Chemie vody Chemie kovových stavebních látek
Chemie horninových stavebních látek
Milen PavlíkováD1045, [email protected]://tpm.fsv.cvut.cz
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.
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
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