Wykłady z chemii

dla studentów Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji

Wojskowej Akademii Technicznej

Prowadzący:

Dr hab. inż. Andrzej Sadkowski, profesor W.A.T.

Wydział Nowych Technologii i Chemii.

[e-mail]

Wykład 1.

2

Literatura zalecana:

1. Czarnecki L., Broniewski T., Henning O. - Chemia w budownictwie,

Arkady, 1996 lub nowsze.

2. K.-H. Lautenslaeger, W. Schroeter, A. Wanninger – Nowoczesne

kompendium chemii, WNT 2007

3. Pajdowski L. - Chemia ogólna, PWN 1997 lub nowsze.

4. Henryk Bala - Wstęp do chemii materiałów, WNT, 2003

5. Sienko M. J., Plane R. A. - Chemia - Podstawy i zastosowania, WNT

1999 lub nowsze.

6. L. Jones, P. Atkins - Chemia ogólna, PWN 2004

7. Kurdowski W. - Chemia materiałów budowlanych, AGH, Kraków2003.

8. Neffe S., red. - Chemia, ćwiczenia laboratoryjne, WAT 1989.

9.

Burakiewicz-Mortka W., Darlewski W., Neffe S. - Chemia. Zbiór zadań

do ćwiczeń audytoryjnych. WAT 1991.

3

Konspekt wykładów: Część 1:

Budowa materii, oddziaływania międzyatomowe i międzycząsteczkowe.

Substancje i ich właściwości. Ilościowe relacje w chemii (mol, masa

atomowa i molowa). Budowa atomu. Struktury elektronowe atomów. Prawo

okresowości. Struktura elektronowa powłok walencyjnych a właściwości

pierwiastków. Wiązania chemiczne. Właściwości wiązań chemicznych.

Elektronowa i kwantowa teoria wiązań chemicznych. Wiązania

wewnątrzcząsteczkowe: jonowe, kowalencyjne (atomowe), koordynacyjne,

metaliczne. Wiązania międzycząsteczkowe. Zależność między strukturą

cząsteczek, rodzajem wiązań i właściwościami związków chemicznych. Siły

spójności tworzyw jednorodnych i niejednorodnych.

4

ZADANIA CHEMII BUDOWLANEJ

Zagadnienia chemiczne, które napotyka inżynier budowlany, można następująco usystematyzować:

1. Budowa chemiczna jako wyznacznik właściwości technicznych materiałów budowlanych; rodzaje ciał i
stanów materii występujące w tych materiałach.

2. Chemiczne metody oceny przydatności materiałów budowlanych (np. badania chemiczne w normach
budowlanych).

3. Chemiczne uwarunkowania przydatności gruntów budowlanych oraz chemiczne metody ich poprawy
(np. elektroosmoza).

4. Zjawiska i przemiany natury chemicznej występujące podczas:

• wytwarzania materiałów i elementów budowlanych oraz utylizacji odpadów na cele budowlane (np.
reakcje analizy i syntezy oraz przemiany podczas wypalania spoiw mineralnych),

• stosowania materiałów budowlanych przy wznoszeniu budowli i wykonywaniu robot wykończeniowych
(np. procesy wiązania i twardnienia materiałów wiążących),

• użytkowania obiektu (np. procesy korozji),

•w sytuacjach awaryjnych (np. przebieg reakcji spalania podczas pożaru).

5. Zagrożenia i uciążliwości natury chemicznej w odniesieniu do wykonawcy i użytkownika materiałów oraz
obiektów budowlanych.

6. Zagrożenia środowiska spowodowane przez przemysł materiałów budowlanych.

5

Atomy i cząsteczki.

Atomy to elementarne, najmniejsze cząstki materii (substancji).
Te same atomy występują wszędzie w kosmosie w różnych
proporcjach i w różnych związkach (cząsteczkach).

Średnice atomów: 0.1 – 0.6 nm (1 nm = 10

-9

m)

Średnice jąder blisko 10000 razy mniejsze, ale skupiają niemal całą masę.
Gęstość masy jądra atomu około 10

15

kg m

-3

.

(średnica 10000 razy mniejsza tzn. objętość (10000)

3

razy mniejsza!).

Jądro decyduje o naturze substancji (atomu).

Jednostką liczności substancji jest 1 mol. Jest to Liczba Avogadra N

A

=6,022 10

23

atomów, cząstek, jonów, komórek elementarnych itp.

N = n N

A

.

N – liczba cząstek, n – liczba moli (licznośc substancji), N

A

–

liczba Avogadro (liczba cząstek w 1 molu).

6

W cząsteczce może być kilka atomów. Np. H

2

O, CH

4

, O

2

.

Cząsteczki są wynikiem reakcji chemicznej syntezy z udziałem kilku
atomów lub innych cząsteczek (C + O

2

-> CO

2

).

Są też makrocząsteczki, np. białka, mające kilkaset lub kilka tysięcy
atomów w cząsteczce.

Gazy reaktywne (nie-szlachetne) łączą się w cząsteczki dwuatomowe, np
H

2

, O

2

, N

2

, Cl

2

itp.

Gazy szlachetne (grupa VIII układu okresowego) nie łączą się w cząsteczki i
występują jako jednoatomowe: Ar, He, Ne itd.

Atomy dzielą się na trwałe i nietrwałe (promieniotwórcze).

Atomy nietrwałe stopniowo rozpadają się na mniejsze przez podział jądra.
Towarzyszy temu promieniowanie.

Atomy zmieniają swą naturę w przemianach (reakcjach) jądrowych podziału
lub syntezy (np. synteza termojądrowa)

7

W jądrze znajdują się protony (p) i neutrony (n). Nazwa łączna – nukleony.

Protony mają ładunek elementarny +1. Neutrony są obojętne.

Liczba protonów określa liczbę atomową (porządkową) Z.

Liczba nukleonów określa liczbę masową.

Izotopy tego samego pierwiastka maja tę sama liczbę protonów i rożną liczbę
neutronów. Stąd liczby atomowe są liczbami całkowitymi (naturalnymi) a
liczby masowe są średnimi z udziału różnych izotopów.

Np.:

1

H

1.00794

– oznacza (atom) wodór z jądrem o jednym protonie i zero lub

jednym (Deuter) lub dwóch neutronach (Tryt). Udział D i T jest bardzo mały.

Ułamkowa wartość liczby masowej to także wynik ubytku masy jądra na na
energię wiązania jego składników. E = m c

2

;

m – masa

spoczynkowa, c – prędkość światła (stała c = 2,998 10

8

m s

-1

).

8

Dodatnie ładunki wszystkich protonów w jądrze są równoważone ujemnymi
ładunkami elektronów ( w atomie liczba protonów = liczbie elektronów).

Elektrony „krążą” wokół jądra znajdując się na różnych poziomach energetycznych i
obsadzając różne orbitale.

O reaktywności chemicznej i większości własności fizycznych decydują tylko
elektrony. Jądra nie zmieniają się w trakcie reakcji chemicznych i większości
przemian fizycznych.

Do zmiany stanu jądra potrzebne są znacznie większe energie niż te, które
towarzyszą reakcjom chemicznym.

Elektrony zewnętrznych powłok („walencyjnych”) tworzą wiązania chemiczne i
decydują o aktywności chemicznej pierwiastka.

W metalach część elektronów z powłok zewnętrznych odrywa się od swoich
atomów i przechodzi do pasma przewodnictwa. Pasmo to jest wspólne dla
całego metalu. Elektrony przewodnictwa (ich liczba i ruchliwość) decydują o
przewodnictwie elektrycznym metali.

9

Możliwe (i ważne we współczesnej technice) są wzbudzenia energetyczne
elektronów np. pod wpływem temperatury (wzbudzenia termiczne, zderzenia
atomów) lub pod wpływem promieniowania (wzbudzenie fotoelektryczne).

W teorii kinetyki chemicznej zakłada się, że w trakcie reakcji reagujące atomy
przechodzą w stany wzbudzone (teoria kompleksu aktywnego) a z tych
stanów dopiero przechodzą w produkty. Stany wzbudzone mają więc duże
znaczenie w kinetyce chemicznej i katalizie (teoria szybkości reakcji
chemicznych).

Atomy mogą w trakcie reakcji przyjmować lub oddawać trwale pojedyncze
elektrony walencyjne. Tworzą się wówczas jony dodatnie (kationy, deficyt
elektronów) lub jony ujemne (aniony, nadmiar elektronów).

Jony tych samych znaków odpychają się. Jony przeciwnych znaków
przyciągają się i tworzą wiązania jonowe. Np. kryształ NaCl (lub dowolny
inny kryształ jonowy) jest utrzymywany w całości siłami elektrostatycznego
przyciągania jonów.

10

Po rozpuszczeniu w rozpuszczalniku o dużej stałej dielektrycznej (woda,
amoniak) siły przyciągania elektrostatycznego słabną i kryształ rozpada się na
pojedyncze jony w roztworze. (np. rozpuszczanie NaCl w wodzie).

Po rozpadzie kryształu jonowego jony natychmiast zostają solwatowane
(hydratowane), tj. szczelnie otaczane cząsteczkami rozpuszczalnika (wody) i
„pływają” w roztworze jako duże agregaty jon + otoczka solwatacyjna
(hydratacyjna).

W każdej „makroskopowej” (t.j. > 1 µm) części roztworu musi być tyle samo
ładunków (elektronów, jonów) ujemnych co dodatnich. Musi być spełniony
warunek elektroobojętności.

Jony przewodzą prąd w elektrolitach (np. w ołowiowym akumulatorze
trakcyjnym). W metalach przewodzą elektrony. Na granicy
metal/elektrolit następuje zamiana jonów na elektrony i jest to reakcja
elektrodowa (np. reakcje na elektrodach akumulatora).

11

Wiązania kowalencyjne powstają przez „uwspólnienie” elektronów jednego atomu
z drugim atomem. Uwspólnienie szczególnie chętnie tworzy układy 2 lub 8
elektronów.

Jeśli dwa atomy maja po jednym elektronie (np. H) – „uwspólniają” je, tworząc
wiązanie kowalentne w postaci pary elektronowej łączącej 2 atomy.

Np H

2

:

H-H

. Symbol kreski łączącej atomy oznacza wiązanie kowalentne parą

elektronów.

Może uwspólniać się więcej elektronów tworząc 2 lub 3 pary elektronowe
czyli wiązania podwójne lub potrójne. Oznaczamy je dwiema lub trzema
kreskami.

Szczególnie pospolite jest to w chemii organicznej, związki węgla:

Etan –

H

3

C-CH

3

Etylen (Eten) –

H

2

C=CH

2

Acetylen (Etin) –

HC

ªCH

Wiązania tlenu są też często podwójne: C=O, O=S=O itp..

12

Obecnie chemia coraz wyraźniej dzieli się na chemię organiczną (biochemię) i
chemię materiałów. Ponadto wyróżnia się chemię fizyczną (teoretyczną), chemię
analityczną. Chemia budowlana korzysta z tych wszystkich działów chemii.

Najdoskonalszym laboratorium chemicznym jest żywy organizm, w którym
zachodzą reakcje chemiczne w umiarkowanych warunkach ciśnienia i temperatury
zastępujące reakcje syntezy przemysłowej prowadzonej często w wysokich
temperaturach i ciśnieniach.

Marzeniem chemików jest podejrzeć reakcje chemiczne w żywych
organizmach i odtworzyć je w warunkach laboratoryjnych a następnie
przemysłowych.

Poza wiązaniami jonowymi (kulombowskim) i kowalencyjnymi, w chemii
liczą się wiązania koordynacyjne i wiązania wodorowe.

13

W wiązaniach koordynacyjnych jedna cząsteczka (ligand) dysponuje wolną parą
elektronową. Druga cząsteczka dysponuje w swej powłoce „wolnym miejscem”
na taką parę elektronową. Wobec tego dzielą się tą parą elektronów
pochodzącą od jednej cząsteczki. Tworzy się w ten sposób wiązanie
koordynacyjne. Najczęściej takich uwspólnionych par elektronowych jest kilka,
np Fe(CN)

6

4-

: jeden jon Fe

2+

otoczony przez 6 jonów CN

-

. Wolne pary

elektronowe są na atomach N, miejsca na ich uwspólnienie są na jonach Fe

2+

.

Cd(H

2

O)

4

2+

,jeden jon Cd

2+

otoczony czterema cząsteczkami-ligandami wody.

Wiązanie wodorowe szczególnie ważne w wodzie. Polega na uwspólnieniu
związanego kowalentnie atomu H- dysponujacego miejscem na parę
elektronów. Para ta przejmuje rolę wiązania kowalentnego a dotychczasowe
wiązanie kowalentne zamienia się na wolną parę elektronową.

Zmiany te następują wielokrotnie i bardzo szybko. Liczy się więc stan
„uśredniony”.