Chemia w budownictwie II. Opracowała Ewa Regulska

Transkrypt

1 Chemia w budownictwie II Opracowała Ewa Regulska 1

2 Ogólny podział materiałów budowlanych A. Nieorganiczne Metale: Fe, Cu, Zn, Sn, Al, Pb, Mn, Mo, Ni, Cr, Mg B. Organiczne Drewno Słoma Trzcina Bambus naturalne Materiały kamienne (mineralne) : minerały SiO 2, Al 2 O 3, H 2 O, Fe 2 O 3, FeO, MgO, CaO, Na 2 O, K 2 O, TiO 2, P 2 O 5 Wyroby bitumiczne: Smoły z przeróbki węgla kamiennego Asfalty z ropy naftowej Tworzywa sztuczne (syntetyczne) 2

3 3 Wiązania chemiczne w materiałach budowlanych Materiały budowlane Wiązania wewnątrzcząsteczkowe międzycząsteczkowe Jonowe Atomowe Atom. Spolaryz. Kordynacyjne Metaliczne Wodorowe Siły Van der Waalsa Metale: żeliwo stal nieżelazne Materiały mineralne: kamienne ilaste spoiwa ceramika szkło Materiały organiczne: drewno bitumy tworzywa sztuczne () () () ()

4 Występowanie substancji organicznych w budownictwie Materiały budowlane Domieszki do betonu Środki impregnacyjne Paliwa i środki pomocnicze w produkcji materiałów budowlanych (gaz ziemny, oleje grzewcze, rozpuszczalniki, oleje, smary) Środowisko niektórych elementów budowli: w przemyśle spożywczym, gospodarstwach inwentarskich, oczyszczalniach ścieków 4

5 CHEMIA ORGANICZNA TO CHEMIA ZWIĄZKÓW WĘGLA WYJĄTKI (związki nieorganiczne): TENEK WĘGLA (II) CO TLENEK WĘGLA (IV) CO 2 KWAS WĘGLOWY H 2 CO 3 SOLE KWASU WĘGLOWEGO np. CaCO 3 5

6 Szereg homologiczny alkanów: C n H 2n2 Liczba Wzór Nazwa Liczba atomów węgla izomerów 1 CH 4 metan 0 2 CH 3 CH 3 etan 0 3 CH 3 CH 2 CH 3 propan 0 4 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 butan 2 5 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 pentan 3 6 CH 3 (CH 2 ) 4 CH 3 heksan 5 7 CH 3 (CH 2 ) 5 CH 3 heptan 9 8 CH 3 (CH 2 ) 6 CH 3 oktan CH 3 (CH 2 ) 10 CH 3 dodekan 355 6

7 Węglowodory nasycone alkany (C n H 2n2 ) tworzą łańcuchy cykloalkany (C n H 2n ) tworzą związki pierścieniowe proste rozgałęzione 7

8 Alkeny C n H 2n eten C 2 H 4 CH 2 =CH 2 etylen propen C 3 H 6 CH 3 CH 2 =CH 2 but1en C 4 H 8 CH 2 =CHCH 2 CH 3 but2en C 4 H 8 CH 2 CH=CH 2 CH 3 pent2en C 5 H 10 CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 8

9 ALKINY: ZWIĄZKI WĘGLA i WODORU O WZORZE: C n H 2n2 SZEREG HOMOLOGICZNY ALKINÓW Etyn C 2 H 2 CH CH acetylen Propyn C 3 H 4 CH 3 C CH Butyn C 4 H 6 CH3CH 2 C CH Pentyn C 5 H 8 CH 3 CH 2 CH 2 C CH ZASTOSOWANIE: spawanie tworzywa sztuczne, np.: kauczuk 9

10 Areny wielopierścieniowe skondensowane liniowo i kątowo NAFTALEN ANTRACEN FENANTREN 10

11 WĘGLOWODORY: ZWIĄZKI WĘGLA i WODORU ŁAŃCUCHOWE (ALIFATYCZNE) CYKLICZNE JEDNOPIERŚCIENIOWE NASYCONE NIENASYCONE WIELOPIERŚCIENIOWE NASYCONE NIENASYCONE AROMATYCZNE ALKANY ALKENY ALKADIENY ALKINY (CYKLOALKANY) (CYKLOALKENY) (ARENY) SKONDENSOWANE 11

12 Ropa naftowa jest mieszaniną węglowodorów Destylacja ropy naftowej (pod ciśnieniem atmosferycznym) frakcja benzynowa tw < 200 o C nafta o C olej napędowy o C Pozostałością po destylacji jest mazut, gęsta ciecz używana do celów opałowych albo poddawana destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem w celu otrzymania frakcji olejowej, używanej jako surowiec do otrzymywania olejów smarowych. Frakcje ropy, pozostające po destylacji mazutu, tworzą asfalt. Gaz ziemny głównym składnikiem jest metan, gaz ziemny może zawierać też etan i propan (kilka kilkanaście % ) 12

13 SMOŁA WĘGLOWA: PRODUKT SUCHEJ DESTYLACJI WĘGLA KAMIENNEGO WĘGIEL KAMIENNY OGRZEWANIE SMOŁA WĘGLOWA BEZ DOSTĘPU POWIETRZA smoła węglowa zawiera: benzen naftalen toluen ksyleny fenol krezole ZASTOSOWANIE: benzyny wysokooktanowe. rozpuszczalniki, chemikalia, leki, synteza organiczna. 13

14 Pochodne węglowodorów 14

15 TŁUSZCZE (GLICERYDY) CH 2 O C R` O CH O C R`` O CH 2 O C R``` O Pochodne gliceryny W skład tłuszczów wchodzą kwasy nasycone lub nienasycone. stałe (zwierzęce) masło, smalec ciekłe (oleje roślinne) słonecznikowy, rzepakowy, itp. W tłuszczach syntetycznych grupy R są na ogół takie same, w tłuszczach naturalnych różne. Stosowane jako pokosty 15

16 Aminokwasy 16

17 Węglowodany (cukry) C x (H 2 O) y monosacharydy (cukry proste: glukoza, fruktoza) oligosacharydy (dwucukry sacharoza) polisacharydy (wielocukry: skrobia, celuloza) Podział ze względu na grupy funkcyjne: aldozy obok licznych grup wodorotlenowych posiadają grupę aldehydową CHO ketozy z grupą ketonową >C=O Podział ze względu na liczbę atomów węgla: pentozy heksozy 17

18 Fragment wiązania glikozydowego w celulozie M celulozy ~ lub więcej. Długie łańcuchy cząsteczek ułożone są jeden obok drugiego i utrzymywane razem dzięki wiązaniom wodorowym. Powstaje w roślinach z CO 2 i wody w procesie fotosyntezy. 18

19 Chemia drewna Skład drewna: węgiel (ok. 50%), tlen (ok. 43%), wodór (6,1%), azot (0,04 0,26%), składniki mineralne (0,3 1,2%). 19

20 Chemia drewna c.d. Drewno zbudowane jest z celulozy(do 50%), Celuloza (błonnik) hemicelulozy (do 30%), i ligniny (do 25%) najbardziej rozpowszechniony w przyrodzie polisacharyd o charakterze budulcowym główny składnik ścianek komórek roślinnych (łac. cellula komórka) Wzór ogólny (C 6 H 10 O 5 ) n n = kilkaset do kilku tysięcy 20

21 Chemia drewna c.d. Hemiceluloza bezpostaciowy wielocukier (n=200). Jest bardziej aktywna chemicznie niż celuloza. Lignina produkt polireakcji alkoholi aromatycznych, m.in. waniliny. Sztywne makrocząsteczki cząsteczki ligniny tkwią w przestrzeniach między mikrowłóknami celulozy, wskutek czego giętki szkielet celulozy uzyskuje odpowiednią sztywność i wytrzymałość na ściskanie. W drewnie występują też sole mineralne, żywice (zwłaszcza w drewnie z drzew iglastych), woda, garbniki (zwłaszcza w drewnie dębowym) inne związki chemiczne (białka i tłuszcze) 21

22 Korozja drewna Drewno w porównaniu ze stalą, betonem i materiałami kamiennymi jest odporne na korozję A) czynniki klimatyczne: cykliczne zawilgocenie i zamarzanie Promieniowanie UV Wahania temperatury B) czynniki biologiczne: niszcząca działalność organizmów żywych (grzyby, glony, bakterie, owady, gryzonie) C) Czynniki chemiczne: ph 2 (stężone kwasy zwęglają drewno) ph 11 Celuloza bardziej odporna na korozję chemiczną niż lignina i hemiceluloza 22

23 Chemia bitumów Materiały bitumiczne są to mieszaniny stałych i ciekłych węglowodorów oraz ich pochodnych, występują w naturalnych kopalinach stanowią produkty przeróbki paliw stałych (węgla i drewna) oraz ropy naftowej. Największą grupę stanowią lepiszcza: oleje, asfalty smoły i paki 23

24 Asfalty Złożone mieszaniny : Asfaltenów Żywic asfaltowych Olei węglowodorowych Wielkocząsteczkowych kwasów (łańcuchowych i pierścieniowych) Występują w przyrodzie W skałach łupki bitumiczne W skupiskach na powierzchni ziemi jeziora asfaltowe Otrzymywane z przeróbki ropy naftowej; asfalt pozostałość po destylacji mazutu 24

25 Asfalty To układy koloidalne: faza rozpraszająca malteny (składniki oleiste rozpuszczalne w nheptanie M= ) Malteny: Oleje Żywice oleiste Żywice asfaltowe faza rozproszona asfalteny (składniki oleiste nierozpuszczalne w nheptanie, M= ) Żywice asfaltowe asfalteny Micela cząstka koloidalna asfaltu 25

26 Smoły Ciekłe lub półstałe produkty uboczne termicznego rozkładu węgla kamiennego, węgla brunatnego, torfu, drewna itp. oleje smołowe (2/3) żywice smołowe (1/3) paki Skład chemiczny: węglowodory aromatyczne jedno lub wielopierścieniowe i ich pochodne (fenole, anilina, pirydyna) Smoła podobnie jak asfalt jest układem koloidalnym, żywice smołowe faza rozpraszana oleje lekkie faza rozpraszająca 26

27 Asfalty Korozja materiałów bitumicznych Odporne na działanie wodnych środowisk agresywnych Twarde asfalty ulegają działaniu silnych utleniaczy (stęż. HNO 3, stęż. H 2 SO 4, Cl 2, Br 2 ) Ulegają zmiękczaniu pod wpływem stężonych zasad Rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych Pod wpływem tlenu i światła starzeją się (produkty rozpuszczalne mają odczyn kwaśny, są agresywne w stosunku do metali) Smoły i paki Większa reaktywność niż asfaltów (reaktywne grupy funkcyjne) i większa podatność na niszczenie 27

28 Tworzywa sztuczne produkty, których głównym składnikiem są związki wielkocząsteczkowe Naturalne modyfikowane chemicznie Syntetyczne otrzymane na drodze polireakcji Związek wielkocząsteczkowy naturalny dodatki = naturalne tworzywo (żywica naturalna) modyfikowane Dodatki: wypełniacze, zmiękczacze, pigmenty i barwniki, stabilizatory, środki antyelektrostatyczne 28

29 POLIMERYZACJA Reakcja łańcuchowa Trzy etapy: Inicjowanie Y* CH 2 =CH 2 YCH 2 CH 2 * Wzrost łańcuha YCH 2 CH 2 * CH 2 =CH 2 YCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 * itd. nch 2 =CH 2 [CH 2 CH 2 ] n eten (etylen) polietylen Zakończenie wzrostu łańcucha poprzez dezaktywację rodników (rekombinację). 29

30 Polikondensacja reakcja z wydzielaniem produktu ubocznego, np.: H 2 O, NH 3, HCl, CO 2 itp. O H O O H O H 2 NRCOH HNRCOH H 2 NRC wiązanie peptydowe NRCOH H 2 O n H 2 NRCOOH H[HNRCNHRCO] n OH (n1)h 2 O poliamid Poliamidy to również produkty polikondensacji diamin z kwasami dikarboksylowymi Do celów konstrukcyjnych, do wyrobu spadochronów, węży strażackich, taśm transportowych, pasów bezpieczeństwa O 30

31 Poliaddycja polimeryzacja wędrowna (podczas tworzenia makrocząsteczki następuje przemieszczenie atomów) Warunkiem jest, by jeden z monomerów zawierał ruchliwy atom np. H, a drugi miał grupę zdolną do jego przyłączenia. O HOROH C=NRN=C HOROH O diol diizocyjanian diol O H[OROCNRNCORO] n H H poliuretan H O 31

32 Korozja tworzyw sztucznych O 2, O 3, spaliny, przemysłowe gazy odlotowe, opady atmosferyczne powodują niszczenie struktury tworzyw Niebezpieczny dla polimerów jest CH 3 COOH (rozpuszczalnik i reagent) Woda przyspiesza proces starzenia tworzyw (wymywa antyutleniacze) Tworzywa wykazują odporność na działanie zasad i kwasów w umiarkowanej temperaturze. Są odporne na działanie rozpuszczalników organicznych, nie rozpuszczają się w wodzie. 32

33 Spoiwa organiczne Lepiszcza bitumiczne Asfalty ponaftowe (naturalne) parafiny alkeny nafteny cykloalkeny, zw. aromatyczne Smoły (produkty destylacji węgla i drewna) benzen, naftalen, fenantren, fenole, aminy, zw. siarki: tiofen tionaftalen Spoiwa żywiczne Utwardzane polikondensacyjnie mocznikowe fenolowe furanowe Utwardzane poliaddycyjnie poliestrowe epoksydowe akrylowe kumarowe poliuretanowe 33