Wydział Budownictwa

Edyta Janota

Tomasz Jezierski

Grupa  laboratoryjna:  4

Semestr  II  letni

OPOLE 2008r.

HYDRATACJA 

I HYDROLIZA

Reakcje chemiczne ze szczególnym 

uwzględnieniem hydratacji i hydrolizy.

HYDROLIZA



Hydrolizą nazywamy reakcję jonów  
z cząsteczkami wody w wyniku, 
której następuje rozkład cząsteczki 
wody z uwolnieniem jonu 
wodorowego lub hydroksylowego. 
Następuje zatem zakwaszenie lub 
alkalizacja roztworu wodnego.



Reakcję hydrolizy można opisać 
schematycznie następującymi 
równaniami:

HYDROLIZA KATIONU W 

ROZTWORZE WODNYM.

HYDROLIZA ANIONU W 

ROZTWORZE WODNYM.

HYDROLIZA SOLI



Hydroliza soli polega na reakcji wody 
z jonami wchodzącymi w skład danej 
soli. 



Powstające w wyniku dysocjacji 
elektrolitycznej soli jony są z punktu 
widzenia teorii kwasów Lewisa 
kwasami (kationy) lub zasadami 
(aniony), mogą więc one reagować z 
wodą tak, jakby były kwasami i 
zasadami. To właśnie ta reakcja jest 
zwana reakcją hydrolizy 
elektrolitycznej. 

RODZAJE HYDROLIZY:



Anionowa - zachodzi wtedy, gdy hydrolizuje sól 
wywodząca się z mocnej zasady i słabego 
kwasu. Odczyn roztworu takiej soli jest 
zasadowy;



Kationowa - zachodzi wówczas, gdy do 
roztworu dodamy sól słabej zasady i mocnego 
kwasu. Odczyn takiego roztworu jest kwasowy. 



Kationowo-anionowa - zachodzi, podczas 
dodania soli, której kation pochodzi ze słabej 
zasady, a anion ze słabego kwasu. Odczyn 
takiego roztworu jest obojętny 



Sole wywodzące się z mocnych kwasów i 
mocnych zasad nie hydrolizują.

REAKCJE HYDROLIZY:



Zazwyczaj, reakcja hydrolizy przebiega wg 
ogólnego schematu:

 

Me

+

  + R

-

  + H

2

O→ HR + 

MeOH



R - reszta kwasowa



Me - metal

REAKCJE HYDROLIZY ANIONOWEJ:



Azotan(III) sodu – NaNO

2

 – ulega w wodzie 

całkowitej dysocjacji. Powstające jony 
azotanowe(III) są zdolne do reakcji z jonami 
wodorowymi, które choć w minimalnych 
ilościach, istnieją w każdym roztworze wodnym.



Z każdej cząsteczki wody dysocjuje 
równocześnie jeden jon OH-. Nie wchodzi on w 
reakcję z jonem sodu, ponieważ NaOH jest 
mocnym elektrolitem. Wytworzony nadmiar 
jonów OH- powoduje zasadowy odczyn 
roztworu. Reakcje można zapisać w skrócie:



H

2

O  + NO

2- 

 HNO

2 

+ OH

-

REAKCJE HYDROLIZY 
KATIONOWEJ:



NH

4

Cl ulega w wodzie całkowitej dysocjacji. 

Jony NH

4

+ reagują z jonami OH-, natomiast 

H+ i Cl-, nie reagują, ponieważ HCl jest 
mocnym elektrolitem.



Wytwarzanie coraz większej ilości jonów H+ 
powoduje kwaśny odczyn roztworu. Reakcje 
można zapisać w skrócie:



 NH

4

-

  NH

3

  +  H

+

REAKCJE HYDROLIZY ANIONOWO-
KATIONOWEJ:



Sole słabych zasad i słabych kwasów ulegają 
hydrolizie dając dwa produkty: słaby kwas i 
słabą zasadę. 



Na przykład:



 NH

4

NO

2

 →  NH

4

+

  +  NO

2

-



   NH

4

+

 + OH

-

   NH

3

 +H

2

O



   NO

2

 

-

 + H

+

    HNO

2

HYDRATACJA (UWODNIENIE)



Proces, w którym woda jest związkiem 
chemicznym przyłączonym do innej 
substancji, przy czym woda ta jest 
przyłączana w całości (nie powstają 
dodatkowo produkty uboczne). Procesy 
hydratacji odgrywa ważną rolę podczas 
wiązania mineralnych spoiw budowlanych.

HYDRATACJA KRZEMIANÓW:



Krzemian trójwapniowy inaczej alit.

C

3

S , czyli 3CaO·SiO

2

 



Krzemian dwuwapniowy inaczej belit.

  

C

2

S, czyli  2CaO · SiO

2



Alit i belit są głównymi składnikami klinkieru 
cementu portlandzkiego. 



Faza C-S-H są to uwodnione krzemiany 

wapniowe 

mCaO*SiO 2nH

2

O 

REAKCJE UWODNIENIA KRZEMIANU DWU- I 
TRÓJWAPNIOWEGO.



 Alit:

C

3

S + nH

2

O → CSH + xCa(OH)

2



Belit:

C

2

S + mH

2

O → CSH + yCa(OH)

2



Powstają fazy C-S-H o zmiennym składzie 
chemicznym. Fazy te początkowo w formie żelu a 
następnie wydłużonych igieł (rurek) powodują 
stężenie zaczynu cementowego i wiążąc ziarna 
kruszywa powstawanie trwałej struktury betonu.

KLINKIER I CEMENT 
PORTLANDZKI



Klinkier otrzymuje się przez wypalenie w 
temperaturze +1450°C mieszaniny zmielonych 
surowców, której głównymi składnikami są: alit (50-
65% masy klinkieru) oraz belit (ok. 20% masy 
klinkieru). 



Cement portlandzki otrzymuje się poprzez 
zmieszanie klinkieru z gipsem i dodatkami 
hydraulicznymi.



W klinkierze cementu portlandzkiego z glinianów 
wapniowych występuje głównie C

3

A, ale czasami 

również dodaje się C

12

A

7

. Glinian trójwapniowy 

stanowi ok. 10% masy klinkieru.



C

3

A reaguje błyskawicznie z wodą dlatego reakcje 

spowalnia się np. poprzez dodanie gipsu.

CEMENT PO ZAROBIENIU Z WODĄ ULEGA HYDRATACJI, 
CZYLI UWODNIENIU. ILOŚĆ WODY NIEZBĘDNA DO 
HYDRATACJI CEMENTU WAHA SIĘ OD 20 DO 25% 
JEGO MASY.



W początkowym okresie 
gliniany wapniowe (CA) 
uwadniają się bardzo szybko - 
zjawisko to należy hamować 
tak, aby nie dopuścić do 
przedwczesnego tężenia 
zaczynu. Dodatek siarczanu 
wapniowego (gips lub anhydryt) 
powoduje spowolnienie tych 
procesów poprzez utworzenie 
uwodnionych siarczano-
glinianów wapniowych  
otaczających ziarna glinianów. 



Krzemiany wapniowe (CS) ulegają wolniej 
uwodnieniu niż gliniany, a procesowi 
hydratacji towarzyszy powstawanie 
wodorotlenku wapniowego i bardzo trwałej 
struktury uwodnionych krzemianów 
wapniowych (CSH).



Żużel wielkopiecowy i popiół lotny 
wchodzą w reakcję chemiczną z 
utworzonym wodorotlenkiem 
wapniowym tworząc także uwodnione 
krzemiany wapniowe. Powstałe 
hydraty zagęszczają strukturę 
wpływając korzystnie na trwałość 
zaczynu cementowego.

HYDRATACJA GLINIANÓW 
WAPNIOWYCH

Uwodnione gliniany wapniowe tworzą wielką 
liczbę faz mata trwałych. Wprawdzie 
występują one z reguły jako dobrze 
wykrystalizowane hydraty, jednak ze względu 
na liczbę ich odmian polimorficznych oraz 
wielką łatwość, z jaką przechodzą pod 
wpływem CO

2

 w węglanogliniany, 

identyfikacja tych faz jest utrudniona. Z tego 
względu najlepiej będzie rozpocząć 
omówienie hydratacji glinianów wapniowych 
od przedstawienia układu CaO – Al

2

O

3

 – H

2

O.

UKŁAD  C – A – H

W tym układzie, zabezpieczonym przez CO

2

, 

mamy dużą grupę tak zwanych glinianów 
heksagonalnych, tworzących płytki 
heksagonalne. Są to wszystko fazy 
metatrwałe, jedynym bowiem trwałym 
uwodnionym glinianem  wapniowym jest 
C

3

AH

6 

[41, 42]. Tworzy on się jednak dopiero 

w wyniku reakcji glinianów wapniowych z 
wodą w temp. wyższej od 45

o  

[43]. W 

niższych temperaturach najpierw powstają 
nietrwałe gliniany heksagonalne.

krzywe rozpuszczalności w układzie
 C – A – H w temp. 25

o

C

Krzywa prężności pary C

3

AH

6

. 

W wyniku rozkładu powsta ją fazy:
4Ca0 • 3Al

2

0

3

 • 3H

2

0 i Ca(OH)

2

UWODNIONE SIARCZANOGLINY 
WAPNIOWE I INNE GLINIANY ZŁOŻONE

Uwodnione gliniany wapniowe bardzo łatwo reagują 
z CO

32-

, dając weglanogliniany. Podobnie ma się 

sprawa z innymi anionami, z których największe 
znaczenie dla cementu portlandzkiego na [SO

4

]

2- 

.

Są dwa rodzaje tych czteroskładnikowych 
hydratów:
pierwsze mają wzór empiryczny:
C

3

A • 3CaX • mH

2

0  lub

C

3

A • 3CaY

2

 • mH

2

0

  drugie:

C

3

A • CaX • nH

2

0      C

3

A • CaY

2 

• nH

2

0

We wzorach tych X oznacza aniony 
dwuwartościowe, np: S0

4

, CO

3

, CrO

4

,  SiO

4

, 

Y

2

 aniony jednowartościowe, np: OH, Cl, Br, I, NO

3

...

Największe znaczenie w chemii cementu mają 
następujące hydraty:



z grupy pierwszej:

C

3

A • 3CaS0

4

 • 32H

2

0 zwany ettringitem AF

t

,



z grupy drugiej:

C

3

A • CaS0

4

 • 12H

2

0, tzw. „monosiarczan", AF

m

,

C

3

A • CaC0

3

 • 11H

2

0,

C

3

A • CaCl

2 

• 10H

2

O,

C

3

A • CaSi0

3

 • 12H

2

0

Uważa się, że „monosiarczany" tworzą doskonałe 

roztwory stałe.



W układzie czteroskładnikowym CaO-Al

2

0

3

-CaS0

4

-H

2

0 

występuje jeden siarczanoglinian. Jest to 3CaO • Al

2

0

3

 • 

3CaS0

4

 • 32H

2

0, trójsiarczanoglinian AF

t

, znany w 

przyrodzie jako minerał ettringit. Powstaje w wyniku 
reakcji siarczanu wapniowego z wodnymi roztworami 
glinianów wapniowych, w postaci igieł. Można go łatwo 
otrzymać działając roztworem siarczanu glinowego na 
wodorotlenek wapniowy:
Al

2

(S0

4

)

3

aq + 6Ca(OH)

2

  3CaO • Al

2

O

3

 • 3CaSO

4

 • 32H

2

O

Inny sposób polega na zadaniu wodą mieszaniny 
glinianów wapniowych z gipsem, A także, jeżeli to 
konieczne, z wapnem. Oto kilka przykładów:
C

3

A + 3CaS0

4

 • 2H

2

0 + aq

CA + 3CaS0

4

 • 2H

2

0 + 2Ca(OH)

2

 + aq

C

4

A

3

S + 8CaS0

4

 • 2H

2

0 + 6Ca(OH)

2

 + aq

układ CaO-Al

2

0

3

-

CaS0

4

-H

2

0 w temp. 

25

o

C; I – CS2H, II – 

Ca(OH)

2

, III – 

ettringit, IV – C

3

AH

6

, 

V – żel Al(OH)

3

HYDRATACJA C

3

A

Glinian trójwapniowy jest fazą klinkierową, która reaguje 
najszybciej z wodą i ma największy wpływ na reoligię 
zaczynu cementowego. W wyniku tej reakcji powstają 
bardzo szybko produkty żelowe, które następnie 
wykrystalizowują w postaci mieszaniny dwóch faz: C

2 

AH

8

 

oraz C

4

AH

13

. Pokrywają one warstwą ziarna C

3

A i dalsza 

hydratacja odbywa się w wyniku dyfuzji jonów poprzez tę 
warstwę. C

4

AH

13

 przechodzi stopniowo w C

4

AH

19, 

która to 

faza może powstawać także niezależnie jako pierwotna. 
Te hydraty heksagonalne ulegają przemianie, tym 
szybciej, im wyższa jest temperatura, w zasadzie już w 
temp. powyżej 30

o

C, w jedyny trwały hydrat regularny 

C

3

AH

6

:

C

4

AH

19

 + C

2

AH

8

  2C

3

AH

6

 + aq

Hydratacja C

3

A w 

wodzie nie zawierającej 
gipsu:

HYDRATACJA C

3

A W OBECNOŚCI 

GIPSU

Dodatek gipsu radykalnie zmienia proces hydratacji C

3

A. 

Pojawia się długi etap indukcji, po którym krystalizuje ettringit. 
Okres przedindukcyjny zależy w wybitnym stopniu od 
szybkości rozpuszczania siarczanów. Jak wiadomo, C

3

A 

gwałtownie reaguje z wodą i jeżeli nie ma gipsu półwodnego 
lub siarczanów sodu i potasu, to w okresie przedindukcyjnym 
powstaje pewna ilość hydratów heksagonalnych, a nawet 
monosiarczanoglinianu. W obecności gipsu jedyną trwałą fazą 
jest ettringit, który pokrywając warstewką ziarna C

3

A hamuje 

reakcję z wodą. Badania hydratacji C

3

A za pomocą mikroskopu 

elektronowego o dużej zdolno ści rozdzielczej wykazały, że na 
powierzchni tworzy się warstwa żelu, która zwija się miejscami 
i odpada, nie stanowi więc warstwy zaporowej hamującej 
proces hydratacji. Natomiast w obecności gipsu tworząca się 
warstwa żelu jest bardziej zwarta, a na jej powierzchni i w 
roztworze zaczynają krystalizować pręciki ettringitu.

Hydratacja C

3

A w 

obecności CaSO

4:

HYDRATACJA FAZY FERRYTOWEJ



Jednym z czterech głównych składników cementu 
jest ferryt o wzorze C

4

AF. Jego hydratacja 

przebiega dosyć wolno oraz ma mały wpływ na 
kształtowanie wytrzymałości mechanicznej 
stwardniałego zaczynu cementowego.



C

4

AF + 7H → C

3

(AF)H

6

 + 

C(AF)H



F = Fe

2

O

3

CIEPŁO TWARDNIENIA



jest ważną właściwością cementu, która ma 
szczególnie duże znaczenie w przypadku 
wykonywania dużych masywów betonowych.
W tych warunkach może dojść do znacznego 
gradientu temperatur między wnętrzem a 
powierzchnią masywu, co prowadzi do 
wystąpienia znacznych naprężeń 
wewnętrznych w betonie. Są one wynikiem 
różnych współczynników rozszerzalności 
cieplnej kruszywa i zaczynu.



Ciepło twardnienia cementów portlandzkich 
jest określane ich składem fazowym.

Faza

Ciepło 

twardnienia

C

3

A

897 J/g

C

3

S

502 J/g

C

4

AF

420 J/g

C

2

S

260 J/g



W składzie "cementu z dodatkami”, oprócz   
klinkieru portlandzkiego, może być 
dodatkowo jeden lub dwa inne składniki 
drugorzędne, których łączna ilości zależy od 
rodzaju cementu i może wynosić nawet 80% 
wszystkich składników. Najczęściej 
stosowanymi dodatkami są: popioły lotne 
oraz żużel wielkopiecowy.

POPIOŁY LOTNE:
 



W wyniku hydratacji popiołów lotnych w 
naczyniu cementowym powstają uwodnione 
krzemiany wapniowe (faza C-S-H) oraz 
uwodnione gliniany wapniowe. Popioły lotne 
zmniejszają ciepło hydratacji, wpływają na 
uszczelnianie betonu oraz zwiększają czas 
wiązania betonu. Wytrzymałość cementu bez 
dodatków jest na początku jest większa, ale 
po około 90 dniach cement z popiołami 
lotnymi ma większą wytrzymałość na 
ściskanie. Popioły mają także właściwości 
pucolanowe, czyli zdolność do reagowania  z 
wodorotlenkiem wapniowym.

ŻUŻEL WIELKOPIECOWY



Powstaje jako wartościowy produkt uboczny 
w procesie wielkopiecowym. W wyniku 
szybkiego schłodzenia stopionego żużla 
wielkopiecowego uzyskuje się granulowany 
żużel wielkopiecowy, który ze względu na 
utajone właściwości hydrauliczne jest 
cennym dodatkiem mineralnym do 
cementów. Cement żużlowy charakteryzuje 
się niskim ciepłem hydratacji. Beton żużlowy 
wykazuje dużą mrozoodporność oraz 
odporność na działanie agresywnych 
substancji.

ROLA GIPSU W PROCESIE 
HYDRATACJI



Proces reakcji prażenia kamienia gipsowego:

 

CaSO

4

·2H

2

O → CaSO

4

·1/2H

2

O + 3/2H

2

O



Zasada wiązania gipsu polega na hydratacji 
półwodnego do dwuwodnego siarczanu wapnia:

   CaSO

4

·1/2H

2

O + 3/2H

2

O → CaSO

4

·2H

2

O



Gips dodany do cementu spowalnia reakcje 
hydratacji.