Chemie vody Chemie kovových stavebních látek

Chemie horninových stavebních látek

Milen PavlíkováD1045, K123milena.pavlikova@fsv.cvut.czhttp://tpm.fsv.cvut.cz

Chemie vody

StrukturaVznikVýskytTvrdostpHPovrchové napětíHydratace a způsob vázání vody v tuhé fázi

Voda

Významná úloha ve stavebních procesech:Výroba a zpracování stavebních látekVoda působící na zabudované stavební látky

TlakováPovrchováAgresivníVlhkost

→ vodu musíme použít X

ochrana před vodou

Struktura

Délka vazby O – H 96μm

Silně polární molekula ε=80 F/m[25°C]

Úhel H – O – H 109,47°

r = 138 pm

Asymetrické rozdělení nábojů→ dipólový moment

→ dobré

rozpouštěcí

vlastnosti, umožňuje hydrataci maltovin

Asociace molekul vody vodíkovými můstky vede ke spojení až 100 molekul vody. Tento jev způsobuje vysoký bod varu

Anomálie vody – nejvyšší hustotu nemá led, ale voda tekutá při 3,95°C.

Vznik

Z prvků (třaskavý plyn):

Z iontů:

molkJHOHOH /8,57222 222 −=Δ→+

molkJHOHOHH /15,572 −=Δ→+ −+

Výskyt

Pokrývá 70% povrchuVolná

Vázaná (sádrovec, kaolinit)

Čistá voda - destilovaná

Tvrdost

udává nejčastěji koncentraci kationtů vápníku a hořčíku ve vodě

Celková tvrdost:Přechodná (uhličitanová, karbonátová)

Způsobena rozpustnými hydrogenuhličitany, především Ca(HCO3)2 a Mg(HCO3)2

lze odstranit převařením – dekarbonizací:

Ca(HCO3

)2 → CaCO3

+ H2

O + CO2

Mg(HCO3

)2

→ MgCO3

+ H2

O + CO2

Stálá (trvalá)Způsobena CaSO4 a MgSO4

Ca(HCO3

)2

+ Ca(OH)2

→ 2CaCO3

+ 2H2

O

Mg(HCO3

)2

+ Ca(OH)2

→ CaCO3

+ MgCO3 + 2 H2

O

MgSO4

+ Ca(OH)2

→ CaSO4

+ Mg(OH)2

CaSO4

+ Na2

CO3 → CaCO3

+ Na2

SO4

Tvrdost

tvrdost vody uvádíme v mmol/l nebo tzv. německých stupních tvrdosti (dGH).

Jeden německý stupeň odpovídá 10 mg CaO v jednom litru vody.

Současná (2005) česká norma stanovuje tvrdost vody podle koncentrace Ca a Mg (mmol/l).

Mezi uvedenými jednotkami je možno přibližně převádět podle vztahu 1 mmol/l = 5,61°dGH.

Z celkové tvrdosti vody jsou odvozeny tyto údaje: Od 1 do 10° voda měkká

do 5° voda zvláště měkká

10–20° střední tvrdost

20–30° voda tvrdá

přes 30° zvláště tvrdá

pH

Vedení elektrického proudu roztoky je založeno na disociaci molekul roztoku.

I molekuly vody disociují, a to na hydroxoniový kation a hydroxylový anion dle rovnice:

Rovnovážná konstanta vody je pak

−+ +↔+ OHOHOHOH 322

OH

OHHa a

aaK

2

. −+=

pH

Aktivita molekul vody je prakticky konstantní, a proto se může zahrnout do disociační konstanty:

Aktivita vodíkových iontů je důležitáhodnota, podle které se posuzuje skutečná kyselost nebo zásaditost roztoku.

2. iOHHv aaaK == −+

710−≈==≅= −+−+ VOHHOHHKccaa

pH

Její vyjadřování v exponenciálním stavu je nepohodlné, proto Sörensen navrhl použití symbolu pH: [ ]

14

loglog

=+=

−≅−= ++

pOHpHpK

HapH

v

H

Je-li pH

0 až

<7

=7

>7 až

14

Je roztok kyselý

neutrální

zásaditý

Povrchové

napětí

[N/m]

Povrchová energie [N.m]

Hydrofobní a hydrofilní látky

PAL (povrchově aktivní látky)Snižují povrchové napětí vody

např. tenzidy

to vede např. ke zlepšení zpracovatelnosti betonové směsi (plastifikátory)

Hydrofobizace (odpuzování vody)Zvětšení povrchového napětí (silikony, silany)

např. u omítek, střešních tašek, cihel, kamene

ochrana před vniknutím vody

Hydratace a způsob vázání

vody v tuhé

fázi

Hydratace: voda se váže na jiné látkyZpůsob vázání vody v tuhé fázi:

Pohyblivá vodaVolná, adsorbovaná, kapilární, zeolitová, vodní film

KrystalováV krystalové mřížce sádrovce, kaolinit

Voda v komplexechHydroxylová voda

Plně zabudované iontovou vazbou, kovalentní vazbou

Definice kovů, kovová

vazbaDefinice: nízká

ionizační

energie –

tvoří

ionty snadněji než

nekovy

Kov je prvek, vytvářející

KOVOVOU VAZBU

Cu2+ Cu2+ Cu2+

Cu2+ Cu2+ Cu2+

Cu2+ Cu2+ Cu2+

-

-

-

-

--

-

-

-

-

-

-

-

-

- -

-

-

„Kationy“

tvoří

krystalovou mřížku

Valenční

elektrony tvoří

„Elektronový mrak“

Delokalizované

elektrony

–

náhodná

poloha –

nelze je přiřadit k určitému atomu

-

Pohybují

se po krystalu

Kovová

vazba a vliv na vlastnosti

Vlastnosti kovů dané KOVOVOU VAZBOUTvárnost (kujnost, tažnost)

díky poruchám krystalové struktury

(pohyb dislokací) a kovové vazbě

Elektrická a tepelná vodivostpohyblivé „volné“ elektrony

Pevnost

Slitiny

Pro použití ve stavebnictví – rozhodující pevnost

Drtivá většina kovů se používá ve formě slitin →lepší mechanické vlastnosti, cena, výrobní postup:

Litina: železo s více než 2.1 % uhlíku

Ocel: železo s méně než 2.1 % uhlíku

Lehké slitiny: hliník s legujícími prvky – Cu, Mg, Si, Li, …

Mosaz: systém Cu-Zn

Bronz: systémy Cu-Sn, Cu-Pb, Cu-Al

Způsoby zpracování

kovů

Odlévání do formy:litina, ocelolitina, slévárenské slitiny Al

Tváření - plastická deformace kovu pod bodem táníválcování (plechy, dlouhé profily, trubky)

kování (stavební prvky, klikové hřídele)

protlačování (tyče, Al profily)

tažení (dráty, tyče)

lisování (plechy karoserie)

Mechanické obráběnířezání

soustružení,

frézování

broušení,

Železo

Železné rudy:oxidy – magnetit Fe3O4, hematit Fe2O3, limonit FeO(OH).x H2Osulfid – pyrit FeS2 se praží na Fe2O3

uhličitan – siderit FeCO3

Koks, vápenec

Výroba železa ve vysoké

peci

Železo(1400 C)Struska(2000 C)

~20

-40

m

~

10 –

15 m

Kychtový plynRudaKoksVápenec

Horký vzduch

Výstupy z vysoké

pece:Surové železo: roztavená směs Fe, C (až 4 %), P, S….

Dále se zpracovává na ocel nebo litinu

Struska: oxidická tavenina na bázi CaO.SiO2

Po ochlazení se používá jako součást cementu nebo jako kamenivo

Kychtový plyn: obsahuje 20 % CO – hořlavýPoužívá se k ohřevu „větru“

Litina:Bílá litina – obsahuje Fe3C (až 4.5 % C), velmi tvrdá

Grafitické litiny - krystalizují podle stabilního diagramu obsahuje elementární uhlík (~ 3 %) jako lupínky (šedá l.), kuličky (tvárná l.), nebo červíky

Temperovaná litina – výroba žíháním bílé litiny

Ocel

Slitina železa s méně než 2.1 % uhlíkuTvárná za vysokých teplot

90 % slitin železa jsou oceli, 10 % litiny

Oceli uhlíkové a legované – další prvky: Cr, Ni, Mn, Si, …legování: pevnost, tvrdost, obrobitelnost, koroze…

Oceli: uhlíkové, pro betonáž, nástrojové, žáruvzdorné, pro nízké teploty, pružinové, korozivzdorné, …

Hliník

Lehký, korozně odolný (pasivace Al2O3),

dobrý vodič

elektřiny a tepla

Suroviny:Bauxit – hornina obsahující AlO(OH), Al(OH)3 a jejich hydráty

Bauxit se konvertuje na Al2O3 pomocíBayerova procesu (oddělení Fe2O3)

Výroba hliníkuCelková

reakce

Elektrolyt: Na3

AlF6

, Al2

O3

, AlF3

, CaF2

atd., teplota

≈

960 ºCKatoda: Al3+

+ 3e-

→ AlAnoda: 2 O2-

+ C → CO2

+ 4 e-

−±+ ⎯⎯⎯⎯→ +12 e2 3 22 Al O 3 C 4 Al 3 CO

Uhlíková

katodaRoztavený Al

Anoda

Zatuhlý elektrolytVyzdívkaIzolaceKatodová

sběrniceOcelový kontejner

ElektrolytBubliny plynu

Anodové

sběrnice Držák anody

Zásobník aluminy

MMéédinkadinka designeddesigned®®

Slitiny hliníku

Dural systém Al – Cu – Mg obsahují 1 – 6 % Cu a do 2 % Mgdá se vytvrdit – vyšší pevnost

nižší korozní odolnost – plátuje se čistým hliníkem

použití na letadla, sportovní potřeby…

Al – Mg – Si obsahují do 1.5 % legurpoužití na protlačované profily

nižší pevnost, ale lepší korozní odolnost než dural

Al – Zn – Mg a Al – Li – Cu – Mg lehké a pevné slitiny pro letadla

Al – Mn dobře tvářitelné, Mn do 1.5 %nápojové plechovky

Siluminy slitiny Al – Si, obsah Si 5 – 25 %S obsahem Si roste tvrdost a klesá tažnostVynikající zabíhavost do formyPoužití: bloky motorů, písty, kola…

Měď

Výborný vodič elektřiny a tepla, korozivzdorná (pasivace), tvárná

Suroviny ryzírudy:

sulfidy - chalkopyrit CuFeS2, chalkosin Cu2S

oxid měďný – cuprit Cu2O

Uhličitany - malachit CuCO3.Cu(OH)2, azurit CuCO3.2 Cu(OH)2

Výroba:

1.

Pyrometalurgie

–

tavení

a redukce oxidů

a sulfidů

pomocí

koksu → surová měď

2.

Elektrolytická

rafinace

– měď

pro elektroniku

surová měď jako anoda – rozpouští se, katoda – čistá měď 99.99 %, nečistoty se hromadí v elektrolytu

Použití

mědi

Elektrické vodiče, stavebnictví

Mosaz:Slitina Cu – Zn obsah Zn do 45 %

Zpracování tvářením i odlévánímPevnost roste s obsahem Zn

Automatová mosaz: Cu – Zn – 3 % PbHlubokotažná m.: 30 % Zn

Bronz:Slitina Cu – Sn (eventuelně jiný kov Pb, Al)

Lepší korozní odolnost a otěruvzdornost než mosazi, ale dražšíCínové bronzy do 8 % Sn tváření

8 –

12 % Sn

odlévání

20 –

22 % Sn

zvonovina

Zinek

Hlavní využití jako korozivzdorný materiál – pozinkovanéocelové

plechy, titanzinek, dále výroba mosazí

Surovina:ZnS sfalerit (Kanada, Švédsko)

Výroba:

1.

ZnS

se praží: 2 ZnS

+ 3 O2

→ 2 ZnO

+ 2 SO2

2.

ZnO

se redukuje koksem nebo elektrolyticky

(ve formě

ZnSO4

ve vodném roztoku)

Pozinkování:

1.

elektrolytické

–

chráněný předmět se pokoví

Zn

z elektrolytu

2.

žárové

– předmět se namáčí

v roztaveném zinku (nad 420 ˚C)

Titanzinek slitina Zn s Cu (do 1 %) a Ti (do 0.2 %)

Olovo

Těžké, tvárné, nízkotající, korozně odolné

Surovina: galenit PbS

Výroba: klasický pyrometalurgický postup

1.

pražení

2 PbS

+ 3 O2 → 2 PbO

+ 2 SO2

karbotermická redukce koksem

2.

PbO

+ C → Pb

+ CO

Použití:Akumulátory

Vodovodní rozvody – nově se nezřizují

Střelivo

Ochrana proti radiaci

Slitiny olova: pájky Pb – Sn teplota tání 250 – 400 ˚C

Křemík

Nejrozšířenější „kov“ v zemské kůře: 25 %,obsažen v silikátových minerálech nebo SiO2Výroba:

Primární - metalurgický Si (MG-Si, čistota nad 98 %), polykrystalickýSolar Grade Si (SoGSi, čistota 99.999 %)Semiconductor Si (čistota 99.99999999 %), monokrystaly

Výroba:Karbothermický proces provozovaný v obloukové peciCelková reakce SiO2 + 2 C → Si + 2 CO 1900 ˚C

Suroviny: křemen, koks,uhlí, dřevěné pilinyChemická rafinace

Princip elektrochemické

koroze 1

elektrochemická reakcedochází k přenosu elektronů mezi prvky

oxidace (anoda)látka ztrácí elektrony

roste oxidační číslo (kov – rozpouští se)

redukce (katoda)látka přijímá elektrony

klesá oxidační číslo (kyslík, H+)

elektrolytumožňuje transport iontů (vodný roztok, rozpouští soli a plyny)

elektronový vodič – kov

Princip elektrochemické

koroze 2

hnací síla korozerozdíl elektrochemických potenciálů (Er) anody(-) a katody(+)

elektrochemický potenciálzávisí na typu kovu (materiálová konstanta) a složení elektrolytu(koncentrace O2, pH)

elektrochemická řada kovůušlechtilejší kovy jsou stabilnější, méně ušlechtilé se snázejioxidují

-

Mg Al

Zn

Cr

Fe

Co Ni Sn

Pb

H

Cu

Ag

Au +

Málo ušlechtilé (korodují) Ušlechtilé

Vznik korozního článku

Dvě

místa s rozdílným elektrochemickým potenciálem

musí

být spojena elektronovým (kov) i iontovým (elektrolyt)

vodičem

1.

spojení

dvou různých materiálů

(katoda Cu

–

Mg anoda)

2.

nehomogenity

ve složení

materiálu –

na povrchu jsou mikročlánky

složené

z katodických a anodických oblastí

3.

Koncentrační

článek

–

elektrolyt má

různou koncentraci kyslíku v různých místech povrchu kovu

Typy koroze kovů- Plošná

(rovnoměrná)

- Bodová

-

Štěrbinová

-

Intergranulární

Pasivace

Tvorba vrstvy korozního produktu, který chrání zbytek materiálu před korozí

Al, Ti: pokrývají se na vzduchu kompaktní vrstvou oxidů (Al2O3, TiO2), která zabraňuje další korozi

Koroze oceli a běžných konstrukčních kovů

Uhlíkaté oceli – v alkalickém prostředí (pH > 9.5) se pasivujíhydroxidy → možnost použít ocel jako výztuž v betonuChloridy, sírany v elektrolytu – vytvářejí rozpustné korozníprodukty → nedostatečná pasivace povrchu – koroze postupuje

Litiny – dobrá korozní odolnost

Korozivzdorné oceli – obsahují Cr – pasivují se Cr2O3

Zinek – pasivuje se vrstvou Zn(OH)2.ZnCO3

Měď – vytváří v atmosféře Cu2O (červený), CuO (černý) a Cu(OH)2.CuCO3 (měděnka)

Protikorozní

ochrana kovových materiálů

Vhodná volba konstrukčního materiálu pro dané prostředíLeštění materiálu – méně nerovností a nehomogenit na povrchu zlepšuje

odolnost Ochranné povlaky

Nátěrové hmotyPovlak korozivzdorného kovu (Cu, Zn, Cr, Ni)Anorganické povlaky – smalty, eloxování

•Inhibitory koroze

v korozním médiu

•Elektrochemická

ochrana:•Anodická•Katodická

•Omezení

rozpustnosti kyslíku

–

energetické

vodní

oběhy (teplárny, elektrárny)

Chemie horninových stavebních látek

Petrologie

Mineralogie

Hornina: přírodní heterogenní směs zrn jednoho nebo více minerálů, zpravidla s typickou strukturou

tvoří velká, geologicky samostatná tělesa v zemské kůře

Dělení:Dle použití

Soudržné – lze použít hned (viz. Koláč výskytu)

Sypké – umělé zpevnění hornin vhodným pojivem (beton)

Dle chemického složeníJíly (hlinitokřemičitany)

Křemenné suroviny (křemen)

Uhličitany (vápenec, dolomit)

Sírany (sádrovec)

Oxidy (oxidy kovů)

Soudržné

horniny –

koláč

výskytu

Zemská kůra do 16 km =100%

55,0%

15,0%

12,0%

3,0%

1,5%1,5%

0,1% 11,9%živce

orthosillikáty ametasilikátykřemen

slída

jílové minerály

kalcit

dolomit

příměsi

Dělení

soudržných hornin –

podle geneze

Vyvřelé (magmatity)Podle obsahu SiO2

>

65% kyselé

<

52 % zásadité

Hlubinné (žula)

Rozlité (čedič)

Žilné (pegmatit)

Usazené (sedimenty)Sypké (písek, jíl, hlína)

Diageneticky zpevněné (břidlice, pískovec)

Chemického původu (vápence, uhlí, rašelina)

Chemicko-fyzikální nebo biogenní pochody (křemelina)

Přeměněné (metamorfity)Vysokým tlakem a teplotou → roztavení a rekrystaliazce

Rula, mramor

Zvětrávání

hornin a nerostů

Působení

vnějších geologických sil = rozsáhlé

změny zemského povrchu

1.

Zvětrávání

a rozrušování2.

přenášení

materiálu do nižších míst-

vliv gravitační

energie země

3.

usazování

Zdrojem energie je sluneční

zářeníZměny povrchu-

také

blízká

tělesa sluneční

soustavy -

příliv a odliv-

rozrušování

hornin pobřeží

fyzikální

dějezvětrávání:

chemické

děje

biologické

děje

Sypké

horniny

Různé chemické a mineralogickésložení

Nevazné (písek, štěrk)

Vazné (jíly, hlíny)

Metody zlepšování

vlastností

základových půd

FyzikálníChemické

k jílu CaOPopílekŽivicePlasty

biologické