Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Chemia budowlana
Wykład 2
Układy złożone (niejednorodne)
Składają się z kilku faz.
Faza – jednolita część oddzielona od pozostałych części powierzchniami rozdziału (granicami faz) różniąca się od nich właściwościami fizycznymi. Mieszaniny jednorodne tworzą jedną fazę (np. mieszaniny gazów).
Mieszaniny wielofazowe mogą być jednoskładnikowe (np. woda, lód i para wodna) natomiast układy jednofazowe mogą być wieloskładnikowe (np. woda wapienna).
Układy złożone (niejednorodne)
Złożone układy rozproszone (dyspersyjne).
Składają się z co najmniej dwóch substancji z których:
• Jedna stanowi fazę rozproszoną w postaci rozdrobnionej (inkluzja),
• Druga jest fazą rozpraszającą (ośrodek ciągły), tak zwaną matrycą, w której rozmieszczone są inkluzje.
Szczególna sytuacja może występować na granicy dwóch faz (I i II). Jeśli cząstki A skupiają się głównie na granicy fazy I to mówimy o adsorpcji dodatniej, a jeśli cząstki A wnikają w głąb fazy I i nielicznie występują na granicy fazy to mówimy o adsorpcji ujemnej.
Jeśli cząstki A wnikają do całej fazy I i są przez nią równomiernie pochłaniane wówczas mówimy o absorpcji.
Charakterystyka układów rozproszonych
Znamiona
Mieszaniny jednorodne – roztwory właściwe – rozpraszanie cząsteczkowe
Układy niejednorodne – koloidalne – rozpraszanie nadcząsteczkowe
Układy niejednorodne – zawiesiny – rozpraszanie makroskopowe
Wielkość cząstek <1 nm 1-103 nm > 1 μm
Liczba atomów w cząsteczce
1-103 103-109 > 109
Rozdzielność przez sączenie
niemożliwa Ultrasączenie
(specjalne sączki) rozdzielne
Rozpoznawalność optyczna
W mikroskopie elektronowym tylko
największe cząsteczki
Mikroskop elektronowy bądź
ultramikroskop
Mikroskop, lupa a duże cząstki nawet
gołym okiem
Charakterystyka układów rozproszonych
Faza Układy wielofazowe Układy
jednofazowe
rozpraszająca rozproszona Makroskopowe
> 10-6 m Koloidalne
10-6 – 10-9 m Cząsteczkowe
≤ 10-10 m
Gaz
Gaz brak brak Roztwory
właściwe gazów (np. powietrze)
Ciecz Zawiesina cieczy
w gazie (np. deszcz)
Aerozole ciekłe (np. mgła)
Roztwory z parami cieczy
(np. para wodna)
Ciało stałe Zawiesiny
stałych cząstek w gazie (np. śnieg)
Aerozole stałe (np. dymy)
Roztwory gazów z udziałem par ciał stałych (np.
dwutlenku węgla w powietrzu)
Charakterystyka układów rozproszonych cd.
Faza Układy wielofazowe Układy
jednofazowe
rozpraszająca rozproszona Makroskopowe
> 10-6 m Koloidalne
10-6 – 10-9 m Cząsteczkowe
≤ 10-10 m
Ciecz
Gaz Zawiesiny gazu w
cieczy (piana)
Piany koloidalne (np. piana mydlana)
Roztwory gazów w cieczach(np. woda sodowa)
Ciecz Zawiesina cieczy w
cieczy - emulsje
Emulsje koloidalne(np. farby, lateksy)
Roztwory cieczy(np. woda
królewska)
Ciało stałe
Zawiesiny stałych cząstek w cieczy
(np. mleko wapienne –
zawiesina Ca(OH)2 w wodzie)
Zole, roztwory koloidalne (np. szkło wodne)
Roztwory (np. NaCl w wodzie)
Charakterystyka układów rozproszonych cd.
Faza Układy wielofazowe Układy
jednofazowe
rozpraszająca rozproszona Makroskopowe
> 10-6 m Koloidalne
10-6 – 10-9 m Cząsteczkowe
≤ 10-10 m
Ciało stałe
Gaz
Zawiesiny gazu w ciele stałym (np.
pumeks, styropian, keramzyt)
Stałe piany koloidalne (np.
stwardniały zaczyn
cementowy)
Roztwory gazów w ciałach stałych
(np. wodór w stali)
Ciecz
Zawiesina cieczy w ciele stałym (np.
zawilgocony gazobeton)
Stałe emulsje (np. kryształy z zaokludowaną
wodą)
Roztwory cieczy w ciałach stałych
(np. woda sieciowa w kryształach)
Ciało stałe
Zawiesiny stałych cząstek w ciele
stałym (np. kompozyty budowlane
włókniste, laminaty))
Stałe zole, (np. kryształy z inkluzjami)
Kryształy mieszane (np. apatyt, topaz)
Układy złożone (niejednorodne)
Kompozyty budowlane z wypełnieniem ziarnistym (betony) lub włóknistym (laminaty) są przykładem zawiesin niejednorodnych makroskopowych, w których występuje duży udział fazy rozproszonej (>80%). Właściwości kompozytów nie są prostą sumą ich składników (ma tu wpływ współdziałanie składników np. orientacja na granicy faz czy adhezja).
W układach koloidalnych zawartość fazy rozproszonej jest niewielka (od 0,01 do 7,5% wagowo).
Układy koloidalne
Można uzyskać je metodami:
Dyspersyjnymi – np. mechaniczne rozdrobnienie bądź rozdrobnienie za pomocą ultra dźwięków cząstek do rozmiarów koloidalnych
Kondensacyjnymi – tworzenie agregatów cząstek w wyniku reakcji chemicznych
Na2SiO3 + 2H2O → H2SiO3 + 2NaOH
W reakcji polimeryzacji można otrzymać wodne roztwory polimerów (np. polioctan winylu), których cząstki ze względu na rozmiar odpowiadają koloidom. Formalnie jest to układ ciecz-ciecz sztywna czyli emulsja jednak zwyczajowo nazywany jest układem koloidalnym.
koloid
Układy koloidalne
Układy koloidalne możemy podzielić na:
Liofilowe – cząsteczki są solwatowane przez cząsteczki fazy rozpraszającej
Liofobowe – cząstki nie są solwatowane
Cząstki koloidalne odznaczają się cechami:
- Pozostają w ciągłym nieuporządkowanym ruchu – ruchy Browna
- Nie przenikają poprzez błony półprzepuszczalne, przez które przechodzi rozpuszczalnik – dializa
- Są obdarzone ładunkiem elektrycznym i pod wpływem pola przemieszczają się – zjawisko elektroforezy
- W przypadku unieruchomienia fazy rozproszonej (polem elektrycznym) przemieszcza się ciecz – elektroosmoza.
Układy koloidalne
Lepkość układów koloidalnych jest większa od lepkości rozpuszczalnika; 1% roztwór koloidalny ma lepkość dwukrotnie większą od rozpuszczalnika.
Układ koloidalny → duża powierzchnia wewnętrzna; tendencja do koagulacji
ZOL ŻEL
KOAGULACJA (ŻELOWANIE) KOAGULACJA (ŻELOWANIE)
PEPTYZACJA (DYSPERGOWANIE)
PEPTYZACJA (DYSPERGOWANIE)
Układy koloidalne
Koagulacji przeszkadzają ładunki elektryczne zgromadzone na micelach. Szybką koagulację można wymusić poprze dodanie elektrolitu zobojętniającego ładunki miceli.
Ogromne rozwinięcie powierzchni wewnętrznej przyspiesza przemiany chemiczne w układach koloidalnych (zwłaszcza reakcje ciał stałych).
Twardnienie i wiązanie zaczynu cementowego → powstawanie żeli krzemianów-, glinianów i żelazianów wapniowych.
Skurcz betonu podczas suszenia i pęcznienie podczas nasiąkania spowodowane jest z obecnością składników żelowych kamienia cementowego.
Wysychanie farb olejnych i lakierów to proces koagulacji.
Układy koloidalne
W wyniku naturalnej koagulacji powstają znaczne ilości zewnętrznej warstwy skorupy ziemskiej.
W morskich ujściach rzek zachodzi koagulacja na dużą skalę tworząc iły glinokrzemianowe (np. kaolinit, montmorylonit)
Układy koloidalne
Cechą szczególną niektórych żeli jest tiksotropia – upłynnienie pod wpływem sił ścinających.
Jest to efekt pożądany w przypadku np. przy nanoszeniu powłok malarskich na pionowe ściany lub upłynnienie żelu ułatwia zabijanie pali fundamentowych w gruncie.
Z drugiej strony tiksotropia może być niepożądana np. osunięcia dróg na gruntach ilastych na skutek drgań pochodzących od przejeżdżających samochodów i/lub nasłonecznienia. Zapobiega się temu dodając do gruntu wapna (jony Ca2+ powodują koagulację cząstek gliny a większe agregaty cząstek są mniej podatne na poślizg).
Układy koloidalne
Inną charakterystyczną cechą układów koloidalnych jest tak zwana dylatancja. Na skutek ruchu pod obciążeniem początkowo szczelnie upakowany układ cząstek ulega rozluźnieniu. Układ o zwiększonej jamistości może wchłonąć 2x więcej płynów co powoduje wzrost „więźliwości” układu a w konsekwencji wzrasta sztywność.
Kulowy model dylatancji
Przemiany fazowe
Przemianę fazową stanowi każda zmiana stanu skupienia: topnienie, krzepnięcie, parowanie, skraplanie, sublimacja, resublimacja a także alotropowe i polimorficzne zmiany struktury krystalicznej oraz przejście z fazy ciągłej do rozproszonej (rozpuszczanie) i odwrotnie (krystalizacja). Nowa faza może powstać lub zaniknąć w wyniku reakcji chemicznej.
Każdej z tych przemian towarzyszy zmiana energii wewnętrznej układu odpowiadająca energii wymienionej na sposób ciepła układu z otoczeniem.
Przemiany fazowe
Przemiany fazowe
Stan układu określają parametry stanu: temperatura (T), ciśnienie (p), jakość i ilość składników (s), liczba faz (f), stężenia poszczególnych składników w fazie (ci).
Układ znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej jeśli dowolnie długo nie występują w nim żadne zmiany co wymaga spełnienia trzech równowag cząstkowych:
1. Równowaga termiczna (w całym układzie oraz pomiędzy układem a otoczeniem nie występuje różnica temperatury),
2. Równowaga chemiczna – wszystkie reakcje chemiczne w układzie zostały zakończone tzn. skład chemiczny układu pozostaje niezmieniony,
3. Równowaga mechaniczna – siły działające w układzie oraz między układem a otoczeniem są zrównoważone.
Przemiany fazowe, reguła faz Gibbsa
Dopuszczalną zmienność układu określa jego liczba stopni swobody tj. liczba parametrów, które można zmienić w pewnych granicach zachowując strukturę układu bez przemian fazowych. Liczbę tę określa reguła faz Gibbsa:
z=s-f-r+2
s – liczba składników układu (najmniejsza liczba substancji chemicznych koniecznych do wytworzenia układu); f – liczba faz; r – liczba przebiegających niezależnych reakcji chemicznych
Równowagi fazowe układów jednoskładnikowych przedtawiamy na wykresie T→p, a układu dwuskładnikowe T→c.
Przemiany fazowe, reguła faz Gibbsa
Przemiany fazowe, układ eutektyczny
Przemiany fazowe, trójkąt stężeń Gibbsa
1. Skała kwarcytowa – kamień budowlany, 2. gliny ceramiczne, 3. trass, 4. ogniotrwałe materiały glinokrzemianowe, 5. szkło, 6. żużle kwaśne, 7. żużle zasadowe, 8. cement portlandzki 9. cement glinowy
Termomechaniczna charakterystyka materiałów budowlanych
Charakterystyka termomechaniczna – zmiana wartości różnych cech w zależności od zmiany temperatury. Jest to szczególnie istotne dla cieczy sztywnych dla których temperatury przemian fazowych nie są tak wyraźne jak dla materiałów krystalicznych.
Własności termomechaniczne mają charakter funkcji, której argumentem jest temperatura a zmienną zależną rozpatrywana cecha (np. odkształcalność, moduł sprężystości, wytrzymałość, twardość, kruchość).
Przemiana fazowa cieczy sztywnych to przemiana II rzędu i zachodzi w pewnym zakresie temperatury. Zakres ten może być bardzo szeroki: może wynosić kilkadziesiąt stopni (asfalty), ok stu stopni (polimery, tworzywa sztuczne), znacznie przekraczać 100 stopni (szkła).
Termomechaniczna charakterystyka materiałów budowlanych
Zależność odkształcenia od temperatury
1. Polimer usieciowiony, 2. polimer nieusieciowiony,
Termomechaniczna charakterystyka materiałów budowlanych
Dla racjonalnego stosowania materiałów ważne jest w którym zakresie krzywej termomechanicznej się znajdujemy w warunkach użytkowania (ważny także aspekt przetwórstwa danego materiału).
Szkło – TG SiO2 ≈ 1200oC, TG sodowo wapienne ≈ 550oC
Polimery termoplastyczne – użytkowane są w obszarze przemian fazowych, np. polichlorek winylu jest kruch <-20oC, odkształca się pod własnym ciężarem w ok 60oC
Bitumy – także użytkowane są w obszarze przemian fazowych, kruche <-5oC, z pionowych powierzchni potrafią spływać w temperaturze 40oC (Tm asfaltu powinna być o 40o wyższa od maksymalnej przewidywanej temperatury użytkowej)