Химия в строительстве. Конспект лекций

УДК 54.691

ББК 24.1 Х46

А в т о р ы :

Ю.В. Устинова, Т.П. Никифорова, А.А. Новосельнов, Е.М. Мясоедов

Р е ц ен з ен т ы :

кандидат технических наук Т.Г. Бельцова, доцент кафедры общей химии НИУ МГСУ; кандидат химических наук В.И. Елфимов, профессор кафедры общей и аналитической химии ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Х46 Химия в строительстве [Электронный ресурс] : конспект лекций / [Ю.В. Ус-

тинова, Т.П. Никифорова, А.А. Новосельнов, Е.М. Мясоедов] ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. — Электрон. дан. и прогр. (5 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2024. — URL: http:// www.iprbookshop.ru/. — Режим доступа : для зарегистрированных пользователей. — Загл. с титул. экрана.

ISBN 978-5-7264-3469-8

Содержатся восемь разделов, включающих основные темы курса «Химия в строительстве»: вода и ее свойства; водные растворы и процессы, протекающие в них; жесткость воды; поверхностно-активные вещества; лакокрасочные материалы; электрохимия; металлы, их коррозия и методы защиты от нее; получение и свойства не-

органических вяжущих.

Для обучающихся бакалавриата по направлению подготовки «Строительство».

Учебное электронное издание

© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2024

© Оформление. ООО Компания

«Ай Пи Ар Медиа», 2024

Учебное электронное издание

Устинова Ю.В., Никифорова Т.П., Новосельнов А.А., Мясоедов Е.М.

ХИМИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Конспект лекций

Редактор Ю.Ю. Желтова

Технический редактор А.В. Кузнецова

Корректор О.А. Культепина

Компьютерная правка и верстка С.С. Сизиумовой

Для создания электронного издания использовано:

Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS5.5, ПО Adobe Acrobat

Объем данных 5 Мб.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет».

129337, Москва, Ярославское ш., 26. Издательство МИСИ – МГСУ.

Тел.: (495) 287-49-14, вн. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95. E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа» 8 800 555 22 35 (бесплатный звонок по России)

E-mail: sales@iprmedia.ru

4

ЛЕКЦИЯ 1. ВОДА

Вода — химическая формула Н2O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода, которые связаны между собой ковалентной связью.

При нормальных условиях вода — прозрачная жидкость, которая не имеет цвета (в малом объеме), запаха и вкуса. В твердом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном — водяным паром.

Воду подразделяют на два типа:

1.По особенностям происхождения, состава или применения различают:

мягкую воду;

жесткую воду (по содержанию катионов кальция и магния).

2.По изотопам водорода, содержащимся в молекуле воды различают:

легкую воду (по составу почти соответствует обычной);

тяжелую воду (дейтериевая);

сверхтяжелую воду (тритиевая).

Бо́льшая часть земной воды — соленая. Такая вода непригодна для сельского хозяйства и питья. Доля пресной составляет около 2,5 %. Менее 0,3 % всей пресной воды содержится в реках, озерах и атмосфере, и еще меньшее количество (0,003 %) находится в живых организмах.

Вода в нормальных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние. Атомы водорода присоединяются к атому кислорода и образуют угол 104,45°. Из-за большой разницы в электроотрицательности атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. Каждая молекула воды образует до четырех водородных связей: две из них образует атом кислорода, и две — атомы водорода. Количество таких связей и их разветвленная структура определяют высокую температуру кипения воды.

Вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружена молекулами воды, причем положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода.

Чистая вода — хороший изолятор. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда есть те или иные соли, т.е. в воде

5

присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода и проводит электричество. По ее электропроводности можно определить ее чистоту.

Загрязнение пресных вод происходит при попадании различных вредных веществ в воды рек, озер, подземных вод. В большинстве случаев этот процесс остается невидимым, поскольку загрязнители растворены в воде. Но есть и исключения: пенящиеся моющие средства, а также плавающие на поверхности нефтепродукты и неочищенные стоки.

Вода — химически активное вещество. Сильно полярные молекулы воды связывают другие ионы и молекулы, образуя гидраты и кристаллогидраты.

Воду можно получить в ходе реакций:

1) нейтрализации:

Вода реагирует при комнатной температуре:

с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.), со фтором и галоидными соединениями (при низких температурах):

с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз;

с карбидами, нитридами, фосфидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.);

со многими солями, образуя гидраты.

6

Вода реагирует при нагревании с железом, магнием, углем.

Если рассматривать полезные качества воды, то в строительстве

ею затворяют сухие смеси для получения растворов различного применения, что является очень удобным способом на сегодняшний день. При приготовлении бетона также нужно помнить и то, что вода полезна только до определенного соотношения. При добавлении лишней водыуменьшается прочность приготовленного бетона. Практически во всех строительных конструкциях присутствует вода, количество которой определяется величиной относительной влажности.

Важным моментом при приготовлении растворов и бетонов является то, что вода в строительстве должна быть чистой, а также она не должна превышать допустимое количество вредных примесей, которые нарушат процесс нормального схватывания и твердения вяжущего вещества и к тому же значительно снизят прочность и, соответственно, долговечность бетона и растворов.

Для приготовления растворов и бетона желательно использовать водопроводную питьевую воду, воду с показателем кислотности рН = 7 (нейтральную) либо воду, дающую слабокислую или слабощелочную реакцию (от 4 до 12,5). Вода в строительстве не должна содержать чрезмерного количества вредных примесей: органических веществ (сахаров, фенолов, нефтепродуктов, масел и жиров), растворимых солей, а также частиц глины, пыли, песка и почвы во взвешенном состоянии. Иногда приходится выполнять химический анализ воды для проверки ее пригодности.

В строительстве вода может быть также и причиной негативных явлений. Если Вам приходилось видеть отколотый кирпич на фасадах домов, то это, как правило, произошло вследствие его намокания, а при замораживании произошло его разрушение. Эти процессы происходят при переходе температуры воздуха через 0°, чаще всего весной.

7

ЛЕКЦИЯ 2. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ

Так как вода является самым распространенным растворителем на планете, то большая часть химии при ее зарождении начиналась именно как химия водных растворов веществ.

Являясь слабым электролитом, вода в незначительной степени дис-

социирует на ионы по уравнению:

Воду иногда рассматривают как амфолит — и как кислоту, и как основание одновременно (при диссоциации вода образует и катион H+ и анион OH−). При отсутствии посторонних веществ в воде присутствует одинаковая концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония).

Электролитической диссоциацией называют распад молекул электролита в водном растворе или расплаве на ионы — положительно заряженные (катионы) и отрицательно заряженные (анионы).

Электролит — вещество, водные растворы и расплавы которого проводят электрический ток.

Процесс электролитической диссоциации изображают, используя химические уравнения, например:

Основные понятия процесса электролитической диссоциации веществ в растворах были опубликованы шведским ученым С. Аррениусом в 1887 г.

Основные ее положения:

1.При растворении в воде (или расплавлении) электролиты распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы.

2.Электролитическая диссоциация — процесс обратимый.

8

3.Под действием постоянного электрического тока катионы (+) двигаются к катоду (–), а анионы (–) двигаются к аноду (+).

4.Степень электролитической диссоциации (α) зависит от природы электролита и растворителя, температуры и концентрации. Она показывает отношение числа молекул, распавшихся на ионы (n), к общему исходному числу молекул растворенного вещества (N):

α = n / N; 0 < α <l.

По степени диссоциации вещества подразделяются на сильные и слабые электролиты, а также на неэлектролиты.

МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ

Аррениус придерживался физической теории растворов и не учитывал взаимодействие электролита с водой, считая, что в растворах находятся свободные ионы.

Русские химики И.А. Каблуков и В.А. Кистяковский применили для объяснения электролитической диссоциации химическую теорию растворов Д.И. Менделеева и доказали, что при растворении электролита происходит его химическое взаимодействие с водой, в результате которого электролит диссоциирует на ионы. Процесс диссоциации происходит в результате сложного взаимодействия молекул растворяемого вещества и полярных молекул растворителя.

При растворении соединений с ионными связями (например, NaCl) процесс начинается с ориентации диполей растворителя вокруг всех выступов и граней кристаллов соли.

Ориентируясь вокруг ионов кристаллической решетки, молекулы растворителя образуют с ними либо водородные, либо донорно-акцеп- торные связи. При этом сольватированные ионы слой за слоем переходят в растворитель и, перемешиваясь с его молекулами, образуют раствор.

Аналогично диссоциируют и вещества, в молекулах которых имеются полярные ковалентные связи (полярные молекулы). Вокруг каждой полярной молекулы вещества (например, НС1) определенным образом ориентируются диполи воды. В результате взаимодействия с диполями воды полярная молекула еще больше поляризуется, происходит разрыв полярной связи, и в результате образуются свободные гидратированные ионы.

9