Фізичні властивості

Чиста вода — безбарвна прозора рідина, без запаху і смаку. На землі вода існує в трьох агрегатних станах — твердому, рідкому тагазоподібному. За нормального атмосферного тиску при 0°С вона замерзає і перетворюється у лід, а при 100°С — кипить, перетворюючись упару. У газоподібному стані вода існує і за нижчої температури, навіть нижче 0°С. Тому лід і сніг теж поступово випаровуються.

У рідкому стані вода практично не стискається, при замерзанні розширюється на 1/11 від свого об'єму.

Найбільшу густину вода має при +4°С. Масу 1 см³ чистої води при цій температурі прийняли за одиницю і назвали грамом (сучасне визначення грама основане на точнішому еталоні). На відміну від інших рідин, вода при охолодженні від + 4 до 0°С розширюється. Тому лід легший від води (на 8%) і не тоне у ній. Завдяки цьому, а також малій теплопровідності шар льоду захищає глибокі водойми від промерзання до дна, і цим забезпечується у них життя.

Потрійна точка води, тобто умови, за яких одночасно у рівноважному стані можуть співіснувати вода, лід та пара, реалізується при температурі0,01 °C і тиску 611,73 Па. Значення 0,01 °C точне — на ньому основане визначення одиниці вимірювання температури в Міжнародній системі (СІ), кельвіна. Проте відповідно до запропонованих змін у СІ, коли значення сталої Больцмана та числа Авогадро буде зафіксовано, температура потрійної точки води буде визначатися з похибкою.

Вода характеризується великою питомою теплоємністю, що дорівнює за означенням калорії 1 кал/г-град. Завдяки цьому температура океанів і морів змінюється досить повільно, і цим регулюється температура на поверхні земної кори. Цим пояснюється також те, що клімат на островахрівномірніший, ніж на материках.

Фізичні властивості води великою мірою зумовлені тим, що молекула води має значний дипольний момент (1,844 Дебая). Завдяки цьому молекули води сильно взаємодіють між собою, що приводить до конденсації при доволі високій температурі. Так, наприклад, набагато важчі молекули кисню і вуглекислого газу при цих температурах конденсованої фази не утворюють. Легкі атоми водню утворюють водневі зв'язки між різними молекулами, зумовлюючи складну взаємозв'язану структуру рідини.

Хімічні властивості

До складу води входить гідроген і оксиген. Хімічна формула води Н₂О. Молекули води дуже полярні. Тому вони можуть притягатися одна до одної своїми протилежними полюсами і з'єднуватись у агрегати (Н₂О)_n. Внаслідок цього вода складається не тільки з простих молекул Н₂О, а й агрегатів молекул (Н₂О)₂, (Н₂О)₃ і т. д.

У хімічному відношенні вода досить активна. З багатьма речовинами вона вступає в хімічні реакції вже при звичайній температурі. З оксидамилужних і лужноземельних металів вона утворює основи:

• СаО + Н₂О = Са(ОН)₂

З багатьма оксидами неметалів (ангідридами) вода утворює кисневмісні кислоти:

• Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄

З найактивнішими металами вона утворює основи з виділенням водню:

• 2Na + 2Н₂О = 2NaOH + Н₂ ↑

З деякими солями вода утворює так звані кристалогідрати, які характеризуються строго визначеною кількістю молекул води, що припадають на одну молекулу солі. Наприклад, з сульфатом міді вода утворює мідний купорос:

• CuSO₄ + 5Н₂О = CuSO₄ • 5Н₂О

в якому на одну молекулу сульфату міді припадає п'ять молекул води. Воду, що входить до складу кристалів, називають кристалізаційною.

Кристалізаційну воду не слід плутати з гігроскопічною водою, яка поглинається (адсорбується) поверхнею і порами всіх речовин на відкритому повітрі. Деякі речовини відзначаються підвищеною здатністю поглинати вологу повітря. Внаслідок цього вони мокріють (наприклад, NaCl), а інколи навіть і розпливаються на повітрі (як CaCl₂). Такі речовини називають гігроскопічними. На відміну від кристалізаційної, кількість гігроскопічної води в речовинах, змінна. Вона хімічно не взаємодіє з речовиною-адсорбантом.

При високій температурі водяна пара взаємодіє з залізом і іншими речовинами. Наприклад:

• 3Fe + 4Н₂О = Fe₃О₄ + 4Н₂

Раніше цю реакцію застосовували в техніці для добування водню.

У термічному відношенні вода досить стійка. Проте при температурах, вищих 1000°С, вона починає розкладатися на водень і кисень:

• 2Н₂О = 2Н₂ + O₂

Жорсткість води́ — якщо вода містить значні кількості солей кальцію і магнію, то таку воду називають твердою, а коли цих солей зовсім немає, або вони містяться в незначних кількостях, то — м'якою.

Відрізняють тимчасову, або карбонатну, твердість води і сталу. Тимчасова твердість обумовлюється наявністю кислих карбонатів (гідрокарбонатів) кальцію і магнію: Ca(HCO₃)₂ і Mg(HCO₃)₂, а стала — наявністю сульфатів і хлоридів кальцію і магнію: CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂ і MgCl₂. Загальна твердість води являє собою суму тимчасової і сталої твердості.

Тверда вода непридатна майже для всіх галузей виробництва. Так, наприклад, тверду воду не можна вживати для прання білизни, миття шерсті і фарбування тканин, бо в ній миловтрачає свою мийну здатність. Це пояснюється тим, що розчинний у воді стеарат натрію С₁₇Н₃₅COONa, який становить головну складову частину мила, переходить у нерозчинний стеарат кальцію (або магнію), утворюючи так зване кальцієве (або магнієве) мило:

• 2С₁₇Н₃₅COONa + CaSO₄ = Са(С₁₇Н₃₅СОО)₂ ↓ + Na₂SO₄

При цьому мильна піна утворюється тільки після повного осадження іонів кальцію і магнію, на що непродуктивно витрачається багато мила. Крім того, утворюваний осад кальцієвого і магнієвого мила міцно осідає на волокнах тканин і забруднює їх, а при фарбуванні утворює плями.

Тверда вода непридатна і для цілого ряду інших виробництв: паперового, шкіряного, крохмального, спиртового тощо. Вона непридатна і для паросилового господарства, бо при кип'ятінні води утворюється накип, який погано проводить тепло, внаслідок чого збільшується витрата палива. Накип викликає інтенсивне руйнування стінок котлів, що може призвести до аварії.

46. В'яжучі́ речови́ни - будівельні матеріали для виготовлення бетонів і розчинів. Розрізняють неорганічні (мінеральні) в'яжучі речовини (цемент, гіпс, вапно й ін.) і органічні (бітуми, дьогті, пеки).

Мінеральні в'яжучі речовини (звичайно порошкоподібні) при змішуванні з водою (іноді з водяними розчинами солей) утворюють пластичну масу, що здобуває потім твердий стан. Їх поділяють на гідравлічні, здатні твердіти і зберігати міцність на повітрі й у воді (напр., портландцемент), і повітряні, що твердіють і зберігають міцність тільки на повітрі (гіпс, вапно).

Неорганічними в'яжучими речовинами називають порошкоподібні матеріали, які при змішуванні з водою (замішування) утворюють пластично-в'язке  тісто, здатне внаслідок фізико-хімічних процесів самочинно тверднути й переходити в каменоподібний стан. Виняток становлять магнезіальні та шлаколужні в'яжучі, а також кислотнотривкий цемент, які замішують водними розчинами деяких солей та інших сполук.      Неорганічні в'яжучі речовини залежно від умов твердіння та міцності в часі поділяють на повітряні, гідравлічні та в'яжучі автоклавного твердіння.

Органічні в'яжучі речовини являють собою природні або штучні тверді, в'язкопластичного або рідкі (при кімнатній температурі) продукти, здатні змінювати свої фізико-механічні властивості залежно від температури. За хімічним складом це або складні суміші високомолекулярних вуглеводнів та їх неметалевих похідних сірки, азоту, кисню (бітуми і дьогті), або карбоцепні і гетероцепні сполуки, що складаються в основному з атомів вуглецю в поєднанні з атомами водню, азоту, сірки, кисню і кремнію ( полімери).  Органічні в'яжучі речовини поділяють на три основні групи: бітуми природні і нафтові; дьогті кам'яновугільні, сланцеві, торф'яні і деревні; полімериполімеризацій і поліконденсаційні. 

Гіпсові в'яжучі речовини – це повітряні в'яжучі, які складаються переважно з напівводного гіпсу СаSО4  × 0,5Н2О або ангідриту СаSO4. Їх одержують внаслідок теплової обробки сировини та розмелювання. Сировиною для гіпсових в'яжучих здебільшого є гірські породи – гіпс, що складається переважно з мінералу гіпсу СаSO4 × 2Н2О, природний ангідрит CaSO4 та деякі відходи промисловості (фосфогіпс – від переробки природних фосфатів на суперфосфат, борогіпс тощо), основною складовою частиною яких є серчанокислий кальцій.

Залежно від температури теплової обробки сировини гіпсові в'яжучі речовини поділяють на дві групи: низько- та високовипалювальні. Низьковипалювальні гіпсові в'яжучі одержують тепловою обробкою природного гіпсу при низьких температурах (110…160 °С).

До низьковипалювальних гіпсових в'яжучих речовин належать будівельний, формувальний та високоміцний гіпс. Будівельний гіпс  виготовляють низокотемпературним випалюванням гіпсової породи (гіпсового каменю) у варильних казанах або печах. 

Формувальний гіпс  складається також переважно з b-модифікації напівгідтрату сульфату кальцію CaSO4 × 0,5Н2О, відрізняючись від будівельного гіпсу тоншим помелом.

Високоміцний гіпс  одержують термічною обробкою високосортного гіпсового каменю в герметичних апаратах у середовищі насиченої пари при тиску, вищому за атмосферний.

Високовипалювальні гіпсові в'яжучі речовини виготовляють випалюванням гіпсового каменю при високій температурі (600…950 °С), тому вони складаються переважно з ангідриту CaSO4.

У будівництві як мінеральні в'яжучі матеріали най­більш широко застосовуються цементи. Це гідравлічні в'яжучі матеріали, які одержують високотемпературною обробкою до ступеня часткового чи повного плавлення сировинних матеріалів, що складаються в основному із силікатів і алюмінатів кальцію. Спечена сировинна суміш у вигляді зерен розміром до 40 мм на­зивається клінкером. За видом клінкеру і речовинним складом розрізняють порт­ландцемент, портландцемент з активними мінеральними добав­ками (до 20%), шлакопортландцемент (з додаванням понад 20% гранульованого шлаку), пуцолановий портландцемент (з дода­ванням понад 20% активних мінеральних добавок), глиноземис­тий, високоглиноземистий і гіпсоглиноземистий (на основі гли­ноземистого клінкеру).

Повітряне вапно - продукт помірного випалу кальцієво-магнієвих карбонатних гірських порід: мела, вапняку, доломитизированного вапняку, доломіту зі змістом глини не більш 6%.

Основний складової вапняку є карбонат кальцію. Обпалюють вапняк при температурі до можливо більш повного видалення по реакції. Продукт випалу містить крім (основний складовій частини) також і деяка кількість окиси магнію, що утворювався в результаті термічної дисоціації карбонату магнію.

Гіпс – мінерал класу сульфатів. Гіпс зустрічається в природі у вигляді кристалів груботаблеткового (пігулкового), призматичного та стовпчикового різновидів, двійників типу "ластівчиний хвіст" та агрегатів, серед яких виділяють крупнокристалічний, листуватий, волокнистий та цукроподібний різновиди. Як домішки зустрічаються глиниста речовина, кварц, карбонати, органоґенні сполуки. Звичайно гіпс утворює великі пластові осадові поклади разом з вапняками, мергелями, глинами і пісками. Виникає також при гідратації ангідриту і як вторинний продукт окиснення сірчистих мінералів і сірки. Крім того, гіпс зустрічається як перевідкладений матеріал при гідрохімічних реакціях. Гіпс має широке застосування. Розмолотий гіпс застосовують як добриво (гіпсування). При температурі 120 — 200°С перетворюється в алебастр, що використовують для штукатурних робіт, для виготовлення форм у керамічному виробництві та різних виливків. При температурі 600 — 700°С переходить в безводний ангідрит.

Портландцемент – це гідравлічна в'яжуча речовина, результат тонкого подрібнення випаленого до спікання (при 1450 °С) мергелю певного складу або штучної суміші, що складається з вапняку (75 %) і глини (25 %), які забезпечують в утворюваному продукті переважання силікатів кальцію (70…80 %). Спечений продукт, з якого виготовляють портландцемент, називають клінкером. Найчастіше портландцементний клінкер виробляють із штучних сумішей, регулюючи їхній склад і тим забезпечуючи властивості цементу. Під час помелу до клінкеру іноді додають активні мінеральні добавки (до 15 %), а також інші речовини, які регулюють властивості цементу (гіпс, пластифікатори тощо).

Бетон — штучний каменеподібний матеріал, результат раціонально підібраної суміші в'яжучого,заповнювачів, води і, при потребі, спеціальних добавок. До затвердіння цю суміш називають бетонною. Один з основних будівельних матеріалів, що застосовується для виготовлення збірних залізобетонних та бетонних конструкцій і бетонних виробів, а також для будівництвамонолітних бетонних і залізобетонних споруд.

Виникнення та розвитку корозії залежить від складу і властивостей агресивної середовища, швидкості обміну середовища у поверхні матеріалу, температури середовища, щільності і складу матеріалу, його напруженого стану, структури, товщини і щільність захисного шару і умов взаємодії матеріалу з середовищем.

Вплив агресивних середовищ на бетон дуже різні. Так само різноманітні ікоррозионние процеси, вражаючі бетон. Існують такі види корозії бетону: амонійна, кислотна, магнезійна, радіаційна, сульфатна, вуглекисла, лужна, коксування бутону, електрокорозія, електрохімічна корозія. Стійкість бетону можна підвищити застосуванням більш щільних бетонів,пуццолановихпортландцементов ішлакопортландцементов.Добавки вцементах пов'язують вапно в нерозчинні сполуки. Привидерживании виробів надворі внаслідок взаємодіїСа (>ОН)2 з СО2 лежить на поверхні бетону утворюєтьсямалорастворимий карбонат кальціюСаСО3, якийвищелачивается водою.