Wyk³aqd 1 - konspekt

ZAŁO

ENIE I CELE PRZEDMIOTU

• Umiej

tno

ść

opisu wła

ciwo

ci stanów materii;

• Rozumienia podstawowych procesów chemicznych
maj

cych znaczenie w budownictwie;

• Zaznajomienie si

ze stosowanymi rozwi

zaniami

ynierii chemicznej w opracowaniu projektów

procesowych;

• Bezpiecznego stosowania materiałów budowlanych oraz
post

powania z materiałami budowlanymi;

• Selekcji i utylizacji odpadów materiałowych w
budownictwie.

WYKŁADY -

Tre

ci kształcenia:

1. Budowa i wła

ciwo

ci gazów, cieczy i ciał stałych. Struktury krystaliczne

i ich defekty. Siły spójno

ci tworzyw jednorodnych i niejednorodnych.

2. Podstawy termodynamiki i kinetyki chemicznej. Stany równowagi

chemicznej.

3. Operacje jednostkowe z udziałem procesów fizykochemicznych.
•

Fizykochemia wody. Podstawy technologii chemicznej. Sposoby

uzdatniania wód naturalnych.

5. Układy koloidalne – otrzymywanie, wła

ciwo

ci, trwało

ść

. Podział

i zastosowania emulsji.

6. Zjawiska powierzchniowe – ich znaczenie w budownictwie.
7. Reakcje chemiczne ze szczególnym uwzgl

dnieniem reakcji hydratacji

i hydrolizy. Chemia mineralnych materiałów budowlanych ze

szczególnym uwzgl

dnieniem materiałów wi

ąŜą

cych.

8.  Procesy korozji tworzyw cementowych.
9.  Chemia tworzyw sztucznych i tworzyw bitumicznych.
10.Chemia metali. Chemiczne

ródła energii elektrycznej. Procesy korozji.

LITERATURA PODSTAWOWA

1. Pauling L., Pauling P., Chemia, PWN, 1998.
2. Barycka I., Skudlarski K., Podstawy Chemii, Wydawnictwo Politechniki

Wrocławskiej, Wrocław, 1993.

3. Czarnecki L., Broniewski T., Henning O., Chemia w budownictwie,

Arkady, Warszawa 1996.

4. Dziadko D., i inni, Laboratorium Chemiczne – Materiały do

wicze

Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin, 1998.

LITERATURA UZUPEŁNIAJ

1. Czarnecki L., i inni,

wiczenia Laboratoryjne z Chemii Budowlanej,

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005.

2. Kowal A.,

widerska - Bró

M.: Oczyszczanie wody, PWN, Warszawa-

Wrocław, 1997.

ZADANIA CHEMII BUDOWLANEJ

Zagadnienia chemiczne, na które napotyka in

ynier

budowlany:

1. Budowa chemiczna jako wyznacznik wła

ciwo

technicznych materiałów budowlanych.

2. Chemiczne metody oceny przydatno

ci materiałów

budowlanych (np. badania chemiczne w normach
budowlanych).

3. Chemiczne uwarunkowania przydatno

ci gruntów

budowlanych oraz chemiczne metody ich poprawy (np.
elektroosmoza, procesy sorpcyjne itp).

ZJAWISKA I PRZEMIANY NATURY CHEMICZNEJ

wyst

puj

podczas:

1. wytwarzania materiałów i elementów budowlanych oraz

utylizacji odpadów na cele budowlane.

2. stosowania materiałów budowlanych przy wznoszeniu

budowli i wykonywaniu robót wyko

czeniowych (np.

procesy wi

zania i twardnienia materiałów wi

ąŜą

cych),

3. u

ytkowania obiektu (np. procesy korozji),

w sytuacjach awaryjnych (np. przebieg reakcji spalania

podczas po

aru),

4. zagro

enia i uci

ąŜ

liwo

ci natury chemicznej w

odniesieniu do wykonawcy i u

ytkownika materiałów

oraz obiektów budowlanych,

5. zagro

enia

rodowiska spowodowane przez przemysł

materiałów budowlanych.

Znamy ju

• podstawowe reguły i zasady obowi

zuj

ce w

chemii

– s

przydatne w procesie zdobywania

wiedzy o charakterze i wła

ciwo

ciach

pierwiastków poszczególnych grup.

• podstawowe zale

ci skutkowo-przyczynowe

- nale

y zna

i rozumie

wła

ciwo

ci danego

pierwiastka, które wi

ąŜą

- z budow

jego atomów,

- formami cz

steczkowymi.

Zapami

taj,

zasady,

reguły,

podziały,

nawet niekiedy prawa,

to najcz

ęś

ciej uogólnienia typowych zachowa

pierwiastków

i zwi

zków w typowych sytuacjach, ( s

wyj

tki).

Podstawowe prawa chemii

dot. zwi

zków chemicznych (Dalton):

1. Pierwiastek – te same atomy
2. Zwi

zek chemiczny - ró

ne atomy

Prawo stosunków stałych
Prawo stosunków wielokrotnych
Prawo zachowania masy (te

energii).

Zapami

taj te

Istniej

odst

pstwa i wyj

tki od wyuczonych prostych

regułek.

Wynikaj

one z rzeczywistych i niezmiennych praw

przyrody.

Skala MIKRO

Wła

ciwo

ci substancji, zawieraj

cej 1 – kilka elementów.

Skala MAKRO

Wła

ciwo

ci substancji, zawieraj

cej wiele elementów

( np.10 ml wody)

Gdzie le

y granica?

WYBRANE JEDNOSTKI SKALI ATOMOWEJ

(Skala mikro)

Masy atomów, j

der atomowych i cz

stek

elementarnych wyra

a si

powszechnie za pomoc

Atomowej jednostki masy,

która jest równa

1/12 masy atomu nuklidu w

gla

dzynarodowa Komisja Chemiczna IUPAC zaleca

symbol u.

atomowej jednostki masy u

wynosz

cej około 1,661 • 10

-27

Symbol „u" od unit (ang.) - jednostka.

sto podaje si

sam

liczb

, nazywaj

c j

WZGL

MAS

ATOMOW

LUB CZ

STECZKOW

Na przykład:

(Na) = 23 oznacza,

e masa atomu sodu jest 23 razy

ksza od atomowej jednostki masy u ( 1/12

masy atomowej

C).

Wzgl

dna masa atomowa

C = 12

JEDNOSTKA ENERGII:

Elektronowolt (eV )

1 eV = 1,602 • 10

-19

• Przemianom chemicznym jednego atomu
(cz

steczki) towarzyszy wymiana z otoczeniem

energii około jednego elektronowolta.

• Przemianom j

drowym towarzyszy pochłanianie lub

wydzielanie energii rz

du megaelektronowoltów

(MeV).

JEDNOSTKA ŁADUNKU ELEKTRYCZNEGO

w skali atomowej jest ładunek elementarny, tzn.
ładunek jednego elektronu.

1 e =1,602.10

-19

DŁUGO

ŚĆ

W SKALI ATOMOWEJ

wyra

a si

za pomoc

podwielokrotnosci metra:

1 nm(nanometr) = 10

-9

m lub

1pm (pikometr)=10

-12

MASA CZ

STECZKOWA

jest to masa cz

steczki zwi

zku lub

pierwiastka chemicznego wyra

ona

w atomowych jednostkach masy.

•

Masa cz

steczkowa = suma mas atomowych

wszystkich atomów wchodz

cych w skład

steczki.

• Masa cz

steczkowa, podobnie jak masa izotopowa i

masa atomowa, jest zwykle zapisywana jako wielko

ść

bezwymiarowa (wzgl

dna).

LICZNO

ŚĆ

SUBSTANCJI

tzn. liczba okre

lonych elementów w okre

lonej

masie substancji, jednostk

jest

mol.

"amount of

substance", jako "liczno

ść

materii" .

Jeden mol zawiera 6,02·10

elementów

( atomów, cz

steczek, fotonów).

MOL

jest to liczba cz

stek równa liczbie atomów zawartych w

12 g (dokładnie) nuklidu w

gla

Liczba cz

stek zawartych w jednym molu jest nazywana

liczb

Avogadra;

wynosi ona 6,0221367·10

± 3,6 ·10

MASA MOLOWA SUBSTANCJI

jest to stosunek masy substancji do jej
liczno

ci; jest to masa jednego mola substancji.

Masa jednego mola ka

dej substancji, jest liczbowo

równa masie atomowej (cz

steczkowej) substancji.

Podobnie jak masa 1 mola w

gla, wyra

ona w

gramach (masa molowa) = 12g ( 12 g/mol ).

Przykład: 1

Oblicz mas

steczkow

i molow

glanu wapnia,

podstawowego składnika wapieni. Ile wynosi masa 10 moli
tego zwi

zku?

Rozwi

zanie:

1. Wzór w

glanu wapnia - CaCO

2. Masa cz

st. wzgl

dna = 40 + 12 + 3 x 16 = 100

Masa cz

st. w u = 100 u

Masa molowa = 100 g/ mol

Masa 10 moli = 10 x 100g/m = 1000g = 1, 000kg

Podobnie mo

na przelicza

wielko

ść

energii i ładunku

elektrycznego ze skali atomowej na molow

1,602 •10

-19

C • 6,02 • 10

mol

-1

= 96 440 C • mol

-1

ładunek 1 elektronu

•

liczba Avogadra = stała Faradaya

Stała Faradaya to ładunek jednego mola elektronów.

BUDOWA MATERII

stki elementarne

stki elementarne s

najprostszymi dotychczas

poznanymi do

wiadczalnie cegiełkami budowy

materii.

Obecnie jest znanych ponad 200 takich cz

stek,

stki elementarne -

cztery grupy:

fotony, leptony, mezony i bariony

(składaj

z kwarków).

Obecnie

stk

elementarn

uwa

a si

stk

, w której

nie mo

na wyró

ć Ŝ

adnej struktury, pomimo,

e jest

ona w stanie rozpa

ść

na inne – bardziej

elementarne.

Model Standardowy

- kwarki ł

w taki sposób,

wypadkowy ładunek powstałej cz

stki jest całkowit

krotno

ładunku elementarnego.

Za koncepcj

istnienia kwarków M.Gell i G.Zweig otrzymali w 1969 roku

nagrod

Nobla.

Według nowej

teorii superstrun

( 80-te lata), ka

da cz

stka

fundamentalna jest przejawem innego rodzaju drga

superstruny.

Istotne znaczenie dla chemicznych wła

ciwo

ci materii

maj

stki, które wchodz

trwale w skład atomu:

tj.

nukleony (neutrony i protony)

oraz

elektrony

Proton,

oznaczony symbolem p, ma dodatni jednostkowy

ładunek elektryczny, mas

około jedno

ci (1,0073 u).

Neutron,

oznaczony symbolem n, ma mas

około jedno

(1,0087 u).

Elektron,

oznaczony symbolem e, ma ujemny ładunek

jednostkowy, mas

ok. 5.10

-4

u .

ELEKTRONOWA STRUKTURA

ATOMÓW

dro atomowe

dro atomowe skupia prawie cał

mas

atomu,

zajmuj

c bardzo mał

obj

ść

Materia j

dra składa si

nukleonów

(protonów i

neutronów).

Rol

ąŜą

w jadrze odgrywaj

mezony

wymieniane mi

dzy protonami a neutronami,

tworz

ce w przestrzeni j

drowej pole mezonowe.

Energia wi

zania j

dra

- miara jego trwało

ci.

W trakcie hipotetycznej syntezy j

dra z protonów i

neutronów nast

puje defekt (ubytek) masy, który jest

miar

energii wi

zania.

Elektronowa struktura atomów

Elektrony

• posiadaj

wła

ciwo

ci korpuskularne, jak i falowe,

• energia wi

zania z pozostał

ęś

atomu to parametr

opisuj

cy elektron w atomie (energia elektronu),

• liczba elektronów w ka

dym atomie jest równa liczbie

protonów w j

drze tego atomu.

• struktura elektronowa atomu, to sposób rozmieszczenia
elektronów w atomie zgodnie z regułami, które rz

tym

rozmieszczeniem.

• Ka

dy stan elektronu w atomie to zasób pewnej energii.

• Dodatkowa energia powoduje

wzbudzenie atomu

przeniesienie elektronu na wy

szy poziom energetyczny.

• Je

eli dostarczona energia jest wystarczaj

co du

a, to

elektron zostanie odsuni

ty poza sfer

przyci

gaj

cego

działania jadra i nast

jonizacja atomu.

• Z wy

szego poziomu elektron samorzutnie wraca do stanu

pierwotnego,

emituj

c jednocze

nie promieniowanie

elektromagnetyczne o odpowiedniej długo

ci fali.

Zachowanie elektronów w atomach zostało

opisane równaniami ruchu falowego.

• Rozwi

zania tych równa

istniej

tylko dla pewnych

okre

lonych warto

ci, tak zwanych

liczb kwantowych.

• Liczby te wyst

puj

w równaniach opisuj

cych stan

elektronu w atomie.

Liczby kwantowe

• Główna liczba kwantowa n kwantuje energi

• Główn

liczb

kwantow

okre

la si

symbolem cyfrowym

lub literowym:
warto

ść

liczby n

1 2 3 4 5 6 7

symbol literowy powłoki K L M N O P Q

Orbitalna (poboczna) liczba kwantowa l

•

kwantuje moment p

du elektronu,

• przyjmuje warto

ci od 0 do n-1.

Orbitalne liczby kwantowe o ró

nych warto

ciach l oznaczamy

symbolami literowymi:

warto

ść

liczby

0 1 2 3 4

symbol literowy podpowłoki s p d f g

Elektrony o tej samej głównej i orbitalnej liczbie kwantowej
nale

Ŝą

do tej samej podpowłoki,

czyli do orbitali typu s czy typu p.

Orbitalem

nazywamy funkcj

falow

(

) opisuj

stan elektronu w atomie.

Posługuj

c si

funkcj

ą Ψ

na sporz

dzi

rysunki

przedstawiaj

ce rozmieszczenie elektronów w atomach.

Magnetyczna liczba kwantowa

• kwantuje warto

ść

rzutu momentu p

du na kierunek pola

magnetycznego.

• dla danej orbitalnej liczby kwantowej l, magnetyczna liczba
kwantowa m mo

e przyjmowa

warto

ci od –l poprzez 0 do +l,

czyli 2l+1 warto

ci.

Spinowa magnetyczna liczba kwantowa m

• nieznaczne ró

nice stanu tych elektronów wynikaj

z ich

ruchu obrotowego wokół osi,

• ruch ten mo

e mie

dwa ró

ne kierunki oznaczone jako

+1/2 i -1/2.

• ka

demu orbitalowi mog

odpowiada

dwa elektrony o

trzech wspólnych liczbach kwantowych n, l, i m ró

ce si

spinem.

Zapis elektronowej struktury atomu

Opis struktury elektronowej atomu zawiera informacj

•

o liczbie elektronów ( w elektrycznie oboj

tnym atomie jest

jednoznaczne z rodzajem pierwiastka),

• o sposobie ich rozmieszczenia na powłokach i orbitalach,

•

zakaz Pauliego

pozwala przypisa

demu elektronowi

w atomie zespół czterech liczb kwantowych, okre

laj

cych

jednoznacznie stan energetyczny tego atomu,

•

wszystkie elektrony w nie wzbudzonym atomie lokalizuj

na mo

liwie najni

szych poziomach energetycznych,

• zgodnie z

reguł

Hunda,

w obr

bie jednej powłoki s

obsadzane kolejno podpowłoki s, p, d, f.

Zapis struktury elektronowej atomu w

gla

C mo

na te

przedstawi

graficznie:

• Ka

da klatka przedstawia orbital dost

pny dla dwóch

elektronów.

• Strzałki oznaczaj

elektrony, przeciwne zwroty strzałek

oznaczaj

przeciwne spiny elektronów orbitalu (Zakaz Pauliego).

• Zgodnie z reguł

Hunda dwa elektrony typu p obsadzaj

dwa

kolejne orbitale podpowłoki p.

UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

•

Uporz

dkowanie pierwiastków według wzrastaj

cej liczby

atomowej doprowadziło do utworzenia

układu okresowego

pierwiastków

(D.J. Mendelejew).

• Pierwiastki o podobnych wła

ciwo

ciach s

umieszczone

jeden pod drugim w kolumnach (grupy główne i podgrupy),

• Pierwiastki o stopniowo zmieniaj

cych si

cechach od

metalicznych do niemetalicznych uporz

dkowano w

poziomych szeregach (okresach).

• Numer okresu odpowiada liczbie powłok elektronowych w
atomach danych pierwiastków.

Zasada uporz

dkowania pierwiastków w

układzie okresowym

• Wła

ciwo

ci chemiczne pierwiastka s

jednoznacznie

zdefiniowane przez jego struktur

elektronow

• Pierwiastki o takiej samej budowie powłok walencyjnych
maj

podobne wła

ciwo

ci.

• W układzie okresowym pierwiastki s

uło

one według

wzrastaj

cej liczby protonów, któr

nazywamy liczb

atomow

lub liczb

porz

dkow

OKRESOWO

ŚĆ

WŁA

CIWO

CI PIERWIASTKÓW

Wła

ciwo

ci pierwiastków wynikaj

ze struktury

elektronowej atomów i podlegaj

prawidłom

okresowo

ci.

Dotyczy:

Wła

ciwo

ci atomowych:

energia jonizacji, powinowactwo elektronowe,

elektroujemno

ść

, wymiary atomów i jonów.

Wła

ciwo

ci zespołowych:

stan skupienia, g

sto

ść

, barwa, wła

ciwa pojemno

ść

cieplna itp.

Elektroujemno

ść

Eu wybranych pierwiastków

wyst

puj

cych w materiałach budowlanych

(wg skali Paulinga)

Elektroujemno

ść

jest umown

miar

skłonno

ci atomu do przyci

gania

elektronów podczas tworzenia wi

zania chemicznego.

Okresowo

ść

warto

ciowo

Warto

ciowo

ść

jest to liczba oddawanych lub

przyjmowanych elektronów w procesie tworzenia
wi

zania chemicznego.

Oddawanie elektronów jest jednoznaczne z warto

ciowo

dodatni

– atom staje si

kationem

Przyjmowanie elektronów w celu uzupełnienia oktetu powoduje
nadmiarowy ładunek ujemny – powstaje ujemny jon

anion

Maksymalna dodatnia warto

ciowo

ść

pierwiastka jest na ogół

równa ostatniej cyfrze numeru grupy

STOPIE

UTLENIENIA

- liczba elektronów, które dany atom przekazał lub
przyj

ł od innego atomu w ramach tworzenia z nim

zania chemicznego.

- mo

e tu oznacza

zarówno pełne przekazanie

elektronu innemu atomowi (lub ich grupie), co prowadzi
do powstawania wi

zania jonowego

-lub tylko cz

ęś

ciowe przekazanie elektronów w formie

zania kowalencyjnego.

Przykład :

Oblicz stopie

utlenienia siarki w kwasie siarkowym

, wiedz

c ,

e stopie

utlenienia wodoru wynosi

+1,

a tlenu -2.

Rozwi

zanie:

1. Wzór kwasu siarkowego H

( cz

steczka zwi

zku chemicznego oboj

tna).

1. Bilans ładunków: 0 = 2

(+1) + x + 4

( -2)

x = 8 - 2 = 6

Jest to kwas siarkowy (VI).

Zadanie 1

Napisz wzory tlenków pierwiastków a) I i II grupy oraz
b) VI i VII grupy.

Napisz reakcje tych tlenków z wod

Napisz reakcje produktów a) z b).

Zadanie 2.

Oblicz masy molowe nast

puj

cych zwi

zków: w

glanu

magnezu, wodorow

glanu wapnia, kwasu siarkowego i

zasady sodowej.