-1.1 – тақырып
1Құрылыс материалдары химиясы пәні, мақсаты, міндеттері
Құрылыс материалдары химиясы пәні – қазіргі кезде құрылыс индустриясында қолданылып жүрген тұтқыр заттар мен олардың негізінде алынатын материалдардың құрамын, құрылысын, қасиеттерін, оларды алу жолдарын және алу кезінде жүретін химиялық құбылыстарды зерттейді.
Мақсаты: мамандарға композицицялық, конструкциялық және әшекейлік, жылуоқшаулағыш материалдарды алудың химиялық заңдылықтары мен қолданылуы, олардың құрамы, құрылымы және қасиеттерін макро- және микро-, нанодеңгейде зерретудің негізгі әдістері жайлы білімдер беру.
Пәннің міндеттері – химияның негізгі салалары: физикалық, коллойдты, аналитикалық, силикаттардың физикалық химиясы, органикалық және жоғарымолекулалы қосылыстар химиясының құрылыс материалдарын өндіру кезіндегі химиялық процестердің, қолданудың, олардың құрылымы мен микроқұрылымын оңтайландырудың, эксплуатациялық қасиеттерін жетілдірудің мәнін түсінуге мүмкіндік беретін жалпы теориялық аспектілеррін оқып үйрену..
Пәнді оқытудың негізгі міндеттері:
Термодинамиканың бірінші және екінші заңдарынының мәнін және оларды құрылыс материалдарын өндіру кезіндегі процестер үшін қолдана білуді үйрету;
Термохимиялық шамалар және химиялық процестердің жылу эффектілерін анықтауды білу және оларды нақты процестер үшін қолдана білу;
Химиялық процестердің кинетикалық заңдылықтарын меңгеру және оларды құрылыс материалдарын өндіру кезіндегі процестерді басқару үшін қолдана білу;
Көп компонентті дисперсті жүйелердің құрамы мен құрылысын өзгерту арқылы қажетті қасиеттерді қалыптастыра білу;
Химиялық қосылыстардың сапалық және сандық талдау негіздерін үйрету;
Термиялық анализ негізіндерін үйрету;
Көп компонентті силикатты жүйелердің құрамын анықтау жолдарын үйрету;
Бетондар мен құрылыс ерітінділері үшін химиялық қоспаларды таңдау негізін үйрету;
Әшекейлік, жылу және суоқшаулағыш, байланыстырғыш заттар, суперпластификаторлар мен герметиктер ретінде пайдаланылатын полимерлерді алу тәсілдерін үйрету.
Пән негізінен физикалық химия, коллоидты химия негіздері, органикалық химия мәселелері мен химиялық қоспаларды құрылыста қолдану мүмкіндіктерін қарастырады.
1.2 – тақырып
1) Заттың қасиетіне әсер етуші факторлар
Жалпы кез келген зат, оның қасиетіне сәйкес қолданылады. Ал оның қасиетінің қалыптасуы бірнеше факторларға тәуелді болады:
1. заттың қасиеті оның құрамына тәуелді. Бұл негізінен құрамының тұрақтылық заңына негізделген. Прусс заңы бойынша: - Кез келген химиялық таза заттың алу жолы мен алынған орнына тәуелсіз, құрамы тұрақты болады. Бұл заңнан шығатын негізгі қорытынды заттың құрамы өзгерсе, оның қасиеті де өзгереді, яғни ол өзіне тән қасиеті бар басқа затқа айналады.
2. Заттың қасиетіне оның құрылымы әсер етеді. Бұл А.Бутлеровтың химиялық құрылыс теориясына байланысты. Заттың құрылымы дегеніміз молекуладағы атомдардың кеңістікте орналасу ретін көрсетеді. Құрылыс материалдарының құрылысы кристалды, аморфты, ретті, ретсіз, т.б. болуы мүмкін және де материалды алу үрдісі барысындағы түрлі әсер етуші факторлар оның құрылымының қалыптасуы барысында әр түрлі кристалдардың қалыптасуына ықпал етеді. Соның нәтижесінде алынған заттың немесе материалдық қасиеттерінде ерекшеліктер пайда болады.
3. Затты алу кезіндегі термодинамикалық және кинетикалық жағдайлар.
4. Заттың құрылымдық деңгейлері.
1.3 – тақырып
Химиялық процестерді басқарудың сапалы құрылыс материалдарын өндірудегі ролі
1.4 – тақырып
Құрылыс материалдары химиясы пәнінің ғылыми және өндірістік мақсаты
Қазіргі кезеңде құрылыс индустриясының қарқынды дамуы, құрылыс материалдары өндірісі саласына жоғары сапалы материалдар өндіру міндетін қоюда. Құрылыс материалдары мен бұйымдарының негізгі қасиеттері мен төзімділігін арттыру тек қана жоғары сапалы шикізаттар мен қазіргі заманғы қондырғыларды қолдануға тәуелді болып қалмастан, құрылыс материалдарын өндіру кезінде жүретін химиялық процестерді білікті басқаруға да тәуелді. Сонымен бірге соңғы кезде құрылыс материалдары нарығында жасанды полимерлік материалдар негізіндегі бұйымдар мен құрылыс материалдарының түрлі қасиеттерін жақсартуға бағытталған химиялық қоспалардың үлесі де артуда. Яғни құрылыс техникасы тек қана құрылыс өндірісі процестерін механикаландыру бағытында ғана емес, сонымен бірге құрылысты химияландыру бағытында да, атап айтқанда жаңа материалдарды алу, құрылыста химиялық және физика-химиялық процестердің маңызын арттыру бағытында да дамуда.
Құрылысты химияландыру нәтижесінде тұтқыр заттардың қатаю процесін басқару, тұтқыр заттың тиімділігін арттыру, құрылыс материалдары өндірісінің тиімді жағдайларын анықтау, олардың оңтайлы құрамын таңдау, құрылыс материаладары мен бұйымдарының сыртқы ортаның түрлі агрессиялы факторларының әсеріне төзімділігін арттыру сияқты маңызды мәселелер шешілуде.
Жоғарыда айтылғандарға сәйкес 5В073000 «Құрылыс материалдары, бұйымдары мен конструкцияларын өндіру» мамандығы студенттері үшін құрылыс материалдарын алу кезінде жүретін химиялық және физика-химиялық процестердің жүру жағдайлары мен оларды басқару тетіктерін оқып үйренудің маңызы зор. Осы мәселені шешу мақсатында мамандықтың оқу жоспарына «Құрылыс материалдары химиясы» пәні ендірілген.
2.1 – тақырып
Химиялық байланыс, оның негізгі түрлері
Химиялық байланыстар — химиялық элементтер арасындағы тұрақты тепе-тең күйдегі жүйе жасауға келіп тірелетін (молекула, ион, радикал) электромагниттік әсерлесу жиынтығы.
Химиялық байланыстың бірнеше типі бар.
1. Гетерополярлы немесе ионды байланыс. Бұл байланыс бір-бірімен терісэлектрлік мәні бойынша үлкен айырмашылығы бар атомдардың арасында түзіледі, атап айтқанда айқын байқалатын металдық және бейметалдық қасиеті бар заттардың арасында
М: СаСl2 – кальций хлориді.
+17 Сl )2 )8 )7
+20 Са )2
)8
)8
)2
+
+17 Cl )2 )8 )7
+17 Cl )2 )8 )8 -1
+20
Ca )2
)8
)8
)0
+2
+17 Cl )2 )8 )8 -1
Бұл жағдайда атомдар арасындағы қашықтықы атомдар радиусымен салыстыруға болады, яғни 1 – 2 A0
1A0 = 10-10м
Cl
Cl
Cаa
Cl
Ca
Cl
+
Әрекеттесудің нәтижесінде екі атом да өзіне жақын тұрған инертті газдың, яғни біршама тұрақты электрондық конфигурацияға ие болады. Түзілген иондар әртүрлі зарядталғандықтан, олар бірін-бірі электростатикалық күшпен тартып, арасында химимялық байланыс пайда болады.
2. Гомополярлы немесе ковалентті байланыс, терісэлектрлік мәні бірдей немесе айырмашылығы көп болмаған атомдар арасында түзіледі.
а) Полюссіз О2 оттегі
О
О
О
О
+
Н
Н
δ+б
О
О
) Полюсті δ -
Н
Н
О
+
δ +
Жалпы ковалентті байланыс түзуде жеке электрондар емес, электрон бұлттары қатысады. Ковалентті полюссіз байланыс кезінде электрон бұлттарының максимальды тығыздығы әрекеттесуші атомдардың ортасында орналасады. Бұл жағдайда атомдар арасындағы қашықтық өте кіші, шамамен 1 ∙ А0.
Ионды байланыстан өзгеше ковалентті байланыс бағытталған болады. Егер электрон жұбы атомдардың біреуіне қарай ығысқан болса, онда дипольдік момент пайда болады.
О
- 0,9 А0
Н
Н
1050
Байланыстың полярлығының сандық өлшемі – мұндай молекулалардағы оң және теріс зарядтардағы ауырлық орталық арасындағы қашықтықтағы полюс диполінің туындысы – Н –диполь моменті болып табылады. Дипольдік момент шамасы жоғары болған сайын, молекулалық полярлығы артады. Мысалы, Н2О Н=1,84Д, С2Н5 ∙ ОН = 1,68Д, С6Н5 -ОН – 1,4Д. Полюссіз молекулалар үшін диполь моменті 0-ге тең. Диполь моменті затың ергішітігін анықтауда маңызды.
3. Донорлы-акцепторлы байланыс, негізінен күрделі комплексті қосылыстарда байланыс түзуші бөлшектердің бірінде байланыс түзуге қатыспаған электрон жұбы, ал екіншісінде бос орбитальдар кезінде түзілетін гидросиликаттардағы байланыстың табиғаты осы типтес.
H +
а
)
H : N : + H : O : H H : N :
H OH
-
H
Бір молекуланың құрамындағы атомдар арасындағы байланыстың түрі біртүрлі бола бермейді. Сонымен бірге олардың байланыс энергиясы да, яғни беріктігі де әртүрлі.
Ca(NO3)2 + H2O → CaОHNO3 + H+ + NO3-
Заттың молекулалары арасында да белгілі әсерлесу күші болады. Ол күштерде негізінен Ван-дер-Ваальс күштері деп атайды. Бұл күштер химимялық байланысты қалыптастыратын күштерден тек әлсіздігімен ғана емес, сонымен бірге универсалдығы және қанықпайтындығымен ерекшеленеді. Яғни атом және молекула өлшемдерімен салыстырғанда біршама алыс қашықтыққа және осы күштің әсер аймағындағы кез келген молекулаға әсер етеді. Молекулааралық күштер тұтас молекуланың қалыптасуын алып келмейді, тек олардың жақындауына ықпал етеді.
2.2– тақырып
1) Құрылыс материалдарындағы химиялық байланыстың табиғаты
Физикалқ химия іргелі жаратылыстану ғылымы болып табылады. Жалпы заттың құрылымы мен қастиеттеріне әсер етуші факторларды білу, заттың қасиетін басқару, затты өндіру кезіндегі технологиялық процестерді басқару арқылы, оларда қажетті қасиеттерді қалыптастыру мүмкіндігін береді.
Атомдарын химиялық қасиеттері олардың электрондық конфигурациясымен анықталады. Кез келген жүйе, соның ішінде атом да белгілі бір тұрақты күйге көшуге тырысады, яғни ең аз бос энергиясы бар күйге көшуге тырысады.
Атомдардың валенттілік мүмкіндігі сыртқы энергетикалық деңгейдегі жұптаспаған электрон саны бос орбиталар санымен анықаталады. Атомның күйі оның жалпы электрон санымен ғана емес, сонымен бірге олардың энергетикалық деңгей және деңгейшелерде таралып орналасуына да байланысты. Инертті газдардан басқа барлық атомдардың қозған күшінде бір немесе бірнеше жұптасқан электроны болады. Сондай электрондар саны жалпы атомның ең жоғарғы валенттілігін анықтайды.
Молекула бұл кез келген заттың өзіне тән қасиеттерге ие болған, жеке өмір сүре алатын ең кіші бөлшегі. Әртүрлі атомдар бір бірімен өздерінің валенттіліктеріне сәйкес байланыса отырып, заттың молекуласын құрайды.
Физикалық күштерден химимялық байланыстың негізгі ерекшелігі – оның қаныққандығында. Бұл қанығу тек атомдардың белгілі бір қатынаста әрекеттесуінде ғана емес, сонымен бірге артықша атомдардың түзілетін молекуладан тебілетіндігінде де байқалады.
Құрылыс материалдарының құрылымы үш деңгейде зертеледі: макроқұрылым – жай көзбен қарағандағы материалдың құрылысы; микроқұрылым – микроскоп арқылы көрінетін құрылысы; молекулалық-иондық деңгейде зерделенетін заттың ішкі құрылысы (физика-химиялық зерттеу әдістері – электрондық микроскопия, термография, рентгендіқұрылымдық талдау және т.б.).
Қатты құрылыс материалдарының макроқұрылымы (өзіндік геологиялық жіктемесі бар тау жыныстарын қоспағанда) келесі топтарға бөлінеді: конгломераттық, ұялы, ұсақ кеуекті, талшықты, қатпарлы және түйіршікті (ұнтақ тәрізді). Жасанды конгломераттар өзіндік үлкен топты құрайды; бұл алуан түрлі бетондар, керамикалық және басқа да материалдар. Материалдың ұялы құрылымы макрокеуектердің болуымен ерекшеленеді, ол газ - және көбікбетондарға, газдысиликаттарға және т.б. тән. Ұсақ кеуекті құрылым, мәселен, енгізілген органикалық заттардың жану нәтижесінде алынатын керамикалық материалдарға тән болып келеді. Талшықты құрылымы ағашқа, минералды мақтадан жасалған бұйымдарға тән. Қатпарлы құрылым табақтық, плиталық және орама материалдарға тән. Түйіршікті материалдар – бұл жылу-дыбыс оқшаулайтын түрлі бетондар, ерітінділерге арналған толтырғыштар.
Құрылыс материалдарының микроқұрылымы кристалды және аморфты болуы мүмкін. Бұл құрылымдар көбіне бір ғана заттың түрлі жағдайлары болып келеді, мәселен, кварц және кремнеземнің түрлі түр өзгерістері. Кристалды пішін барлық уақытта тұрақты. Силикат кірпіш өндірісінде кварцты құм мен әктің арасында химиялық өзара байланысты қалыптастыру үшін, 175°С температураға және 0,8 МПа қысымға ие қаныққан су буымен автоклавты өңдеуді қолданады, ал сол кезде трепел (кремнезем қостотығының аморфты түр өзгерісі) әкпен бірге сумен қату кезінде 15...25°С қалыпты температурада кальций гидросиликатын түзеді. Заттың аморфты құрылымы едәуір тұрақты кристалды құрылымға өте алады.
Кристалды құрылым деп – қатты фазаның кристалдануы және кристалдардың біртіндеп моно - немесе поликристалды агрегатқа бірігуі нәтижесінде пайда болған құрылымды айтады. Қалыпты жағдайда ерітіндіден немесе балқымадан кристалдану кезінде құрылымдық бөлшектер кеңістікте белгілі бір ретпен орналасқан кристалдық тор түзеді. Химиялық байланыстың әрбір түріне кристалдық тордың белгілі бір түрі сәйкес келеді: иондық, атомдық, малекулалық және металдық. Бірақ та нақты кристалдардың құрылымы, үнемі идеал жағдайдан біршама ауытқыған болады, және де ол материалдың қасиетіне әсер етеді.
Коагуляциялық құрылым деп – сұйық орта қабаты арқылы әсер ететін, әлсіз малекулааралық күштер, ван-дер-ваальс күштерінің әсерінен пайда болған құрылымды айтады. Сұйық орта, қатты тор қаңқасынан өзгешелеу, ерекше қозғалмалы кеңістік тор түзеді. Осы қозғалмалы қабықшаның әсерінен, коагуляциялық құрылымға ие материалдар, тиксотроипия қасиетіне ие болады. Тиксотропия деп – материалдың түрлі сыртқы механикалық күштердің (араластыру, сілкіту, тербелту т.б.) әсерінен сұйылып, кейіннен тыныштық күйге көшкенде өзінің құрылымы мен қасиеттерін қайта қалпына келтіру қасиетін айтады.
Конденсациялық құрылым деп – бөлшектердің тікелей әрекеттесуі немесе ковалентті және иондық байланыстардың әсерінен пайда болатын құрылымды айтады.
2.3 – тақырып
1) Гомеоплярлы химиялық байланыстар
Гомополярлы немесе ковалентті байланыс, терісэлектрлік мәні бірдей немесе айырмашылығы көп болмаған атомдар арасында түзіледі.
а) Полюссіз О2 оттегі
О
О
О
О
+
Н
Н
δ+б
О
О
) Полюсті δ -
Н
Н
О
+
δ +
Жалпы ковалентті байланыс түзуде жеке электрондар емес, электрон бұлттары қатысады. Ковалентті полюссіз байланыс кезінде электрон бұлттарының максимальды тығыздығы әрекеттесуші атомдардың ортасында орналасады. Бұл жағдайда атомдар арасындағы қашықтық өте кіші, шамамен 1 ∙ А0.
Ионды байланыстан өзгеше ковалентті байланыс бағытталған болады. Егер электрон жұбы атомдардың біреуіне қарай ығысқан болса, онда дипольдік момент пайда болады.
О
- 0,9 А0
Н
Н
1050
Байланыстың полярлығының сандық өлшемі – мұндай молекулалардағы оң және теріс зарядтардағы ауырлық орталық арасындағы қашықтықтағы полюс диполінің туындысы – Н –диполь моменті болып табылады. Дипольдік момент шамасы жоғары болған сайын, молекулалық полярлығы артады. Мысалы, Н2О Н=1,84Д, С2Н5 ∙ ОН = 1,68Д, С6Н5 -ОН – 1,4Д. Полюссіз молекулалар үшін диполь моменті 0-ге тең. Диполь моменті затың ергішітігін анықтауда маңызды.
2.4 – тақырып
1) Гетерополярлы химиялық байланыстар
2) Кристалдық тор энергиясы
1. Гетерополярлы немесе ионды байланыс. Бұл байланыс бір-бірімен терісэлектрлік мәні бойынша үлкен айырмашылығы бар атомдардың арасында түзіледі, атап айтқанда айқын байқалатын металдық және бейметалдық қасиеті бар заттардың арасында
М: СаСl2 – кальций хлориді.
+17 Сl )2 )8 )7
+20 Са )2 )8 )8 )2 +
+17 Cl )2 )8 )7
+17 Cl )2 )8 )8 -1
+20 Ca )2 )8 )8 )0 +2
+17 Cl )2 )8 )8 -1
Бұл жағдайда атомдар арасындағы қашықтықы атомдар радиусымен салыстыруға болады, яғни 1 – 2 A0
1A0 = 10-10м
Cl
Cl
Cаa
Cl
Ca
Cl
+
Әрекеттесудің нәтижесінде екі атом да өзіне жақын тұрған инертті газдың, яғни біршама тұрақты электрондық конфигурацияға ие болады. Түзілген иондар әртүрлі зарядталғандықтан, олар бірін-бірі электростатикалық күшпен тартып, арасында химимялық байланыс пайда болады.
2 Кристалдық тор – кристалл заттардағы атомдардың, иондардың, молекулалардың белгілі бір ретпен орналасуы. Кристалдық тор бір-біріне тығыз орналасқан параллелепипедтерден немесе кубтардан тұрады. Кристалдық тор статистикалық тұрғыдан тұрақсыз болады, атомдар мен иондар өзінің тепе-теңдік қалпынан белгілі бір амплитудада тербеліп тұрады. Температура өскен сайын бұл тербеліс артады, ал балқу температурасына жеткенде, кристалдық тор ыдырап, зат сұйықтыққа айналады
Кристалды құрылым деп – қатты фазаның кристалдануы және кристалдардың біртіндеп моно - немесе поликристалды агрегатқа бірігуі нәтижесінде пайда болған құрылымды айтады. Қалыпты жағдайда ерітіндіден немесе балқымадан кристалдану кезінде құрылымдық бөлшектер кеңістікте белгілі бір ретпен орналасқан кристалдық тор түзеді. Химиялық байланыстың әрбір түріне кристалдық тордың белгілі бір түрі сәйкес келеді: иондық, атомдық, малекулалық және металдық. Бірақ та нақты кристалдардың құрылымы, үнемі идеал жағдайдан біршама ауытқыған болады, және де ол материалдың қасиетіне әсер етеді.
1. Атомдық кристалдық торлы заттарда (а) байланыс ковалентті, оны үзу үшін арнайы химиялық реакциялар жүргізу қажет. Қалыпты жағдайда олардың барлығы қатты, балқу температуралары жоғары, ерігіштігі өте нашар заттар.
2. Молекулалық кристалдық торлы заттар (ә) түйіндерінде молекулалар орналасқан, ал молекулааралық тартылыс күші өте аз болуына байланысты мұндай кристалдық торлы заттардың көпшілігі қалыпты жағдайда газ күйінде кездеседі. Оларды қыздырғанда оңай балқиды немесе температура әсерінен ыдырап кететін беріктігі нашар қосылыстарға жатады.
3. Ионды кристалдық тop (б) түйіндерінде иондар орналасқан, олар суда жақсы ериді, ерітінділері мен балқындылары электр тоғын жақсы өткізетін қатты заттар.
4. Металдық кристалдық тop (в); Металдарда металдық байланыстар болады, себебі кристалдық торларының түйіндерінде металл атомдары мен иондар орналасқан, ал металдың көлемінде электрон бұлттары (валенттілік электрондар оңай белініп шығады, өйткені олар ядромен нашар байланысқан) еркін қозғалып жүреді. Осы электрондар металдық қасиеттерді анықтайды:
а) жоғары жылу және электрөткізгіштік
ә) металдық, жылтыр
б) созылғыштық, тапталғыштық