Chemie vody Chemie kovových stavebních látek Chemie horninových stavebních látek Milen Pavlíková D1045, K123
[email protected] http://tpm.fsv.cvut.cz
Chemie vody
Struktura Vznik Výskyt Tvrdost pH Povrchové napětí Hydratace a způsob vázání vody v tuhé fázi
Voda
Významná úloha ve stavebních procesech: { {
Výroba a zpracování stavebních látek Voda působící na zabudované stavební látky
Tlaková Povrchová Agresivní Vlhkost
→ vodu musíme použít X ochrana před vodou
Struktura
Délka vazby O – H
96μm
Silně polární molekula
Úhel H – O – H
r = 138 pm
Asymetrické rozdělení nábojů → dipólový moment
ε=80 F/m[25°C] 109,47°
→ 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): 2 H 2 + O2 → 2 H 2O
ΔH = −572,8kJ / mol
Z iontů: H + + OH − → H 2O
ΔH = −57,15kJ / mol
Výskyt
Pokrývá 70% povrchu {
Volná
{
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 + H2O + CO2 Mg(HCO3)2 → MgCO3 + H2O + CO2
{
Stálá (trvalá)
Způsobena CaSO4 a MgSO4
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + MgCO3 + 2 H2O MgSO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + Mg(OH)2 CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4
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:
H 2O + H 2O ↔ H 3O + + OH −
Rovnovážná konstanta vody je pak
Ka =
aH + .aOH − aH 2O
pH
Aktivita molekul vody je prakticky konstantní, a proto se může zahrnout do K v = aH + .aOH − = ai2 disociační konstanty:
Aktivita vodíkových iontů je důležitá hodnota, podle které se posuzuje skutečná kyselost nebo zásaditost roztoku.
aH + = aOH − ≅ cH + = cOH − = KV ≈ 10 −7
pH
Její vyjadřování v exponenciálním stavu je nepohodlné, proto Sörensen navrhl použití symbolu pH: pH = − log a + ≅ − log H +
[ ]
H
pK v = pH + pOH = 14 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 látky Způsob vázání vody v tuhé fázi: {
Pohyblivá voda
{
Krystalová
{ {
Volná, adsorbovaná, kapilární, zeolitová, vodní film V krystalové mřížce sádrovce, kaolinit
Voda v komplexech Hydroxylová voda
Plně zabudované iontovou vazbou, kovalentní vazbou
Definice kovů, kovová vazba Definice: nízká ionizační energie – tvoří ionty snadněji než nekovy Kov je prvek, vytvářející KOVOVOU VAZBU „Kationy“ tvoří krystalovou mřížku Valenční elektrony tvoří „Elektronový mrak“
-
Cu2+ -
Cu2+
-
-
-
Cu2+ -
Cu2+ -
Cu2+
Delokalizované elektrony – náhodná poloha – nelze je přiřadit k určitému atomu - Pohybují se po krystalu
-
-
Cu2+
-
Cu2+ -
-
Cu2+
-
-
Cu2+
Kovová vazba a vliv na vlastnosti
Vlastnosti kovů dané KOVOVOU VAZBOU
Tvárnost (kujnost, tažnost)
{
díky poruchám krystalové struktury
{
(pohyb dislokací) a kovové vazbě
Elektrická a tepelná vodivost {
pohyblivé „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 tání {
válcování (plechy, dlouhé profily, trubky)
{
kování (stavební prvky, klikové hřídele)
{
protlačování (tyče, Al profily)
{
tažení (dráty, tyče)
{
lisování (plechy karoserie)
Mechanické obrábění {
řezání
{
soustružení,
{
frézování
{
broušení,
Železo
Železné rudy: {
oxidy – magnetit Fe3O4, hematit Fe2O3, limonit FeO(OH).x H2O
{
sulfid – pyrit FeS2 se praží na Fe2O3
{
uhličitan – siderit FeCO3
Koks, vápenec
Výroba železa ve vysoké peci
~ 20 - 40 m
Ruda Koks Vápenec
Kychtový plyn
Horký vzduch Struska (2000 C)
Železo(1400 C) ~ 10 – 15 m
Výstupy z vysoké pece:
Surové železo: roztavená směs Fe, C (až 4 %), P, S…. {Dále
Struska: oxidická tavenina na bázi CaO.SiO2 {Po
se zpracovává na ocel nebo litinu
ochlazení se používá jako součást cementu nebo jako kamenivo
Kychtový plyn: obsahuje 20 % CO – hořlavý {Používá
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 % uhlíku
Tvárná za vysokých teplot {
Oceli uhlíkové a legované – další prvky: Cr, Ni, Mn, Si, … {
90 % slitin železa jsou oceli, 10 % litiny 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 pomocí Bayerova procesu (oddělení Fe2O3)
Výroba hliníku Celková reakce
±12 e−
2 Al2O3 + 3 C ⎯⎯⎯⎯ → 4 Al + 3 CO2
Elektrolyt: Na3AlF6, Al2O3, AlF3, CaF2 atd., teplota ≈ 960 ºC Katoda: Al3+ + 3e- → Al Anoda: 2 O2- + C → CO2 + 4 e-
Zásobník aluminy Anodové sběrnice
Držák anody
Anoda Bubliny plynu Izolace
Elektrolyt Zatuhlý elektrolyt
Roztavený Al Uhlíková katoda
Ocelový kontejner Médinka designed®
Vyzdívka Katodová sběrnice
Slitiny hliníku
Dural systém Al – Cu – Mg obsahují 1 – 6 % Cu a do 2 % Mg {
dá se vytvrdit – vyšší pevnost
{
nižší korozní odolnost – plátuje se čistým hliníkem
{
použití na letadla, sportovní potřeby…
Al – Mg – Si obsahují do 1.5 % legur {
použití na protlačované profily
{
nižší pevnost, ale lepší korozní odolnost než dural
Al – Zn – Mg a Al – Li – Cu – Mg {
Al – Mn dobře tvářitelné, Mn do 1.5 % {
lehké a pevné slitiny pro letadla
nápojové plechovky
Siluminy slitiny Al – Si, obsah Si 5 – 25 % { { {
S obsahem Si roste tvrdost a klesá tažnost Vynikající zabíhavost do formy Použití: bloky motorů, písty, kola…
Měď
Výborný vodič elektřiny a tepla, korozivzdorná (pasivace), tvárná
Suroviny {
ryzí
{
rudy:
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, nečistoty se hromadí v elektrolytu
katoda – čistá měď 99.99 %,
Použití mědi
Elektrické vodiče, stavebnictví
Mosaz:
{
Slitina Cu – Zn obsah Zn do 45 %
{
Zpracování tvářením i odléváním
{
Pevnost roste s obsahem Zn
Automatová mosaz: Cu – Zn – 3 % Pb
Hlubokotažná m.: 30 % Zn
Bronz: {
Slitina Cu – Sn (eventuelně jiný kov Pb, Al)
{
Lepší korozní odolnost a otěruvzdornost než mosazi, ale dražší
Cínové bronzy
do 8 % Sn
tváření
8 – 12 % Sn
odlévání
20 – 22 % Sn
zvonovina
Zinek
Hlavní využití jako korozivzdorný materiál – pozinkované
ocelové 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: {
Výroba: {
1.
galenit PbS
klasický pyrometalurgický postup
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 SiO2 Výroba: { { {
Primární - metalurgický Si (MG-Si, čistota nad 98 %), polykrystalický Solar Grade Si (SoGSi, čistota 99.999 %) Semiconductor Si (čistota 99.99999999 %), monokrystaly
Výroba: { {
Karbothermický proces provozovaný v obloukové peci Celková reakce SiO2 + 2 C → Si + 2 CO 1900 ˚C
{
Suroviny: křemen, koks,uhlí, dřevěné piliny
Chemická rafinace
Princip elektrochemické koroze 1
elektrochemická reakce {
dochází 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+)
elektrolyt
umožňuje transport iontů (vodný roztok, rozpouští soli a plyny)
elektronový vodič – kov
Princip elektrochemické koroze 2
hnací síla koroze {
elektrochemický potenciál {
rozdíl elektrochemických potenciálů (Er) anody(-) a katody(+) závisí na typu kovu (materiálová konstanta) a složení elektrolytu (koncentrace O2, pH)
elektrochemická řada kovů {
ušlechtilejší kovy jsou stabilnější, oxidují
méně ušlechtilé se snázeji
- 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 pasivují hydroxidy → možnost použít ocel jako výztuž v betonu
Chloridy, sírany v elektrolytu – vytvářejí rozpustné korozní produkty → 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 prostředí Leštění materiálu – méně nerovností a nehomogenit na povrchu zlepšuje odolnost Ochranné povlaky Nátěrové hmoty Povlak 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 složení {
Jíly (hlinitokřemičitany)
{
Křemenné suroviny (křemen)
{
Uhličitany (vápenec, dolomit)
{
Sírany (sádrovec)
{
Oxidy (oxidy kovů)
Soudržné horniny – koláč výskytu
Zemská kůra do 16 km =100% živce 11,9%
0,1% 1,5% 1,5%
orthosillikáty a metasilikáty křemen
3,0%
slída 12,0% 55,0%
15,0%
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. 2. 3.
Zvětrávání a rozrušování přenášení materiálu do nižších míst- vliv gravitační energie země usazování
Zdrojem energie je sluneční záření Změny povrchu- také blízká tělesa sluneční soustavy - příliv a odlivrozrušování hornin pobřeží
zvětrávání:
fyzikální děje chemické děje biologické děje
Sypké horniny
Různé chemické a mineralogické složení
Nevazné (písek, štěrk)
Vazné (jíly, hlíny)
Metody zlepšování vlastností základových půd
Fyzikální Chemické { k jílu CaO { Popílek { Živice { Plasty biologické
