VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ PAVLA ROVNANÍKOVÁ PAVEL ROVNANÍK STAVEBNÍ CHEMIE

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ PAVLA ROVNANÍKOVÁ PAVEL ROVNANÍK STAVEBNÍ CHEMIE MODUL 2 ANORGANICKÁ CHEMIE A CHEMIE ANORGANICKÝCH STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

2 Stavební chemie Modul M02 Pavla Rovnaníková, Pavel Rovnaník, (48) -

3 Obsah OBSAH 1 Informace k modulu M Cíle Požadované znalosti Metodický návod na práci s textem Uhlík Fyzikální a chemické vlastnosti uhlíku Binární sloučeniny uhlíku Kyselina uhličitá Soli kyseliny uhličité (uhličitany) Autotest Křemík Fyzikální a chemické vlastnosti křemíku Sloučeniny křemíku Sklo Organokřemičité sloučeniny Autotest Chemické složení surovin pro stavebnictví Suroviny primární Křemen, křemičitany a hlinitokřemičitany Uhličitany Sírany Suroviny druhotné Popílky Strusky Křemičité úlety (mikrosilika) Odpadní sádrovce Ostatní odpady Autotest Chemie anorganických stavebních pojiv Vzdušné maltoviny Sádra Hořečnatá maltovina Vzdušné vápno Hydraulické maltoviny Hydraulické vápno Pucolány Portlandský cement Hlinitanový cement Autotest Klíč k úkolům Studijní literatura (48) -

4 Stavební chemie Modul M Seznam použité literatury Seznam doplňkové studijní literatury Informace k modulu M Cíle Cílem modulu je seznámit studenty s chemickými vlastnosti stavebních látek. Modul začíná popisem vlastností uhlíku, který je základním prvkem mnoha organických a anorganických sloučenin, které lze nalézt ve stavebnictví, a křemíku, který je základem silikátových stavebních materiálů. V dalších kapitolách je pak věnována pozornost chemickým vlastnostem surovin pro stavebnictví, a to jak přírodním, tak druhotným. Na tuto kapitolu pak navazuje seznámení s chemickými vlastnostmi vzdušných a hydraulických pojiv. 1.2 Požadované znalosti Pro studium tohoto modulu je nezbytná znalost obecné chemie, uvedené v modolu M Metodický návod na práci s textem Náplň tohoto modulu studujte až po zvládnutí látky v předchozím modulu. Po naučení kapitoly si zodpovězte kontrolní otázky, zkuste si napsat uvedené chemické rovnice. Zároveň splňte uvedené úkoly. Na konci celé kapitoly si ověřte znalosti autotestem. Výsledky úkolů a autotestu jsou uvedeny v Klíči na straně 48. Odpovědi na kontrolní otázky najdete v textu příslušné kapitoly. - 4 (48) -

5 Uhlík 2 Uhlík Cíl kapitoly: Tato kapitola bude zaměřena na významný prvek periodické soustavy, uhlík. Dozvíte se výběr jeho fyzikálních a chemických vlastností a seznámíte se také s jeho anorganickými sloučeninami, které jsou významné ve stavebnictví. Klíčová slova: diamant, grafit, karbidy, kyselina uhličitá, uhličitany Uhlík je důležitým prvkem na Zemi a jeho výskyt ho řadí na 17. místo. V přírodě se vyskytuje jako volný (grafit, diamant) nebo vázaný ve sloučeninách (hlavně uhličitany) a CO 2, dále je hlavní prvek v uhlí, ropě a zemním plynu a je součástí všech organických látek. Elementární amorfní uhlík je technicky vyráběn ve formě koksu, sazí a aktivního uhlí. 2.1 Fyzikální a chemické vlastnosti uhlíku Uhlík se v přírodě vyskytuje převážně jako izotop 12 C, který obsahuje 1,01 až 1,14 % izotopu 13 C a 1, % radioaktivního izotopu 14 C. Radioaktivní uhlík 14 C se využívá ke stanovení stáří biologického materiálu, jenž byl vyňat z koloběhu uhlíku v přírodě, na základě poklesu jeho aktivity. Elektronegativita uhlíku je 2,5 a její hodnota je velmi blízká elektronegativitám většiny nekovů, a proto je s nimi vázán nepolární kovalentní vazbou. Z jeho elektronové konfigurace také vyplývá, že ve sloučeninách se vyskytuje nejčastěji jako čtyřvazný. Uhlík jako diamant je za normální teploty krajně nereaktivní. Grafit vlivem přístupnější vrstevnaté mřížky je ochoten reagovat i za normální teploty. Za vyšších teplot reaguje uhlík s mnoha prvky včetně vodíku, fluoru, síry, boru a mnoha kovů. Uhlík se často používá k přímé redukci kovů, např. při výrobě železa ve vysoké peci. Kontrolní otázky Co je to vaznost atomu a čím je dána nízká polarita vazeb mezi uhlíkem a většinou ostatních atomů? Jaké důsledky má vrstevnatá struktura grafitu na jeho fyzikální vlastnosti? 2.2 Binární sloučeniny uhlíku Uhlík tvoří binární sloučeniny s většinou prvků periodické tabulky. Binární sloučeniny uhlíku s kovem se nazývají karbidy. Nejdůležitější sloučeninou této skupiny je karbid vápníku, CaC 2, který se vyrábí ve velkém měřítku endotermickou reakcí vápna a koksu a slouží jako základní surovina pro výrobu etinu (acetylenu). CaO + 3 C CaC 2 + CO Následnou hydrolýzou vzniká etin (acetylen) a odpadní produkt, tzv. karbidové vápno, které se používá ve stavebnictví všude tam, kde běžně vyráběné vápno hašené. - 5 (48) -

6 Stavební chemie Modul M02 CaC H 2 O C 2 H 2 + Ca(OH) 2 Uhlík tvoří dva stálé oxidy: oxid uhelnatý, CO, který vzniká přímou oxidací uhlíku za nedostatku kyslíku a oxid uhličitý, CO 2, který vzniká v přebytku kyslíku. Obě sloučeniny jsou chemicky velmi reaktivní a mnohé reakce mají značný průmyslový význam. Oxid uhelnatý, je velmi jedovatý, tvoří s krevním barvivem hemoglobinem velmi stabilní sloučeninu karbonylhemoglobin, čímž zamezuje možnosti přenášet kyslík k orgánům. Dochází tak k zadušení organizmu. CO je také součástí topných průmyslových plynů (vodního a generátorového). Oxid uhličitý. V atmosféře je uhlík vázán ve formě oxidu uhličitého, jenž je spojen s rostlinnou biosférou fotosyntézou. záření 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 chlorofyl CO 2 vzniká při dýchání živočichů a také se uvolňuje při mikrobiálním rozkladu, kvašení a při hoření organických látek. Velké množství je produkováno činností člověka, zejména spalováním fosilních paliv a kalcinací vápence ve vápenkách a cementárnách. Celosvětová roční produkce CO 2 z výroby cementu v roce 1995 činila 1,4 bilionů tun, což představuje 7 % celkového ročního množství. CO 2 je bezbarvý plyn bez zápachu, rozpustný v vodě, který lze snadno převést do pevného stavu. Pevný oxid uhličitý, pro svůj vzhled nazývaný též suchý led" se používá jako chladící medium v potravinářství a chemickém průmyslu. Plynný se používá na výrobu močoviny a jako hnací plyn do aerosolových rozprašovačů. Je těžší než vzduch a nehoří, proto se používá také k hašení. Oxid uhličitý je důležitá látka také ve stavebnictví, neboť ovlivňuje životnost betonu, vápenných omítek, malt a stavebního kamene, zejména vápenců a pískovců. O jeho vlivu se dozvíte v kapitolách věnovaných stavebním materiálům. 2.3 Kyselina uhličitá Kyselina uhličitá, H 2 CO 3, je velmi slabá kyselina, jež vzniká rozpouštěním oxidu uhličitého ve vodě. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Interpretace acidobazických vlastností tohoto systému je komplikována pomalým průběhem některých reakcí a jejich závislostí na ph. Hlavními reakcemi přitom jsou: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 (pomalá) H 2 CO 3 + OH HCO 3 + H 2 O (rychlá) ph < 8 HCO 3 + OH CO H 2 O (rychlá) ph > 8 Všechny tyto reakce jsou významné v intervalu ph 8 až 10. Disociační konstanty kyseliny uhličité při 25 C jsou K 1 = 4, , K 2 = 4, (48) -

7 Uhlík Z disociačních konstant vyplývá, že kyselina uhličitá je velmi slabou kyselinou. Kontrolní otázky Které binární sloučeniny uhlíku znáte? Kde vzniká oxid uhličitý? Co vzniká při fotosyntéze? Úkol 1.1 Napište rovnici neutralizace kyseliny uhličité hydroxidem sodným. 2.4 Soli kyseliny uhličité (uhličitany) Od kyseliny uhličité lze odvodit dvě řady solí, kyselé hydrogenuhličitany a uhličitany. Uhličitany jsou až na uhličitany alkalických kovů ve vodě málo rozpustné. Uhličitan sodný ( soda ) a draselný ( potaš ) lze tavit bez rozkladu, ostatní uhličitany se však v žáru rozkládají na příslušný oxid a CO 2. Příkladem takového rozkladu je výroba vápna. CaCO 3 CaO + CO 2 Uhličitany alkalických kovů reagují ve vodném roztoku v důsledku hydrolýzy zásaditě: Na 2 CO 3 + H 2 O 2 Na + + HCO 3 + OH Hydrogenuhličitany jsou v pevné formě známy jen u alkalických kovů a jsou ve vodě dobře rozpustné. Ionty HCO 3 se vyskytují ve vodách přírodních, ale také pitných a odpadních a mají velký význam svým tlumivým účinkem, tzn. že tlumí změnu ph po přídavku kyseliny nebo zásady. Z vody je lze odstranit varem za tvorby příslušného uhličitanu, což je doprovázeno tvorbou tzv. vodního kamene. Do přírodních vod se dostávají především rozkladem uhličitanů (vápenec, dolomit) působením vody obsahující oxid uhličitý: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca HCO 3 Tato reakce je také hlavní podstatou krasových jevů. Poznámka S uvedenou rovnicí se setkáte na dalších místech studijního materiálu - koroze vápenných pojiv a betonu a odstraňování přechodné tvrdosti vody 2.5 Autotest 1. Uhlík se ve všech sloučeninách vyskytuje jako a) pětivazný b) čtyřvazný c) jednovazný - 7 (48) -

8 Stavební chemie Modul M02 d) trojvazný 2. Kyselina uhličitá a) je silná kyselina b) je slabá kyselina c) tvoří dvě řady solí d) nereaguje se silnými zásadami 3. Uhličitany alkalických kovů a) jsou ve vodě málo rozpustné b) se v přírodě nevyskytují c) reagují ve vodném roztoku neutrálně d) se silnými kyselinami reagují za tvorby oxidu uhličitého 4. Bude-li působit CO 2 na CaCO 3, pak a) vznikne nerozpustný Ca(HCO 3 ) 2 b) vznikne rozpustný Ca(HCO 3 ) 2 c) sloučeniny spolu nereagují d) vznikne hydrogenuhličitan, který lze z roztoku odstranit varem 5. Které izotopy tvoří uhlík? a) 14 C b) 6 C c) 12 C d) 13 C 6. Co vznikne povařením roztoku hydrogenuhličitanu vápenatého? a) hydrogenuhličitan hořečnatý b) hydroxid vápenatý c) nerozpustný uhličitan vápenatý d) tzv. vodní kámen - 8 (48) -

9 Křemík 3 Křemík Cíl kapitoly: Následující kapitola bude věnována nejvýznamnějšímu prvku ve stavebnictví, jímž je křemík. Dozvíte se výběr jeho fyzikálních a chemických vlastností a seznámíte se také se sloučeninami, které jsou základem stavebních materiálů. Budete vědět, co je to sklo, jak se vyrábí a jaké jsou jeho vlastnosti. Klíčová slova: oxid křemičitý, křemen, křemičitany, kyseliny křemičité, sklo Křemík je po kyslíku nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře (obsah ~25 %). V přírodě se nikdy nevyskytuje volný, ale nachází se vždy v podobě sloučenin s kyslíkem. Základní stavební jednotka SiO 4 se vyskytuje jako izolovaná skupina, v řetězcích, zdvojených řetězcích, cyklech, vrstvách nebo trojrozměrných strukturách. 3.1 Fyzikální a chemické vlastnosti křemíku Převládajícím izotopem křemíku je 28 Si, který doprovázejí 29 Si a 30 Si. Další izotopy jsou nestabilní. Vyznačuje se modrošedým, kovovým leskem. Projevuje se jako polovodič a našel obrovské uplatnění v elektrotechnice. Za normální teploty křemík nereaguje s vodou, kyselinami ani kyslíkem. Snadno se rozpouští v horkých vodných roztocích alkalických hydroxidů za vzniku křemičitanového iontu Si + 4 OH SiO H 2 Na rozdíl od odolného pevného křemíku je v roztavené formě mimořádně reaktivním materiálem: tvoří slitiny a silicidy s většinou kovů a rychle redukuje většinu kovových oxidů. 3.2 Sloučeniny křemíku Křemík tvoří s uhlíkem binární sloučeninu, karbid křemíku, SiC, jenž se vyznačuje značnou tvrdostí. Vyrábí se redukcí velmi čistého oxidu křemičitého malým přebytkem koksu v elektrické peci při 2000 až 2500 C. SiO2 + 2 C Si + C SiC Si + 2 CO Používá se jako brusivo a pro vysokou pevnost a chemickou stálost v žáru se používá jako žárovzdorný materiál, který má velmi nízký koeficient teplotní roztažnosti. S kontrolovaným množstvím nečistot je využíván také v elektrotechnice jako tranzistor. Nejrozšířenější sloučeninou křemíku je oxid křemičitý, SiO 2, který je také základní sloučeninou silikátové chemie. Vyskytuje se v amorfní i krystalické formě. Amorfní SiO 2, např. v opálu a chalcedonech, je příčinou poruch betonu vznikem alkalicko silikátového gelu (více v M03, kap. 2.7). Hlavní krystalické - 9 (48) -

10 Stavební chemie Modul M02 modifikace SiO 2 se skládají z nekonečných seskupení tetraedrů {SiO 4 }, vzájemně spojených kyslíkovými atomy. Oxid křemičitý tvoří tedy velkou makromolekulu, ve které na jeden atom Si připadají dva atomy kyslíku. Se zvyšující se teplotou se mění krystalové modifikace SiO 2 až k tavenině. 867 C 1470 C β-křemen β-tridymit β-cristobalit 573 C α-křemen tavenina 1723 C Za normální teploty je nejstabilnější β-křemen, ostatní modifikace SiO 2 jsou pak metastabilní. Při vysoké teplotě taje oxid křemičitý na hustou taveninu, jejímž ochlazením vzniká křemenné sklo, které má malou tepelnou roztažnost (18krát menší než obyčejné sklo) a propouští ultrafialové záření. Pro svoji chemickou odolnost se využívá na výrobu speciálního chemického skla a na trubice rtuťových výbojek. V přírodě se vyskytuje jako křemen. Mezi barevné odrůdy křemene patří ametyst (fialový), růženín (růžový), citrín (žlutý), záhněda (hnědý), bezbarvý čirý křemen se nazývá křišťál. Křemen je chemicky odolný vůči všem kyselinám s výjimkou HF. V horkých koncentrovaných roztocích alkalických hydroxidů se pomalu rozpouští, rychleji se rozpouští v jejich taveninách. SiO 2 reaguje za vysoké teploty s oxidy kovů a polokovů za vzniku křemičitanů, které mají velký význam ve sklářské technologii a keramice. SiO HF SiO OH SiF H 2 O SiO H 2 O Další významnou sloučeninou křemíku je kyselina tetrahydrogenkřemičitá, H 4 SiO 4, která vzniká hydrolýzou chloridu křemičitého SiCl H 2 O H 4 SiO HCl Ve vodném roztoku není schopna samostatné existence, a proto její molekuly začínají ihned po svém vzniku kondenzovat. Dvě molekuly H 4 SiO 4 se spojí vytvořením vazby Si-O-Si a uvolněním molekuly H 2 O na kyselinu dikřemičitou: 2 H 4 SiO 4 H 6 Si 2 O 7 + H 2 O Kondenzace pokračuje dále, takže za několik dní jsou v roztoku přítomny pouze vysokomolekulární polymery kyseliny křemičité (polykřemičité). Polykřemičité kyseliny se zjednodušeně vyjadřují jako kyselina dihydrogenkřemičitá, H 2 SiO 3, ale lze ji vyjádřit rovněž jako oxid křemičitý hydratovaný do neurčitých stupňů SiO 2 xh 2 O. Z vodných roztoků se vylučuje jako měkký, průsvitný rosolovitý gel, jenž obsahuje velký počet molekul vody (na 1 mol SiO 2 se váže až 330 mol H 2 O). Odvodněním gelu vzniká pórovitá látka s velkým vnitřním povrchem (xerogel), tzv. silikagel. Je to látka, která má adsorpční vlastnosti podobně jako aktivní uhlí (48) -

11 Křemík Disociace roztoků kyseliny křemičité závisí na ph. Do ph = 9 se vyskytuje převážně ve formě nedisociované H 4 SiO 4, při ph = 9 12 disociuje do prvního až třetího stupně a při ph >12 jsou v roztoku přítomny pouze ionty SiO 4 4. Kyselina křemičitá se vylučuje ve formě gelu z roztoků rozpustných křemičitanů již tak slabou kyselinou jako je kyselina uhličitá Na 2 SiO 3 + H 2 CO 3 SiO 2 H 2 O + Na 2 CO 3 Křemičitany (silikáty) jsou látky vesměs ve vodě nerozpustné až na křemičitany alkalických kovů Na 2 SiO 3 a K 2 SiO 3. Křemičitany vápenaté, hlinité, železité jsou rozpustné v kyselinách a jsou pak součástí přírodních minerálních surovin pro průmysl stavebních hmot. Všechny křemičitany lze rozpustit v koncentrovaných roztocích alkalických hydroxidů nebo za vysokých teplot v jejich taveninách. CaSiO NaOH Na 2 SiO 3 + Ca(OH) 2 Z toho vyplývá, že silikátové materiály (např. beton) je nutno chránit před působením hydroxidů alkalických kovů (např. v chemickém průmyslu, papírnách apod.) Vzorce křemičitanů lze psát CaSiO 3 ~ CaO SiO 2 Ca 2 SiO 4 ~ 2CaO SiO 2 V chemii maltovin se vzorce zkracují užíváním dohodnutých symbolů pro jednotlivé oxidy, funkční skupiny a vodu: CaO ~ C SiO 2 ~ S Al 2 O 3 ~ A Fe 2 O 3 ~ F MgO M H 2 O ~ H tedy CaO SiO 2 ~ CS 2CaO SiO 2 ~ C 2 S 3CaO SiO 2 ~ C 3 S 3CaO Al 2 O 3 ~ C 3 A 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 ~ C 4 AF Tato symbolika je používána v odborné literatuře celosvětově. Kontrolní otázky V čem je možné rozpustit oxid křemičitý a jaké znáte rozpustné křemičitany? Jakou strukturu má SiO 2? Úkol 2.1 Napište ve zkrácených vzorcích následující sloučeniny: 3Al 2 O 3 2SiO 2, MgO SiO 2, 2CaO Al 2 O 3 SiO Sklo Sklo je pevná amorfní, homogenní, zpravidla průhledná látka, s malou tepelnou vodivostí, vysokou nepropustností a odolností proti vodě, vzduchu a dalším látkám (48) -

12 Stavební chemie Modul M02 Základní surovinou pro výrobu skla je křemen (sklářský písek), který musí být velmi čistý. Pro výrobu stavebního skla se přidává ještě Na 2 CO 3 a CaCO 3. Suroviny se mísí v přesném poměru na tzv. sklářský kmen, který se roztaví ve sklářské peci při teplotě 1000 až 1500 C. Při tavení se uvolňuje CO 2, kterým je tavenina prostoupena. Bublinky CO 2 se odstraní čeřením. Sklovina se zpracovává foukáním, tažením, litím a lisováním. Hotové výrobky se chladí v pecích pro pozvolné chlazení, aby se v nich vyrovnalo vnitřní pnutí a nedocházelo k jejich praskání. Obyčejné sklo sodnovápenaté, lehce tavitelné, má přibližné složení Na 2 O CaO 6SiO 2. Po ochlazení nemá pravidelné uspořádání. Vytváří se nepravidelná síť z tetraedrů SiO 4, do níž vstupují nahodile sodné a vápenaté ionty. Vysoká teplota tání křemene (1723 C) se přítomností oxidů kovů sníží tak, že sklo lze zpracovávat při 600 C. Sklo má velmi široký interval teploty měknutí. Stavební sklo se vyrábí lisováním. Jsou to zejména dlaždice, střešní tašky, duté cihly nebo stěnové prvky. Z taveniny čistého SiO 2 (1723 C) se vyrábí jednosložkové křemenné sklo, které je málo citlivé ke změnám teplot, velmi chemicky odolné a na rozdíl od vícesložkových skel propouští UV záření. Používá se na výrobu speciálních aparatur pro chemický průmysl. Ve stavebnictví se používají také skleněná vlákna, určená především k izolacím. Do izolačních prvků jako rozptýlená výztuž se používají vlákna alkalivzdorná, která obsahují ZrO 2. Český křišťál je sklo draselnovápenaté, kde je ve sklářském kmenu Na 2 CO 3 nahrazen K 2 CO 3. Speciální skla obsahují oxidy, které upravují vlastnosti skla pro dané účely. Pro úpravu vlastností se používají především B 2 O 3, Al 2 O 3 a PbO, naopak pro barvení skla se přidávají barvící oxidy, např. CoO (modře), Cr 2 O 3 (zeleně), Fe 2 O 3 (hnědě), Cu 2 O (červeně). Vodní sklo je název pro tavené sklo, ale také kapalinu, vzniklou jeho rozpuštěním ve vodě. Molární poměr (tzv. silikátový modul) M s = SiO 2 /Na 2 O se pohybuje v rozmezí 3,2 až 3,3, tj. obsah SiO 2 činí asi 76 % hmot. Jedná se tedy v podstatě o roztok křemičitanu sodného nebo draselného. Sodnokřemičité sklo se taví z křemenného písku a Na 2 CO 3 při teplotě 1300 až 1400 C. Sklovina vytékající z pece se granuluje ochlazováním vodou. Takto utavené sklo se převádí do roztoku po rozdrcení za zvýšené teploty a tlaku v autoklávu. Vodní sklo je silně zásadité. Vodní sklo se používá ve stavebnictví ke zvýšení požární odolnosti dřevěných konstrukcí. Vlivem hydrolýzy a působením vzdušného CO 2 dochází k vyloučení gelu SiO 2 H 2 O, který dřevo mineralizuje. Na 2 SiO H 2 O SiO 2 H 2 O + 2 NaOH Na 2 SiO 3 + H 2 O + CO 2 SiO 2 H 2 O + Na 2 CO 3 Další využití vodního skla ve stavebnictví je pro injektáže při sanaci zavlhlého zdiva. Ve směsi s hydrofobizačním prostředkem se vytváří dodatečná horizontální izolace. Vzniklý gel SiO 2 H 2 O adsorbuje na svůj povrch molekuly vody, a tak zabrání vzlínání zemní vlhkosti do zdiva (48) -

13 Křemík Významné je použití vodního skla jako tzv. silikátové barvy, které se používají ve stavebnictví většinou k povrchové úpravě fasád. Silikátové barvy vytvrzují tak, že CO 2 ze vzduchu za přítomnosti vlhkosti vytěsní kyselinu křemičitou, která přejde na gel SiO 2 H 2 O. Citlivost na sluneční záření a v důsledku toho ztmavení skla je způsobeno přítomností malých krystalků AgCl ve skle. Při dopadu UV záření se štěpí na atomy Ag a Cl, které jsou zadrženy strukturou skla, takže mohou reagovat na AgCl. Z tohoto fotosenzitivního skla se vyrábějí okenní tabule, které svoji propustnost upravují podle intenzity světelného záření. Reflexní skla jsou potažena tenkou vrstvičkou kovu, např. Au, Cu. Odolnost skla. Sklo se vyznačuje schopností odolávat koroznímu působení ovzduší, vody a vodných roztoků i chemikáliím. Chemická odolnost skla závisí na jeho složení, lépe však odolává roztokům kyselým, než alkalickým. Neutrální a kyselé roztoky vyluhují z povrchu skla alkálie, čímž se na povrchu tvoří vrstva obohacená SiO 2, jež další vyluhování zpomaluje. Silně alkalické roztoky (ph>12) rozpouštějí sklo jako celek, a to poměrně velkou rychlostí. Na 2 O CaO 6SiO NaOH Podobně sklo rozpouští kyselina fluorovodíková. Na 2 O CaO 6SiO HF Ca(OH) Na 2 SiO H 2 O 6 SiF 4 + CaF NaF + 14 H 2 O Působí-li na sklo vzdušná vlhkost, produkty reakce z povrchu skla se neodstraňují. Tyto produkty jsou silně alkalické, takže napadají povrch skla, kde se vytváří po delší době bílý povlak (skleníky, lázně) Odolnost skla vůči vodě je tím větší, čím je nižší obsah alkalických oxidů a vyšší obsah SiO 2. Zlepšení chemické odolnosti lze dosáhnout výměnou alkalických oxidů za B 2 O 3. Vůči alkalickým oxidům je nejlépe odolné sklo křemenné a sklo s obsahem ZrO 2. Pro některé účely se dosahuje zlepšení chemické odolnosti skla povrchovými úpravami, jako je dealkalizace, hydrofobizace nebo adsorpce inhibitorů koroze. Kontrolní otázky Jaká je chemická podstata skla a čím se sklo barví? Co je to vodní sklo? 3.4 Organokřemičité sloučeniny Sloučeniny křemíku s vodíkem se nazývají silany. Mají obecný vzorec Si n H 2n+2 a jsou obdobou alkanů v organické chemii. Silany jsou extrémně reaktivní, bezbarvé plyny nebo kapaliny. Jejich reaktivita vyplývá z toho, že vazba Si Si je velmi slabá a snadno se štěpí, např. vodou. Si 2 H H 2 O 2 SiO H 2 Náhradou vodíku v molekule silanů organickými radikály, hydroxyskupinou, halogenidy apod. vznikají deriváty silanů, např. trialkylsilanol (R 3 SiOH), bromsilan (SiH 3 Br) aj (48) -

14 Stavební chemie Modul M02 Kondenzací hydroxysilanů vznikají silikony, obsahující velmi pevnou vazbu Si O Si. R R Si OH + HO R Si OH H 2 O R R Si O R Si OH R R R R Silikony jsou kapalné až tuhé konzistence v závislosti na délce řetězce. Odolávají vysokým teplotám, a proto se používají jako mazadla. Výhodou je malá závislost jejich viskozity na teplotě. Pevné silikony se používají jako těsnící a spojovací materiál. Náhradou vodíku v hydroxyskupině alkalickým kovem vznikají silanoláty. Metylsilanolát sodný je látka, která se používá ve stavebnictví k hydrofobizaci omítek a k sanaci zavlhlého zdiva. Reaguje se vzdušnou vlhkostí a CO 2 za vzniku trihydroxymetylmonosilanu, který zesítěním vytvoří hydrofobní látku. OH OH 2 H 3 C Si ONa + CO 2 + H 2 O H 3 C Si ONa + Na 2 CO 3 OH OH Jako vnitřně hydrofobní přísady do omítek se používají také estery kyseliny polykřemičité. O O O O O CH 3 O CH 3 O CH 3 O CH 3 Si O Si O Si O Si O O CH 3 O CH 3 O CH 3 O CH 3 O O O O Hydrofobizací omítek se zvyšuje životnost omítek, zabraňuje se tvorbě výkvětů, neboť dešťová voda nemá možnost vnikat do omítky a rozpouštět výkvětotvorné soli. 3.5 Autotest 1. V jaké formě se nachází křemík v přírodě a) ve formě silanů b) jako kovový křemík c) ve sloučeninách s kyslíkem d) jako křemen 2. Určete nepravdivé tvrzení - 14 (48) -

15 Křemík a) Sklo je amorfní materiál b) Alkalické hydroxidy sklo rozpouštějí c) Vodní sklo je sklo rozpuštěné ve vodě d) Sklo je odolné vůči působení všech minerálních kyselin 3. Silikony a) jsou makromolekulární látky b) rozpouštějí se ve vodě c) se v přírodě nevyskytují d) jsou součástí silikátových hornin 4. Krystalický oxid křemičitý je a) je β-křemen b) je chalcedon c) je sodnovápenaté sklo d) křišťál 5. Vodní sklo a) je sklo odolné proti vodě b) je charakterizováno silikátovým modulem c) vlivem hydrolýzy má silně zásaditou reakci d) vlivem hydrolýzy má silně kyselou reakci - 15 (48) -

16 Stavební chemie Modul M02 4 Chemické složení surovin pro stavebnictví Cíl kapitoly: Seznámení s chemickým složením základních složek primárních i sekundárních anorganických surovin pro stavebnictví. Klíčová slova: suroviny, křemičitany, hlinitokřemičitany, uhličitany, sírany, popílky, pucolány, pucolánová aktivita, strusky, sádrovec, škvára, mikrosilika Suroviny pro stavební výrobu a výrobu stavebních materiálů lze rozdělit do dvou základních skupin: suroviny primární, nacházející se přírodě (písek, keramické hlíny, vápenec) a suroviny druhotné, které jsou odpadem v jiných technologiích. 4.1 Suroviny primární Z chemického hlediska se ve stavebnictví využívají přírodní suroviny, které lze zařadit podle chemického složení do tří skupin: křemičitany a hlinitokřemičitany, uhličitany a sírany Křemen, křemičitany a hlinitokřemičitany Oxid křemičitý, SiO 2, se vyskytuje v několika krystalových modifikacích. Nejběžnější modifikací je β-křemen, který je hlavní součástí mnoha hornin, jako je žula nebo pískovec. Vyskytuje se také samostatně jako křišťál a v nečistých formách jako růženín, ametyst, morion a citrín. Nedokonale krystalickými formami křemene jsou chalcedony, achát, jaspis, heliotrop a pazourek. Za normální teploty metastabilní modifikace jsou tridymit a cristobalit. Zemité formy jsou křemelina a diatomit, podstatou opálů jsou složité agregáty hydratovaného SiO 2. Křemen má mnohostranné využití, je základní surovinou pro výrobu skla (sklářský písek, vyznačuje se vysokou čistotou), keramiky (používá se jako ostřivo), ferosilicia, FeSi, karborunda, SiC. Je podstatnou součástí vodárenských, slévárenských a stavebních písků. Při použití amorfních nebo nedokonale krystalických forem SiO 2 (např. opály, chalcedony apod.) jako kameniva do betonu dochází k tzv. alkáliovému rozpínání, kdy reaguje za přítomnosti vlhkosti oxid křemičitý s alkáliemi v cementu (K 2 O a Na 2 O) za vzniku alkalicko silikátového gelu. Vzniklý gel má větší objem než původní xerogel a v důsledku změny objemu dochází k poškození okolního zatvrdlého cementového tmelu v betonu. Křemičitany (silikáty) patří mezi nejrozšířenější pevné látky zemské kůry. Jsou převážně krystalické, ojediněle amorfní nebo skelné. Základní strukturní jednotkou je, podobně jako u oxidu křemičitého, tetraedr SiO 4, který je spojen vrcholy s dalšími tetraedry. Vytvářejí se tak vazby Si-O-Si (kyslíkové můstky). Z každého tetraedru mohou vycházet 1 až 4 kyslíkové můstky, což umožňuje rozmanité uspořádání silikátových struktur. Podle počtu tzv. kyslíkových můstků tvoří křemičitany čtyři základní struktury, označované jako: ostrůvkovitá jeden společný kyslíkový atom [Si 2 O 7 ] 4, [Si 3 O 9 ] 6-16 (48) -

17 Chemické složení surovin pro stavebnictví řetězovitá dva společné kyslíkové atomy [Si 2 O 6 ] 4 plošná tři společné kyslíkové atomy [Si 2 O 5 ] 2 prostorová čtyři společné kyslíkové atomy SiO 2. Křemičitany jsou součástí hornin, v surovinách pro stavebnictví je lze nalézt ve stavebních píscích. Jsou součástí některých stavebních hmot, např. cementu. V křemičitanech bývá často přítomen hliník, který nahrazuje některé atomy křemíku. Tyto minerály jsou nazývány hlinitokřemičitany. Jsou produktem zvětrávání vyvřelých hornin, jsou podstatou keramických hlín a jílů a patří mezi jílové minerály. Základními stavebními jednotkami jílových minerálů jsou tetraedry SiO 4, AlO 4 nebo oktaedry AlO 6, které se spojují do dvojvrstev nebo trojvrstev. Příklad struktury hlinitokřemičitanů je na obr Hlavní zástupci jílových minerálů jsou: kaolinit Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O halloysit Al 2 O 3 2SiO 2 4H 2 O kyslík křemík, hliník Obr. 3.2 Schéma struktury hlinitokřemičitanů montmorillonit Al 2 O 3 4SiO 2 nh 2 O illit nk 2 O Al 2 O 3 3SiO 2 nh 2 O chlorit 10(Mg, Fe)O Al 2 O 3 6SiO 2 8H 2 O Cihlářské hlíny obsahují větší množství hrubších nerostných částic, prachoviny a pískoviny, obsah jemnějších podílů jíloviny (zrna pod 0,002 mm) je 20 až 50 %. Cihlářské jíly mají více než 50 % jíloviny. Cihlářské hlíny obsahují rovněž živce, sírany, uhličitany a oxidy. Vhodnost cihlářských hlín pro výrobu cihlářského zboží je dána souborem chemických a fyzikálně chemických vlastností. Mineralogické složení je důležitější než chemické složení, protože přítomnost určitých jílových minerálů rozhoduje o chování zeminy v průběhu technologického procesu i o mikrostruktuře vypáleného výrobku. Kaolin je bílá nebo světle žlutě zbarvená zemina s vysokým obsahem kaolinitu, která vznikla rozkladem hornin bohatých na živce, tzv. kaolinitizací. Obsahuje některé příměsi, např. křemen, slídy, zbytky živců a znečišťující látky, jako sloučeniny železa, titanu a organické zbytky. Surový kaolin se upravuje plavením, kdy se ze suroviny odstraní nečistoty. Používá se pro výrobu porcelánu, stavební keramiky a jako plnivo do papíru, gumy, plastů a kosmetických výrobků (48) -

18 Stavební chemie Modul M02 Živce tvoří rozsáhlou skupinu hlinitokřemičitanů. Jsou součástí běžných stavebních písků. Z hlediska průmyslového využití mají význam alkalické živce. Draselný živec (KAlSi 3 O 8 ortoklas) a sodný živec (NaAlSi 3 O 8 albit) se používají jako tavidla při přípravě glazur, sklářského kmene a smaltů. Čedič obsahuje plagioklas (směs sodného a vápenatého živce). Má vysokou pevnost, je odolný v kyselém prostředí. Lze jej tavit a odlévat do forem nebo z něj vytvářet vlákna. Používá se v natavené i přetavené formě na výrobu dlaždic a vlákna jako izolační materiál. Slídy jsou zásadité aluminosilikáty s vrstevnatou strukturou. Nejrozšířenější je tmavá slída - biotit a světlá slída - muskovit, které jsou součástí různých hornin a půd. Používají se jako plnivo do malt a nátěrových hmot a jako elektroizolační materiál. Azbest je vláknitý minerál, z chemického hlediska se jedná o složitý křemičitan hořečnato-draselný. Je stálý v žáru a má výbornou afinitu k cementové matrici. Azbest se v současné době nepoužívá z obavy jeho negativního působení na lidské zdraví. Za vlákna největší biologické závažnosti se považují ta, která mají velikost menší než 8 µm. Vermikulit je jílový minerál, který lze charakterizovat jako hydratovaný křemičitan hlinito-hořečnatý, tvoří lupínky, podobně jako slída. Při teplotě 850 až 1100 C uvolňuje vodu a vzniklá pára způsobí zvětšení objemu 10 až 25krát. Používá se na tepelné a zvukové izolace, v posledních letech získal na významu zejména jako plnivo do protipožárních povrchových úprav. Perlit je v podstatě amorfní křemičitan hlinitý s obsahem vody, je sopečného původu, s drobně kuličkovitou odlučností. V žáru (900 C) tato hornina expanduje na produkt ve formě malých dutých kuliček. Používá se na tepelné a zvukové izolace, do lehčených malt a betonů. Kontrolní otázky Proč je nebezpečné používat kamenivo s obsahem amorfních forem oxidu křemičitého do betonu? Které jílové minerály jsou součástí surovin pro výrobu keramického zboží. Vysvětlete rozdíl mezi kaolínem a kaolinitem Uhličitany Uhličitany jsou nejvýznamnější surovinou pro výrobu stavebních pojiv, vápna a cementu. Na bázi uhličitanů se ve stavebnictví uplatňují tři horniny: vápenec, dolomit a magnezit. Základní uhličitanovou surovinou je usazená hornina vápenec, jehož hlavní složkou je kalcit o chemickém složení CaCO 3. Kromě hlavní složky obsahuje zpravidla dolomit, křemen, jílové minerály, oxidy železa, pyrit a bitumeny. Vápence se podle složení dělí na vysokoprocentní > 98 % CaCO 3-18 (48) -

19 Chemické složení surovin pro stavebnictví mírně znečištěné % CaCO 3 středně znečištěné % CaCO 3 velmi znečištěné < 80 % CaCO 3 znečišťující složky SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 Křída vznikla ze schránek pravěkých živočichů, v přírodě bývá prostoupena silicity. Má bílou barvu a chemickou podstatou je uhličitan vápenatý. Mramor je metamorfovaná hornina, jejíž podstatou je kalcit, uhličitan vápenatý. Velmi často jsou přítomny barevné příměsi, které vytvářejí v mramoru zajímavé kresby. Dolomit je hornina, která je tvořena z 90 až 100 % minerálem o chemickém složení CaMg(CO 3 ) 2 a 0 až 10 % vápence. Magnezit obsahuje jako hlavní složku uhličitan hořečnatý, MgCO 3, obvykle bývá znečištěn FeCO 3, CaCO 3 a MnCO 3. Opuky představují skupinu hornin na bázi kalcitu a oxidu křemičitého s příměsí hlinitokřemičitanů. Obsahují značné množství velmi jemných pórů, mají vysokou rovnovážnou vlhkost, která je příčinou praskání ( opukání ) vlivem mrazu nebo za vysokých teplot. Uhličitanové suroviny se používají jako kamenivo do kompozitních materiálů, některé druhy jako stavební nebo dekorativní kámen. Vápence se používají pro výrobu vápna a portlandského cementu. Magnezit je hlavní surovinou pro výrobu MgO, který se používá pro výrobu hořečnaté maltoviny a mrtvě pálený magnezit (nad 1500 C) slouží k výrobě žáruvzdorných materiálů. Opuky byly v minulosti hojně používány jako stavební kámen, zejména v Čechách. Kontrolní otázky Vyjmenujte nejvýznamnější uhličitanové suroviny ve stavebnictví. Která chemická sloučenina je základem vápenců? Jaké chemické složení má kalcit? Sírany Sádrovec má chemické složení CaSO 4 2H 2 O. V přírodě se sádrovec nachází ve znečištěné formě, a proto má barvu našedlou. U nás se sádrovec těží v Kobeřicích, jeho čistota je asi 60 %. Čistá forma sádrovce je alabastr, který je bílý. Sádrovec se často v přírodě nachází spolu s anhydritem, CaSO 4. Síranové suroviny se používají na výrobu sádry, směsných sádrových pojiv a anhydritových pojiv. Sádrovec se používá v cementářském průmyslu jako regulátor tuhnutí portlandského cementu. Kontrolní otázky Definujte primární suroviny. Charakterizujte po chemické stránce sádrovec (48) -

20 Stavební chemie Modul M Suroviny druhotné Druhotné suroviny jsou odpady, které vznikají v jiných průmyslových technologiích. Odpad je každá movitá věc, které se osoba zbavuje nebo má úmysl se jí zbavit. Odpad se stává druhotnou surovinou v okamžiku jeho využívání. Pro intenzívní využívání druhotných surovin ve stavebnictví jsou dva důvody: snižování zásob primárních surovin snížení energetické náročnosti výroby stavebních materiálů Hospodaření s odpady má čtyři stupně: bezodpadové technologie odpad nevzniká, nebo vzniká pouze v nevýznamné míře odpad je využit ve stejné technologii výroba termoplastických výrobků odpad je využit v jiné technologii elektrárenské popílky ve stavebnictví odpad je uložen na řízené skládce. Odpady, které se využívají ve stavebnictví jsou odpady ze stavební výroby a demolic, z výroby stavebních hmot a odpady jiných průmyslových odvětví. Pro stavebnictví mají význam pouze velkoobjemové odpady, které svým chemickým a mineralogickým složením vyhovují požadavkům pro využití ve stavebnictví. Nezbytnou podmínkou pro využití odpadů je jejich třídění. Ze stavební výroby a demolic představují významný odpad beton a hrubá keramika (cihly). Mají-li se tyto materiály po rozdrcení a rozdělení podle granulometrie použít jako náhradní kamenivo do betonu, pak je nutno prověřit, zda neobsahují některé agresivní látky. Pro ocelovou výztuž jsou nepřijatelné chloridy a sírany, pro beton zejména sírany. Chloridy mohou pocházet z rozmrazovacích prostředků, používaných při zimní údržbě komunikací, sírany jsou obsaženy v cihlářském zboží a pocházejí nejčastěji ze suroviny na jejich výrobu. Odpady z výroby stavebních hmot představují škálu materiálů, které jsou svým chemickým a mineralogickým složením vhodné pro využití ve stavebnictví, ale často nevyhovuje jejich fyzikální stav nebo granulometrie. Z těchto odpadů se využívá cihelný střep na výrobu antuky, výsivky z lomů jsou využívány jako posypový materiál nebo jako plnivo do méněhodnotných betonů. Do betonů a malt se rovněž zapracovávají různé kaly z broušení silikátových materiálů. Odpady produkované v energetice, hutnictví a chemickém průmyslu, které jsou velkoobjemové a svým složením jsou určeny pro využití ve stavebnictví jsou zejména: elektrárenské popílky z vysokoteplotního a fluidního spalování hutnické strusky všeho druhu s vhodným chemickým a mineralogickým složením křemičité úlety mikrosilika - 20 (48) -