WYKŁAD 1
ZADANIA CHEMII BUDOWLANEJ
Zagadnienia chemiczne, na które napotyka inżynier budowlany:
1. Budowa chemiczna jako wyznacznik właściwości technicznych materiałów budowlanych.
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, procesy sorpcyjne itp).
ZJAWISKA I PRZEMIANY NATURY CHEMICZNEJ
występują podczas:
1. wytwarzania materiałów i elementów budowlanych oraz utylizacji odpadów na cele budowlane.
2. stosowania materiałów budowlanych przy wznoszeniu budowli i wykonywaniu robót wykończeniowych (np. procesy wiązania i twardnienia materiałów wiążących),
3. użytkowania obiektu (np. procesy korozji), w sytuacjach awaryjnych (np. przebieg reakcji spalania podczas pożaru),
4. zagrożenia i uciążliwości natury chemicznej w odniesieniu do wykonawcy i użytkownika materiałów oraz obiektów budowlanych,
5. zagrożenia środowiska spowodowane przez przemysł materiałów budowlanych.
WYBRANE JEDNOSTKI SKALI ATOMOWEJ
(Skala mikro)
Masy atomów, jąder atomowych i cząstek elementarnych wyraża się powszechnie za pomocą:
Atomowej jednostki masy, która jest równa 1/12 masy atomu nuklidu węgla 12C. Międzynarodowa Komisja Chemiczna IUPAC zaleca symbol u.
Atomowej jednostki masy u wynoszącej około 1,661 • 10-27 kg Symbol „u" od unit (ang.) - jednostka.
Często podaje się samą liczbę, nazywając ją WZGLĘDNĄ MASĄ ATOMOWĄ LUB CZĄSTECZKOWĄ.
Na przykład:
(Na) = 23 oznacza, że masa atomu sodu jest 23 razy większa od atomowej jednostki masy u ( 1/12 masy atomowej 12C). Względna masa atomowa 12C = 12
JEDNOSTKA ENERGII:
Elektronowolt (eV)
1 eV = 1,602 • 10-19J.
• Przemianom chemicznym jednego atomu (cząsteczki) towarzyszy wymiana z otoczeniem
energii około jednego elektronowolta.
• Przemianom jądrowym towarzyszy pochłanianie lub wydzielanie energii rzędu megaelektronowoltów (MeV).
JEDNOSTKA ŁADUNKU ELEKTRYCZNEGO
w skali atomowej jest ładunek elementarny, tzn. ładunek jednego elektronu.
1 e =1,602.10-19C.
DŁUGOŚĆ W SKALI ATOMOWEJ
wyraża się za pomocą podwielokrotności metra:
1 nm(nanometr) = 10-9m lub
1pm (pikometr)=10-12m.
MASA CZĄSTECZKOWA
jest to masa cząsteczki związku lub pierwiastka chemicznego wyrażona w atomowych jednostkach masy.
• Masa cząsteczkowa = suma mas atomowych wszystkich atomów wchodzących w skład
cząsteczki.
• Masa cząsteczkowa, podobnie jak masa izotopowa i masa atomowa, jest zwykle zapisywana jako wielkość bezwymiarowa (względna).
LICZNOŚĆ SUBSTANCJI
tzn. liczba określonych elementów w określonej masie substancji, jednostką jest mol. "amount of substance", jako "liczność materii”.
Jeden mol zawiera 6,02·1023 elementów
( atomów, cząsteczek, fotonów).
MOL
jest to liczba cząstek równa liczbie atomów zawartych w 12 g (dokładnie) nuklidu węgla 12C.
Liczba cząstek zawartych w jednym molu jest nazywana
liczbą Avogadra;
wynosi ona 6,0221367·1023 ± 3,6 ·1017.
MASA MOLOWA SUBSTANCJI
jest to stosunek masy substancji do jej liczności; jest to masa jednego mola substancji.
Masa jednego mola każdej substancji, jest liczbowo równa masie atomowej (cząsteczkowej) substancji.
Podobnie jak masa 1 mola węgla, wyrażona w gramach (masa molowa) = 12g ( 12 g/mol).
Przykład: 1
Oblicz masę cząsteczkową i molową węglanu wapnia, podstawowego składnika wapieni. Ile wynosi masa 10 moli tego związku?
Rozwiązanie:
1. Wzór węglanu wapnia - CaCO3
2. Masa cząst. względna = 40 + 12 + 3 x 16 = 100
Masa cząst. w u = 100 u
Masa molowa = 100 g/ mol
Masa 10 moli = 10 x 100g/m = 1000g = 1, 000kg
Podobnie można przeliczać wielkość energii i ładunku elektrycznego ze skali atomowej na molową:
1,602 •10-19 C • 6,02 • 1023 mol-1 = 96 440 C • mol-1
ładunek 1 elektronu • liczba Avogadra = stała Faradaya
Stała Faradaya to ładunek jednego mola elektronów.
BUDOWA MATERII
Cząstki elementarne
Cząstki elementarne są najprostszymi dotychczas poznanymi doświadczalnie cegiełkami budowy materii. Obecnie jest znanych ponad 200 takich cząstek,
Cząstki elementarne - cztery grupy:
fotony, leptony, mezony i bariony (składają się z kwarków).
Obecnie
za cząstkę elementarną uważa się cząstkę, w której nie można wyróżnić Żadnej struktury, pomimo, że jest ona w stanie rozpaść się na inne - bardziej elementarne.
NAJNOWSZE TEORIE BUDOWY MATERII
1.Model standardowy, kwarkowy
2.Teoria strun
Model Standardowy - kwarki łączą się w taki sposób, że wypadkowy ładunek powstałej cząstki jest całkowitą krotnością ładunku elementarnego.
Za koncepcję istnienia kwarków M.Gell i G.Zweig otrzymali w 1969 roku nagrodę Nobla.
Według nowej teorii superstrun ( 80-te lata), każda cząstka fundamentalna jest przejawem innego rodzaju drgań superstruny.
Istotne znaczenie dla chemicznych właściwości materii mają cząstki, które wchodzą trwale w skład atomu:
tj. nukleony (neutrony i protony) oraz elektrony.
Proton, oznaczony symbolem p, ma dodatni jednostkowy ładunek elektryczny, masę około jedności (1,0073 u).
Neutron, oznaczony symbolem n, ma masę około jedności (1,0087 u).
Elektron, oznaczony symbolem e, ma ujemny ładunek jednostkowy, masę ok. 5.10-4u .
ELEKTRONOWA STRUKTURA ATOMÓW
Jądro atomowe
Jądro atomowe skupia prawie całą masę atomu, zajmując bardzo małą objętość. Materia jądra składa się z nukleonów (protonów i neutronów). Rolę wiążącą w jadrze odgrywają mezony Π, wymieniane między protonami a neutronami, tworzące w przestrzeni jądrowej pole mezonowe.
Energia wiązania jądra - miara jego trwałości. W trakcie hipotetycznej syntezy jądra z protonów i neutronów następuje defekt (ubytek) masy, który jest miarą energii wiązania.
Elektronowa struktura atomów
Elektrony
• posiadają właściwości korpuskularne, jak i falowe,
• energia wiązania z pozostałą częścią atomu to parametr opisujący elektron w atomie (energia elektronu),
• liczba elektronów w każdym atomie jest równa liczbie protonów w jądrze tego atomu.
• struktura elektronowa atomu, to sposób rozmieszczenia elektronów w atomie zgodnie z regułami, które rządzą tym rozmieszczeniem.
• Każdy stan elektronu w atomie to zasób pewnej energii.
• Dodatkowa energia powoduje wzbudzenie atomu i przeniesienie elektronu na wyższy poziom energetyczny.
• Jeżeli dostarczona energia jest wystarczająco duża, to elektron zostanie odsunięty poza sferę przyciągającego działania jadra i nastąpi jonizacja atomu.
• Z wyższego poziomu elektron samorzutnie wraca do stanu pierwotnego, emitując jednocześnie promieniowanie elektromagnetyczne o odpowiedniej długości fali.
Zachowanie elektronów w atomach zostało opisane równaniami ruchu falowego.
• Rozwiązania tych równań istnieją tylko dla pewnych określonych wartości, tak zwanych liczb kwantowych.
• Liczby te występują w równaniach opisujących stan elektronu w atomie.
Liczby kwantowe
• Główna liczba kwantowa n kwantuje energię.
• Główną liczbę kwantową określa się symbolem cyfrowym lub literowym:
wartość 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 pędu elektronu,
• przyjmuje wartości od 0 do n-1.
Orbitalne liczby kwantowe o różnych wartościach l oznaczamy symbolami literowymi:
wartość liczby 0 1 2 3 4
symbol literowy podpowłoki s p d f g
Elektrony o tej samej głównej i orbitalnej liczbie kwantowej należą do tej samej podpowłoki,
czyli do orbitali typu s czy typu p.
Orbitalem nazywamy funkcję falową (Ψ) opisującą stan elektronu w atomie.
Posługując się funkcją Ψ2 można sporządzić rysunki przedstawiające rozmieszczenie elektronów w atomach.
Magnetyczna liczba kwantowa m
• kwantuje wartość rzutu momentu pędu na kierunek pola
magnetycznego.
• dla danej orbitalnej liczby kwantowej l, magnetyczna liczba kwantowa m może przyjmować wartości od -l poprzez 0 do +l, czyli 2l+1 wartości.
Spinowa magnetyczna liczba kwantowa ms
• nieznaczne różnice stanu tych elektronów wynikają z ich ruchu obrotowego wokół osi,
• ruch ten może mieć dwa różne kierunki oznaczone jako +1/2 i -1/2.
• każdemu orbitalowi mogą odpowiadać dwa elektrony o trzech wspólnych liczbach kwantowych n, l, i m różniące się spinem.
Zapis elektronowej struktury atomu
Opis struktury elektronowej atomu zawiera informację:
• o liczbie elektronów ( w elektrycznie obojętnym atomie jest jednoznaczne z rodzajem pierwiastka),
• o sposobie ich rozmieszczenia na powłokach i orbitalach,
• zakaz Pauliego pozwala przypisać każdemu elektronowi w atomie zespół czterech liczb kwantowych, określających jednoznacznie stan energetyczny tego atomu,
• wszystkie elektrony w niewzbudzonym atomie lokalizują się na możliwie najniższych poziomach energetycznych,
• zgodnie z regułą Hunda, w obrębie jednej powłoki są obsadzane kolejno podpowłoki s, p, d, f.
UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW
• Uporządkowanie pierwiastków według wzrastającej liczby atomowej doprowadziło do utworzenia układu okresowego pierwiastków (D.J. Mendelejew).
• Pierwiastki o podobnych właściwościach są umieszczone jeden pod drugim w kolumnach (grupy główne i podgrupy),
• Pierwiastki o stopniowo zmieniających się cechach od metalicznych do niemetalicznych uporządkowano w poziomych szeregach (okresach).
• Numer okresu odpowiada liczbie powłok elektronowych w atomach danych pierwiastków.
Zasada uporządkowania pierwiastków w układzie okresowym
• Właściwości chemiczne pierwiastka są jednoznacznie zdefiniowane przez jego strukturę elektronową.
• Pierwiastki o takiej samej budowie powłok walencyjnych mają podobne właściwości.
• W układzie okresowym pierwiastki są ułożone według wzrastającej liczby protonów, którą nazywamy liczbą atomową lub liczbą porządkową.
OKRESOWOŚĆ WŁAŚCIWOŚCI PIERWIASTKÓW
Właściwości pierwiastków wynikają ze struktury elektronowej atomów i podlegają prawidłom okresowości.
Dotyczy:
Właściwości atomowych:
energia jonizacji, powinowactwo elektronowe, elektroujemność, wymiary atomów i jonów.
Właściwości zespołowych:
stan skupienia, gęstość, barwa, właściwa pojemność cieplna itp.
Okresowość wartościowości
Wartościowość jest to liczba oddawanych lub przyjmowanych elektronów w procesie tworzenia wiązania chemicznego.
Oddawanie elektronów jest jednoznaczne z wartościowością dodatnią - atom staje się kationem.
Przyjmowanie elektronów w celu uzupełnienia oktetu powoduje nadmiarowy ładunek ujemny - powstaje ujemny jon anion.
Maksymalna dodatnia wartościowość pierwiastka jest na ogół równa ostatniej cyfrze numeru grupy
STOPIEŃ UTLENIENIA
- liczba elektronów, które dany atom przekazał lub przyjął od innego atomu w ramach tworzenia z nim wiązania chemicznego.
- może tu oznaczać zarówno pełne przekazanie elektronu innemu atomowi (lub ich grupie), co prowadzi do powstawania wiązania jonowego
-lub tylko częściowe przekazanie elektronów w formie wiązania kowalencyjnego.
Przykład:
Oblicz stopień utlenienia siarki w kwasie siarkowym H2SO4, wiedząc, że stopień utlenienia wodoru wynosi +1, a tlenu -2.
Rozwiązanie:
1. Wzór kwasu siarkowego H2SO4, ( cząsteczka związku chemicznego obojętna).
1. Bilans ładunków: 0 = 2 ・ (+1) + x + 4 ・ ( -2) x = 8 - 2 = 6
Jest to kwas siarkowy (VI).