CHEMIA
MATERIAA
ÓW
BUDOWLANYCH
Prowadzący: dr inż. Agnieszka Ślosarczyk
[e-mail] pok. 106, Hala A4
Laboratorium sale 107, 108 Hala A4
(Zakład Materiałoznawstwa i Technologii Betonu)
WYKAZ PODR
CZNIKÓW
1. Czarnecki L., Broniewski T., Henning O. Chemia w budownictwie
2. Kurdowski W. Chemia materiałów budowlanych
3. Skalmowski W. Chemia materiałów budowlanych
4. Pajdowski L. Chemia ogólna
5. Charlot Chemia analityczna
6. Osiecka E. Wybrane zagadnienia z technologii mineralnych
kompozytów budowlanych
7. Osiecka E. Materiały budowlane. Spoiwa mineralne
8. Osiecka E. Materiały budowlane. Tworzywa sztuczne
9. ObowiÄ…zujÄ…ce normy PN-EN do:
żðcementów
żðwody budowlanej
żðdomieszek chemicznych
żðkorozji
KOLOKWIUM
Zagadnienia:
Ä„ð ustalanie wartoÅ›ciowoÅ›ci pierwiastków w
zwiÄ…zkach chemicznych
Ä„ð pisanie i bilansowanie podstawowych reakcji
chemicznych w roztworach wodnych
Ä„ð rodzaje reakcji chemicznych (dysocjacja, hydroliza
a hydratacja, reakcje strÄ…ceniowe, reakcje w fazie
gazowej)
Ä„ð pH rozworów wodnych, przeliczanie stężeÅ„
procentowych i molowych w roztworach wodnych
Ä„ð podstawowe zagadnienia chemii zwiÄ…zków
organicznych
Ä„ð Procesy zachodzÄ…ce podczas wiÄ…zania spoiw
powietrznych i hydraulicznych
Ä„ð Podstawowe zaÅ‚ożenia projektowania materiałów
kompozytowych
Ä„ð Procesy zachodzÄ…ce pomiÄ™dzy skÅ‚adnikami betonu:
kruszywem, cementem, dodatkami
Ä„ð Stal i jej stopy, korozja stali
Ä„ð Procesy zachodzÄ…ce pomiÄ™dzy betonem a stalÄ…
zbrojeniową w konstrukcjach żelbetowych
Ä„ð Mechanizmy dziaÅ‚ania dodatków i domieszek
chemicznych do zaczynów, zapraw i betonów
Ä„ð Synteza tworzyw sztucznych i ich wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci warunkujÄ…ce
zastosowanie w budownictwie: warstwy ochronne, posadzki
przemysłowe, zaprawy naprawcze
Ä„ð Procesy wystÄ™pujÄ…ce w materiaÅ‚ach ceramicznych i szkle
Ä„ð Procesy zachodzÄ…ce w materiaÅ‚ach termoizolacyjnych 
właściwości i otrzymywanie
Ä„ð WpÅ‚yw czynników zewnÄ™trznych chemicznych, fizycznych,
mechanicznych i biologicznych na procesy zachodzÄ…ce w
betonie
CHEMIA A BUDOWNICTWO ???
Wysokość budowli
wynosi 829 metrów
2010
BETONY wysokich i ultrawysokich wytrzymałości > 60 MPa
Ä„ð Cementu klasy 52,5
Ä„ð Dodatków typu mikrokrzemionka, włókna
Ä„ð Domieszek upÅ‚ynniajÄ…cych
Ä„ð Åšrodki antyadhezyjne
ULTRALEKKIE MATERIAA
Y TERMOIZOLACYJNE
Szkielet utworzony z SiO2 , struktura
porowata wypełniona powietrzem
gęstość 0.05 do 0.1 g/cm3
żelowanie
hydroliza
(kondensacja)
Roztwór
prekursora
BUDOWA ATOMU
Atom  najmniejsza część pierwiastka, która decyduje o
własnościach danego pierwiastka i bierze udział w reakcjach
chemicznych
Cząsteczka  2 atomy tego samego lub różnych pierwiastków,
połączone ze sobą
X2 np. dwuatomowe O2, H2, Cl2, lub wieloatomowe O3, S8, P4
CzÄ…steczka zwiÄ…zku chemicznego:
np. H2 S O4  wzór sumaryczny
2 at. 1 at. 4 at.
H S O
- wzór strukturalny
CHARAKTERYST YKA PIERWIASTKÓW CHEMICZNYCH
gdzie, liczba masowa ( A ) jest to liczba nukleonów (protonów i neutronów) w
jÄ…drze atomu
liczba atomowa ( Z ) jest to liczba protonów w jądrze atomów, równa
liczbie elektronów
Wartościowość pierwiastka  liczba wiązań chemicznych
utworzonych przez atom danego pierwiastka
Wartościowość:
żðO wartoÅ›ciowoÅ›ci decydujÄ… elektrony walencyjne, ich ilość w grupach
głównych decyduje o maksymalnej wartościowości pierwiastka
żðAtomy danego pierwiastka mogÄ… mieć różne wartoÅ›ciowoÅ›ci
Np. siarka H2S, H2SO3, H2SO4
żð WartoÅ›ciowość pierwiastka oznaczamy cyfrÄ… rzymskÄ… np. S(-II) S(IV)
S(VI)
RODZAJE WI
ZAC
CHEMICZNYCH
Jon  atom lub grupa atomów obdarzona ładunkiem elektrycznym
Jon obdarzony Å‚adunkiem dodatnim  kation
Jon obdarzony Å‚adunkiem ujemnym - anion
Wiązaniem chemicznym nazywamy przyciąganie między
atomami w czÄ…steczce
" WiÄ…zania jonowe
" WiÄ…zania kowalencyjne (atomowe)
Elektroujemność  zdolność atomu w cząsteczce do
przyciągania elektronów
WI
ZANIA JONOWE
ØðWiÄ…zanie, w którym elektrony sÄ… caÅ‚kowicie przeniesione z
jednego atomu do drugiego
ØðWiÄ…zanie jonowe powstaje pomiÄ™dzy atomami znacznie
różniącymi się potencjałem jonizacyjnym
ØðZazwyczaj powstaje miÄ™dzy atomem o niskim potencjale
jonizacyjnym (lewa strona układu okresowego pierwiastków
metale) i atomem o wysokim powinowactwie elektronowym
(prawa strona układu okresowego pierwiastków niemetale)
ØðAtomy tworzÄ…c wiÄ…zanie jonowe dążą do uzyskanie
konfiguracji elektronowej gazu szlachetnego (osiem
elektronów walencyjnych na ostatniej powłoce)
Øðnp. NaCl, BaCl2, CaCl2
ØðsÄ… to ciaÅ‚a kruche, na ogół biaÅ‚e, rozpuszczalne w wodzie,
roztwory przewodzÄ… prÄ…d elektryczny
WI
ZANIA KOWALENCYJNE (ATOMOWE)
Øðpowstaje pomiÄ™dzy atomami niemetali o zbliżonej lub tej
samej elektroujemności poprzez uwspólnianie pary
elektronów
Øðw wiÄ…zaniu tym elektrony sÄ… wspólne dla obu atomów
Øðnp. H2, N2, Cl2
Øðw celu opisania wiÄ…zaÅ„ kowalencyjnych podaje siÄ™ dÅ‚ugość
wiÄ…zania i jego moc
ØðwiÄ…zania mogÄ… być pojedyncze, podwójne lub potrójne,
połączenia te są bardzo trwałe, cząsteczki wykazują trwałość
we wszystkich stanach skupienia
ØðwiÄ…zanie atomowe spolaryzowane, w którym wspólna para
elektronów jest przesunięta w kierunku atomu o większej
elektroujemności, np. HCl, H2O
Ä„ð WiÄ…zanie koordynacyjne (donorowo-akceptorowe)  powstaje
poprzez utworzenie wspólnej pary elektronów, dostarczonej
przez jeden z atomów, są to jony kwasów tlenowych, lub
zwiÄ…zki kompleksowe, np. [NH4]+
Ä„ð WiÄ…zania metaliczne  powstajÄ™ miÄ™dzy atomami tych samych
pierwiastków - metali, w wyniku oddziaływania wielkiej liczby
swobodnych elektronów i dodatnich rdzeni atomowych
PODSTAWOWE WI
ZANIA CHEMICZNE W MATERIAA
ACH
BUDOWLANYCH
Materiały Wiązania wewnątrzcząsteczkowe
jonowe atomowe jonowo-atomowe koordynacyjne metaliczne
Metale:
+
żeliwo
+
stal
+
nieżelazne
Materiały mineralne:
kamienne
+ + +
ilaste
+ + +
spoiwa
+ + +
ceramika
+ + -
szkło
+ + -
Materiały organiczne:
drewno
+ (+)
bitumy
+ (+)
tworzywa sztuczne
+ (+)
+ wiązanie główne (+) wiązanie uzupełniające
SYMBOLE i WZORY CHEMICZNE, SYSTEMATYKA
ZWI
ZKÓW NIEORGANICZNYCH
(tlenki, wodorotlenki, kwasy, zasady, sole)
1. Ustal wzory sumaryczne i strukturalne związków chemicznych składających się z
niżej podanych pierwiastków (w nawiasie podano wartościowość pierwiastka w
zwiÄ…zku)
H (I) i Br (I); C (II) i O (II); Cr (VI) i O (II)
H (I) i S (II); N (III) i Br (I); Mn (VII) i O (II)
N (II) i O (II); P (III) i O (II); S (IV) i O (II)
N (III) i O (II); Cu (II) i S (II); Si (IV) i O (II)
2. Narysuj wzory strukturalne podanych związków (cyfry rzymskie w nawiasach
oznaczają wartościowość środkowego pierwiastka)
HClO (I) HNO3 (V) H2SO4 (VI) H2CO3 (IV) HClO4(VII)
3. Oblicz wartościowość pierwiastków w następujących związkach, wiedząc, że wodór
jest jednowartościowy, tlen dwuwartościowy, a węgiel czterowartościowy
Na2O CuO Al2O3 NH3 Al2C3 SO2 SO3 P2O5 Mn2O7
K2O Fe2O3 H2S
4. Podaj wartościowość metalu w wodorotlenkach: Fe(OH)3, Mg(OH)2, Sn(OH)2, NaOH
5. Narysuj wzory strukturalne podanych kwasów (w nawiasie podano wartościowość
niemetalu w kwasie): H2SO4 (VI), HNO3 (V), H3PO4 (V), H2SO3 (IV), HCO3 (IV), HClO3
(V)
6. Oblicz wartościowość metalu w następujących solach: MgCl2, FePO4, Fe2(SO4)3
7. Ułóż równania reakcji chemicznych podanych metali z wodą: sód, magnez, potas
8. Ułóż reakcje kwasów solnego i siarkowego (VI) z Cu2O, K2O, MgO
9. Ułóż reakcje kwasów fosforowego (V) i azotowego (V) z NaOH, KOH, Ca(OH)2
10.Ułóż równania i uzgodnij strony równania następujących reakcji chemicznych
Spalanie magnezu w tlenie prowadzÄ…ce do powstania tlenku magnezu
Powstawanie siarczku glinu (III) z glinu i siarki
Redukcja tlenku ołowiu (IV) wodorem
Synteza wody z pierwiastków
Redukcja tlenku chromu (III) węglem do tlenku węgla (II)
11. Napisz reakcjÄ™ otrzymywania soli siarczanu sodu 6 sposobami:
a) metal + kwas sól + wodór
b) tlenek metalu + tlenek niemetalu sól
b) tlenek metalu + kwas sól + woda
c) wodorotlenek metali + kwas sól + woda
d) sól pochodząca od słabego kwasu + mocny kwas sól + woda
e) sól pochodząca od słabej zasady + mocny wodorotlenek sól + woda
PRZYKA
ADY KWASÓW TLENOWYCH I BEZTLENOWYCH
Kwasy tlenowe Kwasy beztlenowe
H2SO4 kw. siarkowy (VI) HCl kw. chlorowodorowy (-I)
H2SO3 kw. siarkowy (IV) HBr kw. bromowodorowy (-I)
HNO3 kw. azotowy (V) H2S kw. siarkowodorowy (-II)
HNO2 kw. azotowy (III) HF kw. fluorowodorowy (-I)
H3PO4 kw. fosforowy (V)
HClO kw. chlorowy (I)
HClO3 kw. chlorowy (V)
HClO4 kw. chlorowy (VII)
H2CO3 kw. węglowy (IV)
Podstawowe obliczenia chemiczne
ROZT WORY (ST
ŻENIE MOLOWE ROZT WORU, ST
ŻENIE
PROCENTOWE ROZT WORU, PRZELICZANIE ST
ŻEC
)
Ä„ð Stężenie molowe cmol jest to stosunek liczby moli n substancji
rozpuszczonej do objętości roztworu Vr:
Cmol = n/Vr [mol/dm3]
gdzie liczba moli n=ms/M
ms  masa substancji rozpuszczonej
M  masa molowa wyrażona w g/mol
Ä„ð Stężenie procentowe cp jest to wyrażony w % stosunek masy
substancji ms do masy roztworu (czyli masy substancji ms i
masy rozpuszczalnika ma)
Cp = ms/mr x 100%
Zadania
1. W 1,5 dm3 roztworu znajduje siÄ™ 425 g chlorku sodu (NaCl). Oblicz
stężenie molowe tego roztworu.
2. Oblicz stężenie procentowe roztworu otrzymanego po rozpuszczeniu 425
g chlorku sodu w 1,5 kg wody destylowanej.
3. Ile gramów chlorku sodu NaCl potrzeba do sporządzenia 300 g 5%
roztworu?
4. Oblicz stężenie molowe roztworu zawierającego 6 moli substancji w 2
dm3 roztworu.
5. W 150 cm3 roztworu znajduje siÄ™ 50 g chlorku wapnia CaCl2. Oblicz
stężenie molowe roztworu.
6. Oblicz stężenie molowe roztworu otrzymanego po rozpuszczeniu 234 g
siarczku sodu
REAKCJE CHEMICZNE
Reakcje chemiczne  przegrupowanie atomów
wchodzących w skład cząsteczek substancji
wyjściowych i wytworzeniu substancji o odmiennym
składzie i właściwościach
SUBSTRATY ®ð PRODUKTY
Wyróżniamy reakcje:
Øðsyntezy A + B «ð AB
ØðrozkÅ‚adu AB «ð A + B
Øðwymiany pojedynczej AB + C «ð AC + B
podwójnej AB + CD «ð AC + BD
Ä„ð Podziel niżej podane reakcje na reakcje syntezy, rozkÅ‚adu,
wymiany pojedynczej, wymiany podwójnej:
2 KClO3 ®ð 2 KCl + 3O2
Al + 3 S ®ð Al2S3
Cu2O + H2 ®ð 2 Cu + H2O
NH3 + CO2 + H2O ®ð NH4HCO3
2 Fe2O3 + 3C ®ð 4 Fe + 3 CO2
NaCl + AgNO3 ®ð Ag Cl + NaNO3
FeO + C ®ð Fe + CO
2 NaHCO3 ®ð Na2CO3 + H2O + CO2
PODZIAA
REAKCJI CHEMICZNYCH
Cecha Rodzaj reakcji
Typ reakcji rozkład, synteza, wymiana
Rodzaj reagujÄ…cych czÄ…steczek jonowa, czÄ…steczkowa, wolnorodnikowa
Liczba cząsteczek substratu biorących udział w jedno-, dwu- i więcej cząsteczkowa
reakcji
Kierunek przebiegu reakcji nieodwracalna, odwracalna
Efekt cieplny endotermiczna, egzotermiczna
Liczba faz homogeniczna, heterogeniczna
Sposób prowadzenia reakcji izochoryczna, izobaryczna
REAKCJE CHEMICZNE W ROZT WORACH WODNYCH
WYKORZYST YWANE W ANALIZIE CHEMICZNEJ
Ä„ð Efekt reakcji Å‚atwy do zaobserwowania
żðZmiana zabarwienia
żðTworzenie lub rozpuszczanie osadu
żðWydzielanie gazu
żðZmiana pH lub potencjaÅ‚u redoks
Ä„ð Podstawowe reakcje wykorzystywane w analizie chemicznej
żðReakcje kwasów z zasadami (zobojÄ™tnianie)
żðReakcje utleniania i redukcji
żðReakcje tworzenia zwiÄ…zków kompleksowych
żðReakcje strÄ…cania osadów
Øð Reakcje zobojÄ™tniania
OH- + H+ ®ð H2O
zasada + kwas ®ð obojÄ™tna czÄ…steczka wody
NaOH + HCl®ð NaCl + H2O
zasada + kwas ®ð sól + woda
Przykłady reakcji zobojętniania w budownictwie:
" WiÄ…zanie zaprawy wapiennej
Ca(OH)2 + H2CO3 ®ð CaCO3 + 2H2O
" Reakcja alkalia-krzemionka w korozji wewnętrznej betonu
2NaOH + H2SiO3 ®ð Na2SiO3 + 2H2O
Øð Reakcje podstawienia
słaby kwas może być wyparty z jego soli przez mocny kwas
np. rozkład kamienia wapiennego w atmosferze miejskiej lub
przemysłowej zawierającej SO3
CaCO3 + H2SO4 + H2O ®ð CaSO4 " H2O + CO2
gips
Øð Reakcje hydrolizy (protoliza soli)
Rozkład soli pod wpływem działania wody na kwas i zasadę.
Reakcji tej ulegajÄ…:
" sole mocnych kwasów i słabych zasad
" sole słabych kwasów i mocnych zasad
" sole słabych kwasów i słabych zasad
Ca2SiO4 + 2H2O ®ð CaSiO3 " H2O + Ca(OH)2 - odczyn zasadowy
NaHCO3 + H2O ®ð NaOH + H2CO3  odczyn zasadowy
FeSO4 + 2H2O ®ð Fe(OH)2 + H2SO4  odczyn kwaÅ›ny
Øð Reakcje utleniania i redukcji (reakcje redoks)
Następuje przeniesienie (transfer) elektronów i zmiana stopnia
utlenienia między niektórymi atomami w substratach i
produktach
Stopień utlenienia  formalna wartość ładunku atomu w
związku chemicznym prze założeniu, że wszystkie wiązania
chemiczne w danej cząsteczce mają charakter wiązań jonowych
Øðsuma stopni utlenienia wszystkich atomów w czÄ…steczce
obojętnej oraz dla wspólnych pierwiastków wynosi 0
Øða w jonach ma wartość Å‚adunku jonu
Reakcja utleniania  następuje podwyższenie stopnia utlenienia
Reakcja redukcji  następuje obniżenie stopnia utlenienia
PRZYKA
ADY REAKCJI REDOKS  BILANSOWANIE REAKCJI
Fe + 2HCl ®ð FeCl2 + H2
reakcje połówkowe: Fe0 + 2e ®ð Fe+2 utlenianie
2H+ - 2e ®ð H20 redukcja
1. Mg + O2 MgO
2. Zn + HCl ZnCl2 + H2
3. H2 + Fe2O3 Fe + H2O
4. Fe2O3 + C ®ð Fe + CO2
5. KClO3 ®ð KCl + O2
Øð Reakcje strÄ…ceniowe
W wyniku tych reakcji powstajÄ… zwiÄ…zki trudno rozpuszczalne w
wodzie, które zwykle wytrącają się w formie osadu, lub też mogą
utrzymywać się w wodzie w postaci koloidalnej zawiesiny (zol)
Øðnp. powstawanie nacieków wapiennych na betonie pod
wpływem działania CO2 z powietrza
Ca(OH)2 + CO2 ®ð CaCO3Å»ð + H2O
Øðpowstawanie wykwitów gipsowych na betonie w atmosferze
przemysłowej w obecności SO3
Ca(OH)2 + H2SO4 ®ð CaSO4 " 2H2O Å»ð
Øð Reakcje kompleksowe (koordynacyjne)
W wyniku tych reakcji powstają związki, w których występują tzw.
jony lub atomy centralne, otoczone przez czÄ…steczki lub jony
zwane ligandami
Øð np. hydratacja glinianu trójwapniowego podczas wiÄ…zania
cementu portlandzkiego
3CaO " Al2O3 + 6H2O ®ð Ca3[Al(OH)6]2
sześciohydroksyglinian wapnia
Øð Reakcje heterogeniczne, reakcje ciaÅ‚ staÅ‚ych
Reakcje pomiędzy dwoma lub kilkoma substancjami stałymi
zachodzące w wyniku syntezy substancji wyjściowych lub
wymiany podwójnej.
Większość reakcji budowlanych, np. tworzenie klinkieru cementu
portlandzkiego i wiązania cementu to reakcje w fazie stałej
Øðreakcje te wymagajÄ… dokÅ‚adnego rozdrobnienia reagentów,
aby uzyskać jak najlepszy kontakt reagentów
Øðnp. reakcja podczas wypalania klinkieru cementowego
CaO + SiO2 ®ð CaSiO3
Øð Reakcje endotermiczne i egzotermiczne
Wszystkim reakcjom towarzyszy efekt cieplny
ØðSUBSTRATY + Q ®ð PRODUKTY  reakcje endotermiczne
ØðSUBSTRATY ®ð PRODUKTY + Q  reakcje egzotermiczne
Øðnp. reakcje endotermiczne  wypalanie kamienia wapiennego
CaCO3 + 178.5 kJ ®ð CaO + CO2
Øðnp. reakcje egzotermiczne  hydroliza alitu podczas hydratacji
cementu portlandzkiego
2(3CaO " SiO2) + 6H2O ®ð 2(1,5 CaO " SiO2 " 1,5 H2O) +
3Ca(OH)2 + 918 kJ