Складових портландцементу

Умовне позна-чення мінералу	Тепловий ефект гідратації	Міцність продуктів твердіння
Повної, Дж/г	За три доби, %
C3S	502, 7	75—80	велика
C2S	259, 78		невелика в перші місяці, зростає на протязі декількох років
C3A	850, 57		низька
C4AF			середня

З наведених стислих характеристик складових портландцементу можна зробити висновок про вплив їхнього кількісного вмісту на властивості цементу. Так, якщо необхідно одержати швидкотвердіючий цемент для виробництва залізобетонних виробів, виготовляють клінкер з підвищеним вмістом C₃S та C₃A. Ці мінерали в сумі повинні складати не менше, ніж 65—70 ваг. %.

При будівництві гідротехнічних споруд, навпаки, вміст цих мінералів по-винен бути мінімальним, бо значне тепловиділення (екзотермічний ефект) при твердінні цементу може спричинити виникнення деформацій у бетоні.

Цемент широко використовується для одержання бетону та залізобетону.

Бетон — це неоднорідний каменеподібний матеріал, що складається з це-ментного каменю та дрібного (пісок) і крупного (щебінь, гравій) заповнювача.

8.5. КОРОЗІЯ БЕТОНУ. МЕТОДИ ЗАХИСТУ БЕТОНУ ВІД КОРОЗІЇ

Корозія бетону — це руйнування бетону під дією зовнішнього середови-ща. Найбільш корозійно нестійким є цементний камінь, а серед складових це-ментного каменю — гідроксид кальцію Са(ОН)₂.

У залежності від механізму процесів, що відбуваються, корозію бетону можна поділити на три види. Розглянемо їх детально.

1. Розкладання речовин цементного каменю водою з наступним розчиненням та вимиванням гідроксиду кальцію, що утворився при цьому, або був наявним у бетоні раніше внаслідок гідролізу трикальцієвого силікату.

2. Утворення добре розчинних речовин внаслідок взаємодії складових цементного каменю з речовинами навколишнього середовища та вимивання цих речовин водою. Прикладами корозії другого виду можуть бути:

а) магнезіальна корозія, яка відбувається внаслідок взаємодії гідроксиду кальцію з солями магнію

Ca(OH)₂ + MgCl₂ → CaCl₂ + Mg(OH)₂ ¯.

Гідроксид магнію має дуже малу розчинність у воді і випадає в осад у ви-гляді пухкої водопроникної маси, яка легко вимивається водою;

б) вуглекислотна корозія, яка відбувається внаслідок взаємодії нерозчинного карбонату кальцію з агресивним діоксидом вуглецю, що міститься у воді, з утворенням добре розчинного гідрокарбонату кальцію

CaCO₃ + CO₂ + H₂O <=> Ca(HCO₃)₂.

Карбонат кальцію утворюється в бетоні при взаємодії гідроксиду кальцію з діоксидом вуглецю повітря (процес карбонізації)

Са(ОН)₂ + СО₂ + Н₂О → СаСО₃ ¯ + 2Н₂О;

в) кислотна корозія, наприклад, взаємодія гідроксиду кальцію з соляною кислотою, внаслідок чого утворюється добре розчинний хлорид кальцію

Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O.

3. Утворення в цементному камені сполук, що мають більший об'єм, ніж вихідні речовини. Прикладом може бути сульфатна корозія. Сульфати зустрічаються в більшості природних вод, а також у стічних водах. При взаємодії сульфатів з гідроксидом кальцію цементного каменю утворюється сульфат кальцію

Ca(OH)₂ + SO^2-₄ + 2H₂O→ CaSO₄·2H₂O + 2OH^-.

Сульфат кальцію може далі взаємодіяти з шестиводним трикальцієвим алюмі-натом з утворенням гідросульфоалюмінату кальцію

3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 3CaSO₄ + 25(26)H₂O → 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·31(32)H₂O.

Об'єм утвореного продукту приблизно в 3 рази перевищує об'єм вихідної речо-вини, що викликає появу тріщин та руйнування бетону.

Методи захисту бетону від корозії. Для захисту бетону від корозії необхідно, по-перше, правильно вибрати вид цементу в залежності від умов експлуатації бетонної споруди. Наприклад, щоб запобігти сульфатній корозії треба викори-стовувати сульфатостійкий цемент, який відрізняється від портландцементу зниженим вмістом трикальцієвого алюмінату. При можливій дії на бетонну споруду грунтових вод з підвищеним вмістом діоксиду вуглецю викори-стовують пуцолановий цемент, що містить до 30 % аморфного кремнезему SiO₂ (трепел, інфузорна земля). Аморфний кремнезем уже за звичайних умов взаємодіє з Са(ОН)₂ з утворенням нерозчинного силікату кальцію

Ca(OH)₂ + SiO₂ → CaSiO₃ + H₂O.

По-друге, треба виготовляти особливо щільний бетон, внаслідок чого зменшу-ється дифузія агресивних речовин в його товщу. Для цього за допомогою пластифікуючих домішок зменшують кількість води при замішуванні цементу.

По-третє, використовують покриття, серед яких широко застосовуються обли-цювальна плитка, бітуми, кремнійорганічні та інші полімери, рідке скло (Na₂SiO₃), яке при висиханні утворює на поверхні полімерну плівку.

Розділ 9.

ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ

9.1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

До органічних речовин належать усі сполуки вуглецю, за винятком СО, СО₂, Н₂СО₃, солей вугільної кислоти, карбідів, цианідів та деяких інших речо-вин, що мають більше спільних властивостей з неорганічними, ніж з органіч-ними речовинами.

Органічні сполуки обов’язково містять атоми вуглецю і водню, крім того до складу їхніх молекул можуть також входити кисень, азот, сірка, фосфор, галогени. Тому органічні сполуки можна визначити як вуглеводні та їхні похідні.

Завдяки унікальній здатності атомів вуглецю утворювати хімічні зв’язки один з одним та з атомами більшості інших елементів, кількість органічних сполук надзвичайно велика, більша, ніж неорганічних, утворених усіма елементами періодичної системи.

Органічні сполуки мають ряд характерних особливостей, які стали причи-ною виділення органічної хімії в самостійну науку, як хімію сполук вуглецю.

1. В молекулах органічних сполук атоми з’єднані в основному ковалентними зв’язками, неполярними (С–С) або мало полярними (С–Н), тому більшість органічних сполук не є електролітами.

2. Хімічні реакції між органічними сполуками відбуваються повільніше, ніж між неорганічними і, як правило, не доходять до кінця.

3. Органічні сполуки не такі стійкі, як неорганічні, легко змінюються під час нагрівання, більшість з них горючі.

4. Молекули багатьох органічних сролук складаються з великої кількості атомів, що не характерно для неорганічних сполук.

5. Для органічних речовин характерне явище ізомерії, тобто існування речо-вин з однаковим якісним і кількісним складом і молекулярною масою але різною будовою, і тому з різними фізичними та хімічними властивостями.

9.2. ТЕОРІЯ ХІМІЧНОЇ БУДОВИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

О. М. БУТЛЕРОВА

Науковим фундаментом сучасної теорії будови хімічних сполук стала структурна теорія (або теорія будови органічних сполук), яка була розроблена в другій половині XIX століття і в яку величезний внесок зробила наукова школа російського хіміка О. М. Бутлерова.

Суть цієї теорії зводиться до таких основних положень:

1. Атоми розташовані в молекулах не безладно, а сполучені один із одним хімічними зв’язками в певній послідовності відповідно до їхніх валентностей. Ця послідовність називається хімічною будовою. Хімічну будову можна зобра-зити структурною формулою, в якій хімічні зв’язки між атомами зображуються рисками.

2. Властивості речовин залежать не тільки від їхнього якісного та кількісного складу, але й від хімічної будови молекул.

Це означає, що ізомери (речовини з однаковим складом, але різною будо-вою) мають різні властивості. Наприклад, етанол та диметиловий ефір.

СН₃–СН₂–ОН СН₃–О–СН₃

етанол диметиловий ефір

3. За властивостями даної речовини можна визначити будову її молекули, а за будовою молекули передбачити її властивості.

4. Атоми або групи атомів у молекулах взаємно впливають один на одного, безпосередньо або через інші атоми. Так, у молекулі оцтової кислоти СН₃СООН атом водню в групі СООН може відщеплюватися в водному розчині в вигляді іону Н⁺, а атом водню в групі СН₃ міцно зв’язаний з атомом вуглецю і не може відщеплюватися у вигляді іона.

Квантово-механічні уявлення про будову атомів і молекул блискуче під-твердили і поглибили основні положення цієї теорії.

Вуглець в усіх органічних сполуках чотиривалентний. Відповідно до сучас-них електронних уявлень хімічний зв’язок виникає за рахунок неспарених елек-тронів атома. Атом вуглецю при утворенні органічної сполуки переходить у збуджений стан:

С(1s²2s²2p²) → C*(1s²2s¹2p³).

Чотири орбіталі атома вуглецю, що мають неспарені електрони, дають мо-жливість атому утворити чотири ковалентні зв’язки, тобто бути чотиривалент-ним в сполуках. Усі чотири зв’язки, які утворює вуглець, абсолютно рівноцін-ні. Це пояснюється тим, що в момент утворення зв’язків відбувається гібриди-зація (змішування та вирівнювання орбіталей за формою і енергією) атомних s- і р- орбіталей з утворенням чотирьох однакових гібридних орбіталей.

Для атома вуглецю можливі три валентних стани з різними типами гібри-дизації: sp³ -, sp²-, sp - гібридизація.

Атоми вуглецю здатні з’єднуватися один із одним одинарним зв’язком

(–С–С–; sp³- гібридизація, валентні кути 109°28´); подвійним (–С=С–; sp² - гібридизація, валентні кути 120°) і потрійним зв’язком (–С≡С–; sp- гібриди-зація, валентний кут 180º), утворюючи прямі, розгалужені і замкнуті ланцюги.

9.3. КЛАСИФІКАЦІЯ

Залежно від будови вуглецевого ланцюга органічні сполуки поділяють на ациклічні й циклічні.

Ациклічними є сполуки, молекули яких складаються з відкритих (незамкне-них) вуглецевих ланцюгів — прямих або розгалужених:

ï

ï ï ï ï — С —

— С — С — С — С — ï ï ï

ï ï ï ï — С — С — С —

ï ï ï

прямий ланцюг розгалужений ланцюг

Ациклічні сполуки називають аліфатичними або сполуками жирного ряду. Їх поділяють на насичені та ненасичені. Сполуки з простими (одинарними) d - зв’язками (С–С) є насиченими, а з кратними d+π - зв’язками (С=С, СºС) — ненасиченими.

Циклічними називають сполуки, молекули яких складаються з замкнених у кільця вуглецевих ланцюгів. Циклічні сполуки поділяють на карбоциклічні (цикли містять тільки атоми вуглецю) і гетероциклічні (цикли містять, крім атомів вуглецю, атоми інших елементів — кисню, азоту, сірки тощо:).

карбоциклічна сполука гетероциклічна сполука

Ациклічні й циклічні сполуки поділяють на класи за функціональними групами. Функціональними називають групи атомів, що надають речовинам певних хімічних властивостей. Вихідним класом при такій класифікації є спо-луки вуглецю з воднем — вуглеводні. Шляхом заміщення водневого атому в вуглеводнях на функціональну групу можна перейти до будь-якого класу сполук.

Будь-який клас органічних сполук можна зобразити загальною формулою R-Х, де Х — функціональна група, R — радикал (залишок вуглеводня, який утворюється, якщо від молекули відняти один атом водню).

Наприклад: СН₄-метан; СН₃-радикал «метил»;

С₂Н₆-етан; С₂Н₅-радикал «етил».

Найважливіші класи органічних сполук наведені в таблиці 7.

Таблиця 7