Известно, что процесс известкового гашения является экзотермическим процессом, то есть процессом, при котором выделяется тепло. Жомарт приступил к гашению извести (каменной извести), купленной в специальном строительном магазине, в контейнере, но в процессе гашения извести он заметил, что процесс идет неправильно: во-первых, в процессе гашения извести не выделяется тепло, как он заметил раньше, а во-вторых, процесса «кипения» не наблюдалось. Жомарт был этим удивлён и начал искать в Интернете источники, почему процесс «известкового гашения» протекал не так, как раньше. 1. Как бы вы объяснили произошедшее? 2. Проанализируйте процесс с точки зрения кинетической теории. 3. Даст ли использование извести желаемый результат?

1. Нормальное гашение негашёной извести происходит по реакции:

Оксид кальция превращается в гидроксид кальция, при этом выделяется значительное количество теплоты. Вода сильно нагревается, часть её может испаряться, а куски извести растрескиваются и рассыпаются. Именно это внешне воспринимается как «кипение», хотя наблюдаемое бурление часто связано не только с настоящим кипением воды, но и с интенсивным выделением пара и разрушением кусков извести.

Если Жомарт не заметил ни нагревания, ни характерного «кипения», наиболее вероятно, что купленный материал содержал мало активного оксида кальция. Это могло произойти по нескольким причинам.

Во-первых, известь могла неправильно храниться. Негашёная известь активно поглощает влагу из воздуха и постепенно гасится ещё до использования:

Если большая часть оксида кальция уже превратилась в гидроксид кальция, то при добавлении воды повторной химической реакции практически не будет. Материал просто намокнет и образует суспензию или пасту без заметного выделения теплоты.

Во-вторых, при длительном хранении гидроксид кальция реагирует с углекислым газом воздуха:

В результате образуется карбонат кальция, то есть вещество, близкое по составу к известняку или мелу. Карбонат кальция при обычных условиях с водой не гасится и теплоты не выделяет. Поэтому старая известь, долго находившаяся в негерметичной упаковке, может частично или почти полностью потерять активность.

В-третьих, известь могла оказаться пережжённой. При слишком высокой температуре обжига частицы оксида кальция спекаются, становятся плотными и малопористыми. Вода плохо проникает внутрь таких кусков, поэтому гашение идёт очень медленно. В этом случае заметного нагревания и бурного распада в первые минуты может не быть, хотя внутри отдельных кусков реакция способна продолжаться ещё долго.

В-четвёртых, материал мог содержать большое количество примесей или недожжённого известняка. Если исходный карбонат кальция при производстве разложился не полностью, в продукте останется значительное количество $\mathrm{CaCO_3}$:

Недожжённый карбонат кальция с водой не реагирует. Поэтому чем меньше в материале активного $\mathrm{CaO}$, тем слабее нагревание.

Наконец, под названием «известь» в магазине могли продавать не комовую негашёную известь, а уже готовую гидратную известь — пушонку, основным компонентом которой является $\mathrm{Ca(OH)_2}$. Пушонку не нужно гасить: при добавлении воды она только смешивается с ней.

Анализ с точки зрения кинетической теории

С точки зрения кинетической теории химическая реакция происходит тогда, когда частицы реагирующих веществ сталкиваются достаточно часто, имеют необходимую энергию и подходящую ориентацию. В данном случае молекулы воды должны контактировать с поверхностью оксида кальция.

Гашение комовой извести является гетерогенным процессом: твёрдый $\mathrm{CaO}$ реагирует с жидкой водой. Поэтому скорость реакции сильно зависит от площади соприкосновения фаз. Мелкие и пористые частицы гасятся быстрее, потому что имеют большую удельную поверхность. Крупные, плотные или спёкшиеся куски гасятся медленнее.

В начале нормального гашения вода взаимодействует с наружной поверхностью куска:

Образующийся гидроксид кальция занимает больший объём, чем исходный оксид кальция. Внутри куска возникают напряжения, он растрескивается и распадается. Появляются новые поверхности оксида кальция, к которым поступает вода. Это ускоряет реакцию. Выделяющаяся теплота повышает температуру системы, а повышение температуры увеличивает среднюю кинетическую энергию частиц и частоту эффективных столкновений. Поэтому нормальное гашение может быстро саморазгоняться.

Если же известь пережжена, её пористость мала. Вода контактирует только с небольшой внешней поверхностью. Кроме того, на поверхности может образоваться слой гидроксида кальция, через который вода должна диффундировать к оставшемуся оксиду кальция. Такой слой замедляет дальнейшее протекание реакции. Скорость процесса начинает определяться не самой химической реакцией, а скоростью проникновения воды внутрь частицы.

Если известь уже поглотила влагу при хранении, большая часть активных центров $\mathrm{CaO}$ уже прореагировала. При добавлении новой порции воды число частиц оксида кальция, способных вступить в реакцию, будет очень небольшим. Следовательно, число эффективных столкновений между водой и $\mathrm{CaO}$ резко уменьшится. Теплоты выделится мало, и её может быть недостаточно для заметного повышения температуры.

При карбонизации ситуация ещё более очевидна. Карбонат кальция при обычной температуре практически не реагирует с водой. Столкновения молекул воды с частицами $\mathrm{CaCO_3}$ не приводят к химическому превращению, потому что такой процесс при данных условиях энергетически и химически невыгоден. Поэтому наблюдается только смачивание материала.

Имеет значение и тепловой баланс. Даже если в смеси осталось небольшое количество $\mathrm{CaO}$, выделившаяся теплота могла рассеяться в окружающую среду или быть поглощена большим объёмом холодной воды и стенками контейнера. Тогда слабая реакция визуально останется незаметной. Однако полное отсутствие нагревания и разрушения комков чаще всего указывает именно на низкое содержание активного оксида кальция.

Даст ли такая известь желаемый результат?

Вероятнее всего, полноценного результата она не даст.

Если материал уже превратился в гидроксид кальция, он ещё может использоваться как гашёная известь, но его качество будет зависеть от степени карбонизации и загрязнения. Свежая пушонка способна применяться в строительных растворах, побелке и других работах. Однако материал, который долго хранился и частично превратился в карбонат кальция, будет обладать пониженной вяжущей способностью.

Если известь в основном карбонизировалась, она фактически стала тонкоизмельчённым карбонатом кальция. Такой материал может выполнять роль наполнителя, но не будет действовать как качественная активная известь. Раствор на её основе может иметь недостаточную пластичность и прочность.

Если известь пережжена и гасится очень медленно, её использование особенно нежелательно. Непогашенные частицы $\mathrm{CaO}$ могут остаться внутри строительного раствора или штукатурки. Позднее, уже после нанесения материала, они начнут поглощать влагу и превращаться в $\mathrm{Ca(OH)_2}$. Поскольку при этом объём частицы увеличивается, в покрытии могут появиться вздутия, трещины, раковины и отслаивания. Такие частицы иногда называют «дутиками».

Если материал содержит много недожжённого известняка, его активность также будет низкой. Он не обеспечит требуемых свойств известкового раствора и будет в основном действовать как инертная примесь.

Таким образом, отсутствие тепловыделения и характерного гашения свидетельствует о том, что материал либо уже погашен, либо карбонизирован, либо неправильно обожжён. Использовать его как качественную комовую негашёную известь без проверки активности не следует. Для строительных работ, где важны прочность и долговечность, такая известь может не только не дать ожидаемого результата, но и вызвать последующие дефекты.