ZAŁO

ś

ENIE I CELE PRZEDMIOTU

• Umiej

ę

tno

ść

opisu wła

ś

ciwo

ś

ci stanów materii;

• Rozumienia podstawowych procesów chemicznych
maj

ą

cych znaczenie w budownictwie;

• Zaznajomienie si

ę

ze stosowanymi rozwi

ą

zaniami

in

ż

ynierii chemicznej w opracowaniu projektów

procesowych;

• Bezpiecznego stosowania materiałów budowlanych oraz
post

ę

powania z materiałami budowlanymi;

• Selekcji i utylizacji odpadów materiałowych w
budownictwie.

WYKŁADY -

Tre

ś

ci kształcenia:

1. Budowa i wła

ś

ciwo

ś

ci gazów, cieczy i ciał stałych. Struktury krystaliczne

i ich defekty. Siły spójno

ś

ci tworzyw jednorodnych i niejednorodnych.

2. Podstawy termodynamiki i kinetyki chemicznej. Stany równowagi

chemicznej.

3. Operacje jednostkowe z udziałem procesów fizykochemicznych.
•

Fizykochemia wody. Podstawy technologii chemicznej. Sposoby

uzdatniania wód naturalnych.

5. Układy koloidalne – otrzymywanie, wła

ś

ciwo

ś

ci, trwało

ść

. Podział

i zastosowania emulsji.

6. Zjawiska powierzchniowe – ich znaczenie w budownictwie.
7. Reakcje chemiczne ze szczególnym uwzgl

ę

dnieniem reakcji hydratacji

i hydrolizy. Chemia mineralnych materiałów budowlanych ze

szczególnym uwzgl

ę

dnieniem materiałów wi

ążą

cych.

8. Procesy korozji tworzyw cementowych.
9. Chemia tworzyw sztucznych i tworzyw bitumicznych.
10.Chemia metali. Chemiczne

ź

ródła energii elektrycznej. Procesy korozji.

LITERATURA PODSTAWOWA

1. Pauling L., Pauling P., Chemia, PWN, 1998.
2. Barycka I., Skudlarski K., Podstawy Chemii, Wydawnictwo Politechniki

Wrocławskiej, Wrocław, 1993.

3. Czarnecki L., Broniewski T., Henning O., Chemia w budownictwie,

Arkady, Warszawa 1996.

4. Dziadko D., i inni, Laboratorium Chemiczne – Materiały do

Ć

wicze

ń

,

Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin, 1998.

LITERATURA UZUPEŁNIAJ

Ą

CA

1. Czarnecki L., i inni,

Ć

wiczenia Laboratoryjne z Chemii Budowlanej,

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005.

2. Kowal A.,

Ś

widerska - Bró

ż

M.: Oczyszczanie wody, PWN, Warszawa-

Wrocław, 1997.

ZADANIA CHEMII BUDOWLANEJ

Zagadnienia chemiczne, na które napotyka in

ż

ynier

budowlany:

1. Budowa chemiczna jako wyznacznik wła

ś

ciwo

ś

ci

technicznych materiałów budowlanych.

2. Chemiczne metody oceny przydatno

ś

ci materiałów

budowlanych (np. badania chemiczne w normach
budowlanych).

3. Chemiczne uwarunkowania przydatno

ś

ci gruntów

budowlanych oraz chemiczne metody ich poprawy (np.
elektroosmoza, procesy sorpcyjne itp).

ZJAWISKA I PRZEMIANY NATURY CHEMICZNEJ

wyst

ę

puj

ą

podczas:

1. wytwarzania materiałów i elementów budowlanych oraz

utylizacji odpadów na cele budowlane.

2. stosowania materiałów budowlanych przy wznoszeniu

budowli i wykonywaniu robót wyko

ń

czeniowych (np.

procesy wi

ą

zania i twardnienia materiałów wi

ążą

cych),

3. u

ż

ytkowania obiektu (np. procesy korozji),

w sytuacjach awaryjnych (np. przebieg reakcji spalania

podczas po

ż

aru),

4. zagro

ż

enia i uci

ąż

liwo

ś

ci natury chemicznej w

odniesieniu do wykonawcy i u

ż

ytkownika materiałów

oraz obiektów budowlanych,

5. zagro

ż

enia

ś

rodowiska spowodowane przez przemysł

materiałów budowlanych.

Znamy ju

ż

:

• podstawowe reguły i zasady obowi

ą

zuj

ą

ce w

chemii

– s

ą

przydatne w procesie zdobywania

wiedzy o charakterze i wła

ś

ciwo

ś

ciach

pierwiastków poszczególnych grup.

• podstawowe zale

ż

no

ś

ci skutkowo-przyczynowe

- nale

ż

y zna

ć

i rozumie

ć

wła

ś

ciwo

ś

ci danego

pierwiastka, które wi

ążą

si

ę

:

- z budow

ą

jego atomów,

- formami cz

ą

steczkowymi.

Zapami

ę

taj,

ż

e:

zasady,

reguły,

podziały,

nawet niekiedy prawa,

to najcz

ęś

ciej uogólnienia typowych zachowa

ń

pierwiastków

i zwi

ą

zków w typowych sytuacjach, ( s

ą

wyj

ą

tki).

Podstawowe prawa chemii

dot. zwi

ą

zków chemicznych (Dalton):

1. Pierwiastek – te same atomy
2. Zwi

ą

zek chemiczny - ró

ż

ne atomy

Prawo stosunków stałych
Prawo stosunków wielokrotnych
Prawo zachowania masy (te

ż

energii).

Zapami

ę

taj te

ż

,

ż

e:

Istniej

ą

odst

ę

pstwa i wyj

ą

tki od wyuczonych prostych

regułek.

Wynikaj

ą

one z rzeczywistych i niezmiennych praw

przyrody.

Skala MIKRO

Wła

ś

ciwo

ś

ci substancji, zawieraj

ą

cej 1 – kilka elementów.

Skala MAKRO

Wła

ś

ciwo

ś

ci substancji, zawieraj

ą

cej wiele elementów

( np.10 ml wody)

Gdzie le

ż

y granica?

WYBRANE JEDNOSTKI SKALI ATOMOWEJ

(Skala mikro)

Masy atomów, j

ą

der atomowych i cz

ą

stek

elementarnych wyra

ż

a si

ę

powszechnie za pomoc

ą

:

Atomowej jednostki masy,

która jest równa

1/12 masy atomu nuklidu w

ę

gla

12

C.

Mi

ę

dzynarodowa Komisja Chemiczna IUPAC zaleca

symbol u.

atomowej jednostki masy u

wynosz

ą

cej około 1,661 • 10

-27

kg

Symbol „u" od unit (ang.) - jednostka.

Cz

ę

sto podaje si

ę

sam

ą

liczb

ę

, nazywaj

ą

c j

ą

WZGL

Ę

DN

Ą

MAS

Ą

ATOMOW

Ą

LUB CZ

Ą

STECZKOW

Ą

.

Na przykład:

(Na) = 23 oznacza,

ż

e masa atomu sodu jest 23 razy

wi

ę

ksza od atomowej jednostki masy u ( 1/12

masy atomowej

12

C).

Wzgl

ę

dna masa atomowa

12

C = 12

JEDNOSTKA ENERGII:

Elektronowolt (eV )

1 eV = 1,602 • 10

-19

J.

• Przemianom chemicznym jednego atomu
(cz

ą

steczki) towarzyszy wymiana z otoczeniem

energii około jednego elektronowolta.

• Przemianom j

ą

drowym towarzyszy pochłanianie lub

wydzielanie energii rz

ę

du megaelektronowoltów

(MeV).

JEDNOSTKA ŁADUNKU ELEKTRYCZNEGO

w skali atomowej jest ładunek elementarny, tzn.
ładunek jednego elektronu.

1 e =1,602.10

-19

C.

DŁUGO

ŚĆ

W SKALI ATOMOWEJ

wyra

ż

a si

ę

za pomoc

ą

podwielokrotnosci metra:

1 nm(nanometr) = 10

-9

m lub

1pm (pikometr)=10

-12

m.

Przypomnij sobie podstawowe definicje:

PIERWIASTEK CHEMICZNY

NUKLID

LICZBA MASOWA

LICZBA ATOMOWA

IZOTOP

MASA IZOTOPOWA

MASA ATOMOWA

MASA CZ

Ą

STECZKOWA

jest to masa cz

ą

steczki zwi

ą

zku lub

pierwiastka chemicznego wyra

ż

ona

w atomowych jednostkach masy.

•

Masa cz

ą

steczkowa = suma mas atomowych

wszystkich atomów wchodz

ą

cych w skład

cz

ą

steczki.

• Masa cz

ą

steczkowa, podobnie jak masa izotopowa i

masa atomowa, jest zwykle zapisywana jako wielko

ść

bezwymiarowa (wzgl

ę

dna).

LICZNO

ŚĆ

SUBSTANCJI

tzn. liczba okre

ś

lonych elementów w okre

ś

lonej

masie substancji, jednostk

ą

jest

mol.

"amount of

substance", jako "liczno

ść

materii" .

Jeden mol zawiera 6,02·10

23

elementów

( atomów, cz

ą

steczek, fotonów).

MOL

jest to liczba cz

ą

stek równa liczbie atomów zawartych w

12 g (dokładnie) nuklidu w

ę

gla

12

C.

Liczba cz

ą

stek zawartych w jednym molu jest nazywana

liczb

ą

Avogadra;

wynosi ona 6,0221367·10

23

± 3,6 ·10

17

.

MASA MOLOWA SUBSTANCJI

jest to stosunek masy substancji do jej
liczno

ś

ci; jest to masa jednego mola substancji.

Masa jednego mola ka

ż

dej substancji, jest liczbowo

równa masie atomowej (cz

ą

steczkowej) substancji.

Podobnie jak masa 1 mola w

ę

gla, wyra

ż

ona w

gramach (masa molowa) = 12g ( 12 g/mol ).

Przykład: 1

Oblicz mas

ę

cz

ą

steczkow

ą

i molow

ą

w

ę

glanu wapnia,

podstawowego składnika wapieni. Ile wynosi masa 10 moli
tego zwi

ą

zku?

Rozwi

ą

zanie:

1. Wzór w

ę

glanu wapnia - CaCO

3

2. Masa cz

ą

st. wzgl

ę

dna = 40 + 12 + 3 x 16 = 100

Masa cz

ą

st. w u = 100 u

Masa molowa = 100 g/ mol

Masa 10 moli = 10 x 100g/m = 1000g = 1, 000kg

Podobnie mo

ż

na przelicza

ć

wielko

ść

energii i ładunku

elektrycznego ze skali atomowej na molow

ą

:

1,602 •10

-19

C • 6,02 • 10

23

mol

-1

= 96 440 C • mol

-1

ładunek 1 elektronu

•

liczba Avogadra = stała Faradaya

Stała Faradaya to ładunek jednego mola elektronów.

BUDOWA MATERII

Cz

ą

stki elementarne

Cz

ą

stki elementarne s

ą

najprostszymi dotychczas

poznanymi do

ś

wiadczalnie cegiełkami budowy

materii.

Obecnie jest znanych ponad 200 takich cz

ą

stek,

Cz

ą

stki elementarne -

cztery grupy:

fotony, leptony, mezony i bariony

(składaj

ą

si

ę

z kwarków).

Obecnie

za

cz

ą

stk

ę

elementarn

ą

uwa

ż

a si

ę

cz

ą

stk

ę

, w której

nie mo

ż

na wyró

ż

ni

ć ż

adnej struktury, pomimo,

ż

e jest

ona w stanie rozpa

ść

si

ę

na inne – bardziej

elementarne.

RODZAJE KWARKÓW

NAJNOWSZE TEORIE BUDOWY MATERII

1. Model standardowy , kwarkowy

2. Teoria strun

Model Standardowy

- kwarki ł

ą

cz

ą

si

ę

w taki sposób,

ż

e

wypadkowy ładunek powstałej cz

ą

stki jest całkowit

ą

krotno

ś

ci

ą

ładunku elementarnego.

Za koncepcj

ę

istnienia kwarków M.Gell i G.Zweig otrzymali w 1969 roku

nagrod

ę

Nobla.

Według nowej

teorii superstrun

( 80-te lata), ka

ż

da cz

ą

stka

fundamentalna jest przejawem innego rodzaju drga

ń

superstruny.

Istotne znaczenie dla chemicznych wła

ś

ciwo

ś

ci materii

maj

ą

cz

ą

stki, które wchodz

ą

trwale w skład atomu:

tj.

nukleony (neutrony i protony)

oraz

elektrony

.

Proton,

oznaczony symbolem p, ma dodatni jednostkowy

ładunek elektryczny, mas

ę

około jedno

ś

ci (1,0073 u).

Neutron,

oznaczony symbolem n, ma mas

ę

około jedno

ś

ci

(1,0087 u).

Elektron,

oznaczony symbolem e, ma ujemny ładunek

jednostkowy, mas

ę

ok. 5.10

-4

u .

ELEKTRONOWA STRUKTURA

ATOMÓW

J

ą

dro atomowe

J

ą

dro atomowe skupia prawie cał

ą

mas

ę

atomu,

zajmuj

ą

c bardzo mał

ą

obj

ę

to

ść

.

Materia j

ą

dra składa si

ę

z

nukleonów

(protonów i

neutronów).

Rol

ę

wi

ążą

c

ą

w jadrze odgrywaj

ą

mezony

Π

,

wymieniane mi

ę

dzy protonami a neutronami,

tworz

ą

ce w przestrzeni j

ą

drowej pole mezonowe.

Energia wi

ą

zania j

ą

dra

- miara jego trwało

ś

ci.

W trakcie hipotetycznej syntezy j

ą

dra z protonów i

neutronów nast

ę

puje defekt (ubytek) masy, który jest

miar

ą

energii wi

ą

zania.

Elektronowa struktura atomów

Elektrony

• posiadaj

ą

wła

ś

ciwo

ś

ci korpuskularne, jak i falowe,

• energia wi

ą

zania z pozostał

ą

cz

ęś

ci

ą

atomu to parametr

opisuj

ą

cy elektron w atomie (energia elektronu),

• liczba elektronów w ka

ż

dym atomie jest równa liczbie

protonów w j

ą

drze tego atomu.

• struktura elektronowa atomu, to sposób rozmieszczenia
elektronów w atomie zgodnie z regułami, które rz

ą

dz

ą

tym

rozmieszczeniem.

• Ka

ż

dy stan elektronu w atomie to zasób pewnej energii.

• Dodatkowa energia powoduje

wzbudzenie atomu

i

przeniesienie elektronu na wy

ż

szy poziom energetyczny.

• Je

ż

eli dostarczona energia jest wystarczaj

ą

co du

ż

a, to

elektron zostanie odsuni

ę

ty poza sfer

ę

przyci

ą

gaj

ą

cego

działania jadra i nast

ą

pi

jonizacja atomu.

• Z wy

ż

szego poziomu elektron samorzutnie wraca do stanu

pierwotnego,

emituj

ą

c jednocze

ś

nie promieniowanie

elektromagnetyczne o odpowiedniej długo

ś

ci fali.

Zachowanie elektronów w atomach zostało

opisane równaniami ruchu falowego.

• Rozwi

ą

zania tych równa

ń

istniej

ą

tylko dla pewnych

okre

ś

lonych warto

ś

ci, tak zwanych

liczb kwantowych.

• Liczby te wyst

ę

puj

ą

w równaniach opisuj

ą

cych stan

elektronu w atomie.

Liczby kwantowe

• Główna liczba kwantowa n kwantuje energi

ę

.

• Główn

ą

liczb

ę

kwantow

ą

okre

ś

la si

ę

symbolem cyfrowym

lub literowym:
warto

ść

liczby n

1 2 3 4 5 6 7

symbol literowy powłoki K L M N O P Q

Orbitalna (poboczna) liczba kwantowa l

•

kwantuje moment p

ę

du elektronu,

• przyjmuje warto

ś

ci od 0 do n-1.

Orbitalne liczby kwantowe o ró

ż

nych warto

ś

ciach l oznaczamy

symbolami literowymi:

warto

ść

liczby

0 1 2 3 4

symbol literowy podpowłoki s p d f g

Elektrony o tej samej głównej i orbitalnej liczbie kwantowej
nale

żą

do tej samej podpowłoki,

czyli do orbitali typu s czy typu p.

Orbitalem

nazywamy funkcj

ę

falow

ą

(

Ψ

) opisuj

ą

c

ą

stan elektronu w atomie.

Posługuj

ą

c si

ę

funkcj

ą Ψ

2

mo

ż

na sporz

ą

dzi

ć

rysunki

przedstawiaj

ą

ce rozmieszczenie elektronów w atomach.

Magnetyczna liczba kwantowa

m

• kwantuje warto

ść

rzutu momentu p

ę

du na kierunek pola

magnetycznego.

• dla danej orbitalnej liczby kwantowej l, magnetyczna liczba
kwantowa m mo

ż

e przyjmowa

ć

warto

ś

ci od –l poprzez 0 do +l,

czyli 2l+1 warto

ś

ci.

Spinowa magnetyczna liczba kwantowa m

s

• nieznaczne ró

ż

nice stanu tych elektronów wynikaj

ą

z ich

ruchu obrotowego wokół osi,

• ruch ten mo

ż

e mie

ć

dwa ró

ż

ne kierunki oznaczone jako

+1/2 i -1/2.

• ka

ż

demu orbitalowi mog

ą

odpowiada

ć

dwa elektrony o

trzech wspólnych liczbach kwantowych n, l, i m ró

ż

ni

ą

ce si

ę

spinem.

Zapis elektronowej struktury atomu

Opis struktury elektronowej atomu zawiera informacj

ę

:

•

o liczbie elektronów ( w elektrycznie oboj

ę

tnym atomie jest

jednoznaczne z rodzajem pierwiastka),

• o sposobie ich rozmieszczenia na powłokach i orbitalach,

•

zakaz Pauliego

pozwala przypisa

ć

ka

ż

demu elektronowi

w atomie zespół czterech liczb kwantowych, okre

ś

laj

ą

cych

jednoznacznie stan energetyczny tego atomu,

•

wszystkie elektrony w nie wzbudzonym atomie lokalizuj

ą

si

ę

na mo

ż

liwie najni

ż

szych poziomach energetycznych,

• zgodnie z

reguł

ą

Hunda,

w obr

ę

bie jednej powłoki s

ą

obsadzane kolejno podpowłoki s, p, d, f.

Zapis struktury elektronowej atomu w

ę

gla

6

C mo

ż

na te

ż

przedstawi

ć

graficznie:

• Ka

ż

da klatka przedstawia orbital dost

ę

pny dla dwóch

elektronów.

• Strzałki oznaczaj

ą

elektrony, przeciwne zwroty strzałek

oznaczaj

ą

przeciwne spiny elektronów orbitalu (Zakaz Pauliego).

• Zgodnie z reguł

ą

Hunda dwa elektrony typu p obsadzaj

ą

dwa

kolejne orbitale podpowłoki p.

UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

•

Uporz

ą

dkowanie pierwiastków według wzrastaj

ą

cej liczby

atomowej doprowadziło do utworzenia

układu okresowego

pierwiastków

(D.J. Mendelejew).

• Pierwiastki o podobnych wła

ś

ciwo

ś

ciach s

ą

umieszczone

jeden pod drugim w kolumnach (grupy główne i podgrupy),

• Pierwiastki o stopniowo zmieniaj

ą

cych si

ę

cechach od

metalicznych do niemetalicznych uporz

ą

dkowano w

poziomych szeregach (okresach).

• Numer okresu odpowiada liczbie powłok elektronowych w
atomach danych pierwiastków.

Zasada uporz

ą

dkowania pierwiastków w

układzie okresowym

• Wła

ś

ciwo

ś

ci chemiczne pierwiastka s

ą

jednoznacznie

zdefiniowane przez jego struktur

ę

elektronow

ą

.

• Pierwiastki o takiej samej budowie powłok walencyjnych
maj

ą

podobne wła

ś

ciwo

ś

ci.

• W układzie okresowym pierwiastki s

ą

uło

ż

one według

wzrastaj

ą

cej liczby protonów, któr

ą

nazywamy liczb

ą

atomow

ą

lub liczb

ą

porz

ą

dkow

ą

.

OKRESOWO

ŚĆ

WŁA

Ś

CIWO

Ś

CI PIERWIASTKÓW

Wła

ś

ciwo

ś

ci pierwiastków wynikaj

ą

ze struktury

elektronowej atomów i podlegaj

ą

prawidłom

okresowo

ś

ci.

Dotyczy:

Wła

ś

ciwo

ś

ci atomowych:

energia jonizacji, powinowactwo elektronowe,

elektroujemno

ść

, wymiary atomów i jonów.

Wła

ś

ciwo

ś

ci zespołowych:

stan skupienia, g

ę

sto

ść

, barwa, wła

ś

ciwa pojemno

ść

cieplna itp.

Elektroujemno

ść

Eu wybranych pierwiastków

wyst

ę

puj

ą

cych w materiałach budowlanych

(wg skali Paulinga)

Elektroujemno

ść

jest umown

ą

miar

ą

skłonno

ś

ci atomu do przyci

ą

gania

elektronów podczas tworzenia wi

ą

zania chemicznego.

Okresowo

ść

warto

ś

ciowo

ś

ci

Warto

ś

ciowo

ść

jest to liczba oddawanych lub

przyjmowanych elektronów w procesie tworzenia
wi

ą

zania chemicznego.

Oddawanie elektronów jest jednoznaczne z warto

ś

ciowo

ś

ci

ą

dodatni

ą

– atom staje si

ę

kationem

.

Przyjmowanie elektronów w celu uzupełnienia oktetu powoduje
nadmiarowy ładunek ujemny – powstaje ujemny jon

anion

.

Maksymalna dodatnia warto

ś

ciowo

ść

pierwiastka jest na ogół

równa ostatniej cyfrze numeru grupy

STOPIE

Ń

UTLENIENIA

- liczba elektronów, które dany atom przekazał lub
przyj

ą

ł od innego atomu w ramach tworzenia z nim

wi

ą

zania chemicznego.

- mo

ż

e tu oznacza

ć

zarówno pełne przekazanie

elektronu innemu atomowi (lub ich grupie), co prowadzi
do powstawania wi

ą

zania jonowego

-lub tylko cz

ęś

ciowe przekazanie elektronów w formie

wi

ą

zania kowalencyjnego.

Przykład :

Oblicz stopie

ń

utlenienia siarki w kwasie siarkowym

H

2

SO

4

, wiedz

ą

c ,

ż

e stopie

ń

utlenienia wodoru wynosi

+1,

a tlenu -2.

Rozwi

ą

zanie:

1. Wzór kwasu siarkowego H

2

SO

4

,

( cz

ą

steczka zwi

ą

zku chemicznego oboj

ę

tna).

1. Bilans ładunków: 0 = 2

·

(+1) + x + 4

·

( -2)

x = 8 - 2 = 6

Jest to kwas siarkowy (VI).

Zadanie 1

Napisz wzory tlenków pierwiastków a) I i II grupy oraz
b) VI i VII grupy.

Napisz reakcje tych tlenków z wod

ą

.

Napisz reakcje produktów a) z b).

Zadanie 2.

Oblicz masy molowe nast

ę

puj

ą

cych zwi

ą

zków: w

ę

glanu

magnezu, wodorow

ę

glanu wapnia, kwasu siarkowego i

zasady sodowej.