Fizykochemia wody

występowanie cząsteczki wody w

materiałach budowlanych:

1. Woda krystalizacyjna:
- koordynacyjna – silnie związana z

jonami hydratów, np. [Al(H

2

O)

6

]Cl

3

- sieciowa – zajmująca określone miejsce

w sieci krystalicznej, np. BaCl

2

*2H

2

O

- konstytucyjna – występująca w postaci

grup hydroksylowych OH

-

- śródwęzłowa (międzysieciowa, zeolityczna,

międzywarstwowa, międzypakietowa) –
luźno związana, w lukach strukturalnych

2. Woda kapilarna – w mikroporach (d<10

-

7

m) materiału

3. Woda swobodna – w makroporach, jamach

międzyziarnowych, na powierzchni jako
woda zaadsorbowana

Struktura wody

Czerwony – wiązania
atomowe

czarny – wiązania
wodorowe

Tworzenie się wody

• 2H

2

+O

2

→2H

2

O ΔH

0

= - 572,0 kJ/mol

• H

+

+ OH

-

→H

2

O ΔH

0

= - 57,15 kJ/mol

• CH

4

+2O

2

→CO

2

+2H

2

O

• Odszczepienie wody z minerałów

Dysocjacja elektrolityczna

wody

Reakcja autoprotolizy (dysocjacji elektrolitycznej)

K

c

=

[H

+

][OH

-

]

[H

2

O]

=1,8*10

-16

mol/dm

3

Iloczyn jonowy wody
K

w

=[H

+

][OH

-

]=10

-14

mol/dm

3

[H

+

]=[OH

-

]= √K

w

=

10

-7

mol/dm

3

Wykładnik jonów wodorowych:
pH=-lg[H

+

]

Wartość pH = pOH w czystej wodzie,

tzw. pH neutralne, wynosi 7 i

określa umowny środek skali pH.

Oznaczanie pH

• Wskaźniki kwasowo – zasadowe
rodzaj

zakres pH, w

kt. zmienia
się barwa

barwa w roztworze
kwaśnym

zasadowy

m

Oranż

metylowy

3,1 – 4,4 czerwona żółta

Czerwień

metylowa

4,2 – 6,3 czerwona żółta

Błękit

bromotymo

lowy

6,0 – 7,6 żółta

niebieska

fenoloftalei

na

8,3 - 10

bezbarwn

a

czerwona

-papierek lakmusowy
- pH-metr

hydroliza

Rozpad substancji na jony pod

wpływem wody

• sól mocnej zasady i słabego kwasu –

odczyn zasadowy

• sól słabej zasady i mocnego kwasu –

odczyn kwaśny

• sól słabej zasady i słabego kwasu –

odczyn obojętny

• sól mocnej zasady i mocnego kwasu

– nie ulega hydrolizie i jest całkowicie

zdysocjowana odczyn obojętny

Roztwory buforowe

• Roztwory słabych kwasów lub zasad

z ich solami

• Niewielki dodatek kwasu lub zasady

nie zmienia wartości ich pH

Twardość wody

• Woda zawiera zanieczyszczenia w

postaci soli wapnia i magnezu

• Miarą twardości wody jest:

mmol/dm

3

, mval/dm

3

i stopnie

niemieckie

o

n

1mmol/dm

3

=2 mval/dm

3

=5,6

o

n

Określa zawartość związków wapnia i

magnezu w przeliczeniu na CaO.

Twardość wody spowodowana jest
obecnością jonów Ca

2+

, Mg

2+

, Sr

2+

, Ba

2+

- twardość ogólna

Twardość węglanowa – kwaśne węglany

wapnia i magnezu,

Gotowanie: Ca(HCO)

3

→CaCO

3

+H

2

O+CO

2

Kamień kotłowy

Twardość niewęglanowa – rozpuszczalne

sole wapnia i magnezu – twardość
stała

Skala twardości wody

STOPIEŃ TWARDOŚCI TWARDOŚĆ OGÓLNA

mmol/dm

3

Bardzo miękka

0 – 0,75

Miękka

0,75 – 1,50

Średnio twarda

1,50 – 3,30

Twarda

3,30 – 5,0

Bardzo twarda

> 5,0

Zmiękczanie wody

Strącanie trudno rozpuszczalnych

osadów jonów Ca

2+

, Mg

2+

• Metoda wapienno – sodowa:
twardość węglanowa:

Ca(OH)

2

+Ca(HCO

3

)

2

→2CaCO

3

↓+2H

2

O

Ca(OH)

2

+Mg(HCO

3

)

2

→MgCO

3

↓+

2CaCO

3

↓ +2H

2

O

Twardość niewęglanowa:

Ca(OH)

2

+MgSO

4

→2Mg(OH)

2

↓+CaSO

4

↓

Na

2

CO

3

+CaSO

4

→CaCO

3

↓+Na

2

SO

4

• Metoda fosforanowa:

2Na

3

PO

4

+3Ca(HCO

3

)

2

→Ca

3

(PO

4

)

2

↓+

6NaHCO

3

2Na

3

PO

4

+3CaSO

4

→Ca

3

(PO

4

)

2

↓+3Na

2

SO

4

• Metoda wymiany jonowej:
Jonity nieorganiczne – zeolity
Jonity organiczne - wofatyty

Kt-H

2

+ CaSO

4

→ Kt-Ca + H

2

SO

4

An-(OH)

2

+ H

2

SO

4

→ An-SO

4

+ 2H

2

O

• Oczyszczanie ścieków

Woda zarobowa

• Siarczany – ze składnikami cementu tworzą

związki znacznie zwiększające objętość, co
może powodować rozsadzanie betonu,
wody o małej zawartości siarczanów tworzą
gips, częściowo uszczelniający beton

wody o dużej zawartości tworzą np. sól
Candlota: 3CaO·Al

2

O

3

·3CaSO

4

·32H

2

O

• Siarkowodór i jego sole – łatwo się

utleniają do siarczanów(IV) i (VI).
reakcja z Ca(OH)

2

: powstawanie

wodorosiarczanu wapniowego
Ca(HS)

2

– łatwo rozpuszczalny w

wodzie, nie posiadający właściwości
wiążących

• Kwasy – reakcja ze składnikami

cementu i produktami uwodnienia
cementu – powstawanie łatwo
rozpuszczalnych związków

• Cukier – główny składnik: sacharoza

(C

12

H

22

O

11

) tworzy z Ca(OH)

2

cukrzany

wapniowe utrudniające wiązanie i
obniżające wytrzymałość

• Substancje humusowe – zawierają

kwas huminowy, który reaguje z
wodorotlenkiem wapnia tworząc
nierozpuszczalny huminian wapniowy

• Wymagania stawiane wodzie

zarobowej określa norma PN-88/B-
32250: „Woda do betonów i zapraw”

PODZIAŁ MATERIAŁÓW

BUDOWLANYCH

Kompozyty:

rodzaj fazy rozproszonej:

-

wypełniacz włóknisty - laminaty, np. epoksydowo –

szklane jako wykładzina antykorozyjna na betonie,

-

wypełniacz ziarnisty – kompozyty betonopodobne,

zaprawy i betony cementowe, żywiczne

-

wypełniacz mieszany – np. durobeton, zaprawy lub betony

zbrojone ciętym włóknem stalowym

- Organiczne: drewno, bitumy,

tworzywa sztuczne i nieorganiczne
(mineralne): materiały kamienne i
metale

Ziarniste naturalne materiały

kamienne (kruszywa):
– wielkość ziaren (pyły, piaski, żwiry)
– sposób pozyskania: naturalne i
łamane

- rodzaj skał (magmowe, osadowe,

przeobrażeniowe)

Sztuczne materiały kamienne:
- wypalana do spieku ceramika budowlana,
- wypalane do stopu szkło budowlane,

leizna kamienna, wełna mineralna

- betony i zaprawy (ziarna kruszywa

zespolone materiałem wiążącym)

Materiały wiążące

- mechanizm wiązania: spoiwa i lepiszcza
spoiwa żywiczne

Tworzywa sztuczne:
Polimery – wielkocząsteczkowe substancje

o masie cząsteczkowej powyżej 10

4

Modyfikatory: przeciwutleniacze, barwniki,

środki antyelektrostatyczne, wypełniacze
mineralne

Termoplasty – miękną z podwyższeniem

temperatury

Duroplasty – przechodzą nieodwracalnie w

stan utwardzony pod wpływem
temperatury

Elastomery - kauczukopodobne

CHEMIA MINERALNYCH

MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

• DWUTLENEK KRZEMU

870ºC

1470 ºC

1710 ºC

kwarc ↔ trydymit ↔ krystobalit ↔ szkło
amorficzny: żel krzemionkowy, ziemia

okrzemkowa,

Tworzy: piaskowce, granity, gnejsy,
Odporny na działanie kwasów z

wyjątkiem kwasu fluorowodorowego

(SiF

4

)

W wysokiej temp. reaguje z zasadowymi

tlenkami wodorotlenkami oraz solami:

SiO

2

+2FeO→Fe

2

SiO

4

SiO

2

+2NaOH→Na

2

SiO

3

+H

2

O

SiO

2

+CaCO

3

→CaSiO

3

+CO

2

Zastosowanie SiO

2

:

- piasek kwarcowy do betonów i zapraw,

- bardzo czysty – do produkcji szkła

- do produkcji ceramiki budowlanej

Kwasy krzemowe i ich sole

• Kwas ortokrzemowy, kwas

krzemowy(IV)