hoge temperatuur verhit wordt.

Meest bekende minerale vormen:

  • Seleniet

  • Zijdespaat

  • Albast

  • Gips

Bereiding:


06/02/2017