15 I 2010 sala 201 WIL - kolokwium zaliczeniowe

LABORATORIA:

dr inż. T. Stryszewska

dr inż. E. Stanaszek - Tomal

dr inż. A. Kozak

mgr inż. T. Zdeb

DO ZALICZENIA PRZEDMIOTU:

- obecność na wykładach

- kolokwium (test jednokrotnego wyboru lub test uzupełnień)

- obecność na laboratoriach

- kartkówki

- sprawozdania (za termin oddania 2.0 lub 5.0; za merytoryczność treści)

- możliwość jednej poprawki w czasie sesji

MATERIAŁY:

• Czarnecki, Broniecki, Henning „Chemia w budownictwie”

• Broniewski, Fiertak : „Chemia budowlana. Materiały pomocnicze do ćwiczeń laboratoryjnych” wyd. PK

• Inne podręczniki

• Tablice i kalendarze chemiczne

WYKŁAD 1

18.09.2009r

Chemia - nauka o substancjach, ich strukturze, własnościach i reakcjach, w których zachodzi
przemiana jednej substancji w drugą

1. Budowa chemiczna - jako wyznacznik własności technicznych materiałów budowlanych; rodzaje ciał i stanów materii występujących w tych materiałach

2. Chemiczne metody oceny przydatności materiałów budowlanych

3. Chemiczne uwarunkowania przydatności gruntów budowlanych oraz chemiczne metody ich poprawy

4. Zagrożenia i uciążliwości w odniesieniu do wykonawcy i użytkownika materiałów i obiektów budowlanych

5. Zagrożenia środowiska spowodowane przez przemysł materiałów budowlanych

6. Zjawiska i przemiany natury chemicznej występujące podczas:

• Wytwarzania materiałów i elementów budowlanych oraz utylizacji odpadów na cele budowlane

• Stosowanie materiałów budowlanych przy wznoszeniu budowli i wykonywaniu robót wykończeniowych

• Użytkowanie obiektu

• Sytuacji awaryjnych

MATERIAŁ

EKOLOGIA TECHNOLOGIA

KONSTRUKCJA

PRZEJŚCIE OD ELEMENTU BUDOWY MATERII DO ELEMENTU BUDOWLI

Atom

podstawowy Cząsteczka
element struktury zbiór atomów odpowiednio
uporządkowanych i
powiązanych ze sobą

Pierwiastek

Substancja prosta,
zbiór atomów tego Związek chemiczny
samego rodzaju substancja złożona, zbiór
cząsteczek tego samego
rodzaju

MATERIAŁY BUDOWLANE LUB SKŁADNIKI MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

Układy fizyczne jednorodne		Układy fizyczne niejednorodne
SZKLIWA	KRYSZTAŁY	KOLOIDY	KOMPOZYTY
skład: FAZA BEZPOSTACIOWA	skład: FAZA KRYSTALICZNA	ZAWARTOŚĆ FAZY ROZPROSZONA	ROZPROSZENIE MAKROSKOPOWE

elementy budowlane, prefabrykaty
materiały o odpowiednio ukształtowanej geometrii

ustrój budowlany

odpowiednio dobrany zbiór elementów

konstrukcja, obiekt budowlany

odpowiednio dobrany zbiór ustrojów i elementów budowlanych

Wiązanie chemiczne - wynik charakterystycznego oddziaływania występującego pomiędzy
różnymi indywiduami chemicznymi; należy traktować jako pewien
nowy jakościowo stan wytwarzający się pomiędzy tymi indywiduami.

SIŁY SPÓJNOŚCI W TWORZYWACH

SIŁY KOHEZJI (KOHEZJA) SIŁY ADHEZJI (ADHEZJA)

SIŁY WEWNĄTRZCZĄSTECZKOWE - SIŁY I RZĘDU

(międzyatomowe wiązania chemiczne)

jonowe (heteropolarne, elektrowalencyjne)

atomowe (homeopolarne, kowalencyjne)

koordynacyjne (semipolarne, donorowo-akceptorowe)

metaliczne

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE - SIŁY II RZĘDU

siły Van der Waalsa

mostki wodorowe (protonowe)

SIŁY WEWNĄTRZCZĄSTECZKOWE - wiązanie jonowe

(heteropolarne biegunowe, elektrowalencyjne)

- tworzenie wiązania jest wywołane dążeniem układu do zmniejszenia posiadanej energii całkowitej

- według bezwymiarowej skali Paulinga Δ E_u > 1,9

- wiązanie chemiczne polegające na elektrostatycznym oddziaływaniu pomiędzy jonami wytworzonymi w wyniku całkowitego przejścia elektronów walencyjnych od atomu mniej elektroujemnego (jon dodatni) do atomu bardziej elektroujemnego (jon ujemny)

A⁰ + B⁰ A⁺B^-

e^- jon + jon -

- wiązanie bezkierunkowe

- występują między atomami i pierwiastkami chętnie oddającymi lub przyłączającymi elektrony, czyli pierwiastkami grupy IA, IIA oraz VIA i VIIA, z reguły metalami i niemetalami

- przykłady: NaCl, MgCl₂ , CuCl₂ , CaO, MgO, Al₂O₃ , AlCl₃

- zniszczenie wiązania polega na zniszczeniu siły między jonami

- jest to wiązanie z grupy mocnych E_d ≈ 400÷800 kJ/mol np.: Na-Cl = 774 kJ/mol; Ca-O = 564 kJ/mol; Al-O = 364 kJ/mol

1 mol = 6,02*10²³ cząsteczek - liczba Avogadro

- tworzą materiały o strukturze kryształu jonowego

- materiał jest silnie upakowany ze względu na silnie oddziaływanie elektrostatyczne między jonami, przy czym jony tego samego znaku nie stykają się ze sobą

Kryształy jonowe - bryły, charakteryzują się tzw. liczbą koordynacyjną równą ilości jonów
otaczających w najbliższym sąsiedztwie kation lub anion; zależy od
promieni sąsiadujących jonów(anionów i kationów); (bliski kontakt
atomów, najsilniej upakowany - gęstość)

WŁAŚCIWOŚCI SUBSTANCJI O WIĄZANIACH JONOWYCH

(heteropolarnych, elektrowalencyjnych)

- posiadają budowę krystaliczną

- w stanie stopionym przewodzą prąd elektryczny, w stanie stałym są praktycznie nieprzewodzące

- topią się w temperaturze zwykle > 773 K (> 500°C)

- są bardzo twarde ( na statyczne i powierzchniowe działania)

- są bardzo kruche ( podatne na działania dynamiczne)

- rozpuszczają się w rozpuszczalnikach POLARNYCH, a powstałe roztwory dobrze przewodzą prąd elektryczny

- w roztworach wodnych dysocjują (rozpadają się) na jony

SIŁY WEWNĄTRZCZĄSTECZKOWE - wiązania atomowe

(homeopolarne, kowalencyjne)

- powstanie wiązania jest wynikiem tworzenia się wspólnych par elektronów między atomami

- liczba wiązań kowalencyjnych, które może utworzyć atom jest równa liczbie niesparowanych elektronów walencyjnych; wspólne pary elektronów tworzą się z elektronów o przeciwnej wartości magnetycznej spinowej liczby kwantowej

- występują jako wiązania atomowe czyste lub spolaryzowane

- wg bezwymiarowej skali Paulinga; wiązania atomowe czyste: E_u > 1,9 i Δ E_u < 0,4; wiązania atomowe spolaryzowane: E_u > 1,7 i Δ E_u < 0,4 ÷ 1,7

Wiązania atomowe czyste:

- najczęściej powstają w wyniku łączenia się atomów tych samych pierwiastków

- siła wiązania pochodzi od wspólnej pary elektronów pochodzących od obydwu pierwiastków tworzących cząsteczkę

- wg bezwymiarowej skali Paulinga E_u > 1,9 i Δ E_u < 0,4

A_• + B^• A : B

- wiązanie ukierunkowane, symetryczne, równoległe do linii łączącej środki atomów, kierunkowa natura uwspólnionych elektronów jest przedstawiona jako kąt wiązania (diament 109,5°)

- występują między atomami pierwiastków o dużej, ale zbliżonej elektroujemności, z reguły niemetalami

- przykłady: diament, german;

gazy: H₂ , H:H, H-H; O₂ , O::O, O=O, N₂ , N≡N

- jest to wiązanie z grupy mocnych E_d ≈ 250 ÷ 1000 kJ/mol np. N≡N = 946 kJ/mol; wszystkie wartości dotyczą wiązań wielokrotnych

Wiązania atomowe spolaryzowane:

- najczęściej powstają w wyniku przesunięcia wspólnej pary elektronów w kierunku atomu bardziej elektroujemnego

- w wyniku utworzenia się wiązania atomowego spolaryzowanego powstają cząstki o budowie DIPOLOWEJ

- wg bezwymiarowej skali Paulinga E_u > 1,7 i Δ E_u = 0,4 ÷ 1,7

A_• + B^• A : B

B - b. elektroujemny

DIPOL ELEKTRYCZNY - moment dipolowy

Dipol elektryczny - jest układem dwóch ładunków punktowych o tych samych wartościach
bezwzględnych ale przeciwnych znakach (+q, -q), oddalonych od siebie
na pewną odległość „l”

DIPOL ELEKTRYCZNY - elektryczny moment dipolowy

Elektryczny moment dipolowy - jest to wektorowa wielkość fizyczna charakteryzująca dipol
elektryczny. Powstaje w wyniku asymetrii rozkładu ładunku
elektrycznego.

μ - moment dipolowy [Cm] (kulombometr, ma być nad literką strzałka)

q - wartość dodatniego ładunku elektrycznego [C]

l - odległość między środkami ciężkości ładunków elektrycznych [m]

WYKŁAD 2

19.09.2009r

- wiązanie ukierunkowane, niesymetryczne

- powstają pomiędzy atomami pierwiastków elektrododatnich - niemetali niewiele różniących się elektroujemnością

- przykłady: H₂O, HCl

- posiadają liczby koordynacyjne ≤ 4

- jest to wiązanie z grupy średniomocnych E_d ≈ 350 ÷ 500 kJ/mol

- krańcowym przypadkiem tego wiązania jest wiązanie jonowe

- w stanie stałym posiadają budowę kryształu cząsteczkowego lub kowalencyjnego

- w stanie stałym i ciekłym NIE przewodzą prądu elektrycznego - niemetale (wyjątek grafit)

- kryształy cząsteczkowe (molekularne) mają stosunkowo niską temperaturę topnienia i wrzenia

- kryształy kowalencyjne są trwałe, odporne mechanicznie, mają wysoką temperaturę wrzenia

- rozpuszczają się w rozpuszczalnikach NIEPOLARNYCH (podobne rozpuszcza podobne)

- w roztworach wodnych NIE dysocjują na jony

- reagują zwykle wolno

SIŁY WEWNĄTRZCZĄSTECZKOWE - wiązanie koordynacyjne

(semipolarne, donorowo-akceptorowe)

- odmiana wiązania koordynacyjnego, utworzona między donorem (dawcą elektronów), a akceptorem (biorcą elektronów) tzn. że wspólna para elektronów pochodzi tylko od jednego z atomów

A: + B A : B

donor akceptor

- w danym jonie, między atomami tego samego typu mogą występować wiązania koordynacyjne obok wiązań innego typu

- przykłady: jony: H₃O⁺ , SO₄^2- , NH₄⁺ ;

jony kompleksowe Al[(OH)₆]^3-

H₃O⁺ H O H

H

Ö

+

H

H H

SIŁY WEWNĄTRZCZĄSTECZKOWE - wiązania metaliczne

- są charakterystyczne dla metali

- tworzą je dodatnio naładowane rdzenie atomowe, rozmieszczone w węzłach sieci krystalicznej oraz przemieszczające się między nimi zdelokalizowane elektrony tzw. chmurę elektronową (gaz elektronowy) czyli uwspólnione elektrony z ostatniej powłoki walencyjnej

- wg bezwymiarowej skali Paulinga E_u < 1,7 i Δ E_u = 0

- rdzenie atomowe

- wiązanie bezkierunkowe, zdelokalizowane ( co wynika z dążności do najlepszego upakowania struktury metalu)

- występują między atomami metali, ale także w graficie

- zniszczenie wiązania polega na zniszczeniu elektrostatycznego oddziaływania jonów dodatnich i ujemnych (sił Coulomba) oraz sił odpychania dodatnio naładowanych jonów metalu

-posiadają duże liczby koordynacyjne : 8 lub 12

- jest to wiązanie z grupy średniomocnych E_d = 250 ÷ 500 kJ/mol

WŁAŚCIWOŚCI:

- w stanie stałym posiadają budowę krystaliczną

- przewodzą prąd elektryczny

- przewodzą ciepło

- są połyskliwe

- są ciągliwe

- są kowalne (formowanie)

- nie występują w nich kruche pękania (gdyż jest bufor w postaci chmury elektronowej)

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE - siły Van der Waalsa

- słabe oddziaływania chwilowych dipoli elektrycznych w sąsiednich cząsteczkach

- występują we wszystkich stanach skupienia i na pograniczu tych stanów

- są addytywne

- mogą decydować o właściwościach mechanicznych materiałów budowlanych, jeśli ich sumaryczna wartość przekracza moc wiązania wewnątrzcząsteczkowego

- przykład: przyczepność powłoki lakierniczej do metalu, wiązanie między poszczególnymi materiałami w laminatach

- jest to wiązanie słabe E_d ≈ 25 kJ/mol

- siły orientacji: oddziaływania elektrostatyczne różnoimiennych ładunków (efekt Keesoma) E_d ≈ 25 kJ/mol

- siły indukcji: oddziaływanie cząstki obdarzonej ładunkiem elektrycznym na cząstkę o symetrycznym rozkładzie ładunku (efekt Debey'a) E_d ≈ 10 kJ/mol

- siły dyspersji: oddziaływanie między trwałym dipolem a wzbudzonym dipolem lub między dwoma wzbudzonymi rezonansem elektrycznym dipolami (efekt Londona) E_d < 10 kJ/mol

Orientacji:

jon dipol trwały jon dipol trwały

dipol trwały dipol trwały dipol trwały dipol trwały

Indukcji:

jon cząsteczka obojętna jon dipol indukowany

dipol trwały cząsteczka obojętna dipol trwały dipol indukowany

Dyspersji:

cząsteczki obojętne

- oddziaływanie Van der Waalsa wzrasta proporcjonalnie do zdolności atomu do polaryzacji (niesymetryczności rozłożenia elektronów wokół jądra atomu) - wzrasta ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka

- oddziaływanie Van der Waalsa wzrasta ze wzrostem ciśnienia, a maleje ze wzrostem temperatury co powodowane jest wzrostem energii wewnętrznej na poziomie atomów, jonów i cząsteczek

- oddziaływanie Van der Waalsa maleje proporcjonalnie do odległości między jądrami poszczególnych cząsteczek według zależności : F = 1/rⁿ

F - siła oddziaływania [N]

r - odległość pomiędzy jądrami poszczególnych cząstek [m]

n = 2 - oddziaływanie jon - jon

n = 3 - oddziaływanie jon - dipol trwały

n = 4 - oddziaływanie dipol trwały - dipol trwały

n = 5 - oddziaływanie jon - dipol indukowany

n = 6 - oddziaływanie dipol trwały - dipol indukowany

- kształtują takie właściwości KOHEZYJNE jak: temperatura wrzenia, temperatura topnienia, ciepło właściwe, gęstość, twardość, lepkość, napięcie powierzchniowe cieczy. Właściwości te ROSNĄ wraz ZE WZROSTEM sił Van der Waalsa

- są PRZYCZYNĄ ZJAWISK takich jak: adhezja, adsorpcja, zwilżanie, asocjacja cząstek cieczy, tworzenie się koloidów

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE - wiązania wodorowe

(mostki wodorowe, mostki protonowe)

- specyficzne oddziaływanie między cząsteczkami tego samego rodzaju lub jako dodatkowe wiązanie wewnątrzcząsteczkowe

- słabe oddziaływanie polegające na przyciąganiu elektrostatycznym między atomem wodoru, a atomem nukleofilowym zawierającym wolne pary elektronów (szczególna odmiana sił Van der Waalsa)

- występują wtedy, gdy wodór jest połączony wiązaniem atomowym spolaryzowanym z pierwiastkiem o dużej elektroujemności np. tlenem posiadającym jakby „nadmiar ujemnego ładunku” prowadząc do deformacji jego powłoki elektronowej w wyniku silnego oddziaływania elektrostatycznego

- przy powstaniu wiązania wodorowego, istniejące wiązanie kowalencyjne ulega częściowemu osłabieniu

- „chmura elektronowa” wodoru zostaje „podzielona” między dwie komórki

- donorami wodoru mogą być: grupa wodorotlenkowa (-OH), grupa aminowa (-NH₂), grupa tiolowa (-SH)

- akceptorami mogą być atomy: tlenu, azotu, siarki, chloru, fluoru oraz innych niemetali

- w zależności od długości wiązania rozróżnia się wiązania słabsze (dł. wiązania > 3*10^-7 m) i silniejsze (dł. wiązania około 1,5*10^-7 m)

- związki zawierające wiązanie wodorowe występują we wszystkich stanach skupienia

Występowanie większej liczby wiązań wodorowych powoduje

T_t kryształu - ↑

T_w cieczy - ↑

ciepło parowania - ↑

- przykłady: woda, ciekły amoniak, tworzywa sztuczne, otrzymywane na drodze poliaddycji (EP, PU) kwasy karboksylowe, białka, kwasy nukleinowe

- jest to wiązanie słabe E_d = 20 ÷ 40 kJ/mol

ZJAWISKO ASOCJACJI:

Asocjacja - łączenie się cząstek w większe aglomeraty

Mechanizm - wewnątrz cząsteczki, atom wodoru oddaje e^- tworząc wiązanie atomowe. Proton H⁺ ma zdolność do wnikania w powłoki elektronowe pierwiastków silnie elektroujemnych

Asocjacja H₂O - wewnątrz cząsteczki H₂O występuje wiązanie atomowe spolaryzowane w kierunku O^2-, wtedy H⁺ staje się protonem mającym możliwość wnikania w powłoki elektronowe O^2- należącego do sąsiedniej cząsteczki.

Asocjat H₂O

100°C - (H₂O)₆ - 6 cząsteczek połączonych H⁺

20°C - (H₂O)₇₅ - 75 cząsteczek połączonych H⁺

0°C - (H₂O)₉₀ - 90 cząsteczek połączonych H⁺

Efekt asocjacji (wyższa) T_w - ↑; (wyższe) ciepło parowania c_p - ↑

Własności fizykochemiczne wybranych wodorków niemetali

Nazwa związku	wzór	Mcz [unit]	Tw [C]	cp [kJ/mol]	Asocjacja
Metan (niepolarny)	CH4	16,04	-161	8,2	Brak
4-wodorek Si (niepolarny)	SiH4	32,09	-11	13,0	Brak
Amoniak (polarny)	NH4	17,03	-33	23,3	Występuje
3-wodorek P (polarny)	PH3	34,00	-98	14,6	Brak
Woda (polarna)	H2O	18,02	100	40,7	Duża
Siarkowodór (polarny)	H2S	34,08	-60	18,7	Brak
Fluorowodór (polarny)	HF	20,01	28	25,6	Występuje
Chlorowodór (polarny)	HCl	36,46	-85	16,1	Brak

Efekt asocjacji makrocząstek poliamidów (nylon,stylon)

f_t - ↑

polimer	symbol	Mcz [unit]	ft [MPa]	asocjacja
poliamid	PA	25000	60	Duża
polichlorek winylu + 4% plastyfikatora	PCV	Ok. 90000	40	Słaba
polichlorek winylu + 30% plastyfikatora	PE	Ok. 90000	12	Brak
polietylen	PE	200000	15	Brak

Siły spójności w materiałach budowlanych

70 - 80% materiałów budowlanych stanowią metale, ich sole i tlenki

20 - 30% materiałów budowlanych stanowią materiały organiczne (drewno, związki wielocząsteczkowe, polimery)

- metale: stal, żeliwo, metale nieżelazne

siły I rodzaju: metaliczne

siły II rodzaju: brak

cechy:

- wysoki połysk

- brak przezroczystości

- wysokie przewodnictwo ciepła i elektryczności

- kowalność, plastyczność, wytrzymałość mechaniczna

- sole metali: w spoiwach budowlanych: wapniowe sole SiO₄^2- , CO₃^2- , SO₄^2- , materiały kamienne; związki ilaste

siły I rodzaju: jonowe i atomowe spolaryzowane, koordynacyjne

siły II rodzaju: w spoiwach i materiałach ilastych: wodorowe

cechy:

- wysoka temperatura wrzenia

- po przekroczeniu sił niszczących rozsypują się

- zwilżalność i rozpuszczalność w wodzie

- w środowisku wodnym mogą podlegać korozji

- po rozpuszczeniu przewodzą prąd elektryczny

- sole metali: ceramika i szkło

siły I rodzaju: jonowe i atomowe spolaryzowane (brak wiązania koordynacyjnego - ulega zniszczeniu w procesach wytwarzania materiałów budowlanych)

siły II rodzaju: praktycznie brak

cechy:

- wysoka temperatura wrzenia

- po przekroczeniu sił niszczących rozsypują się

- zwilżalność i bardzo słaba rozpuszczalność w wodzie

- ceramika w środowisku wodnym może podlegać korozji

-tlenki metali: w spoiwach budowlanych : CaO, MgO, Al₂O₃

siły I rodzaju: atomowe silnie spolaryzowane

siły II rodzaju: wodorowe

cechy:

- wzrost temperatury topnienia

- wzrost twardości

- niższa rozpuszczalność w wodzie

- spadek reaktywności chemicznej

- w stanie rozpuszczonym znikome przewodzenie prądu elektrycznego

- materiały organiczne: drewno, bitumy, tworzywa sztuczne

siły I rodzaju: atomowe, uzupełniająco atomowe spolaryzowane

siły II rodzaju: siły Van der Waalsa, dodatkowo w drewnie i tworzywach sztucznych - mostki wodorowe

cechy:

- całkowity brak rozpuszczalności w wodzie

- brak reaktywności chemicznej z wodą → odporność korozyjna

- wytrzymałość mechaniczna zależna od rodzaju i ilości sił II rzędu (rodzaju)

- słaba odporność na działanie temperatury

- właściwości termomechaniczne zależne od temperatury

- ciecze polarne i niepolarne

- ciecze polarne - woda, stopiona leizna bazaltowa T> 1500°C

siły I rodzaju: atomowe spolaryzowane

zasadniczy typ sił spójności: siły orientacji i indukcji (Van der Waalsa) oraz mostki wodorowe

- ciecze niepolarne: benzyna

siły I rodzaju: atomowe

zasadniczy typ sił spójności: siły dyspersji (Van der Waalsa)

- stopy soli i stopy metali

- stopy soli: stopione glinokrzemiany w magmie skorupy ziemskiej T > 1400°C; stopione glinokrzemiany w piecu cementowym T > 1400°C

siły I rodzaju: jonowe

zasadniczy typ sił spójności: elektrostatyczne oddziaływanie jon-jon

- stopy metali: miedź T > 1083°C

siły I rodzaju: metaliczne

zasadniczy typ sił spójności: metaliczne

μ = q*l

atomowe

spolaryzowane

atomowe

spolaryzowane

koordynacyjne

+

+

+

+

+_++

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

- +

+

-

+

+

- +

- +

+

-

+

-

- +

- +

+ - +

- + -

+

+

- +

- +

- +

+ - +

- + -

+

-

+

-

-

+

+ - +

- + -

+ - +

- + -

rezonans elektryczny

+ - +

- + -

- +

---