Sadrové materiály a ich fyzikálne vlastnosti

Protipožiarne vlastnosti sadry sú pravdepodobne najznámejšie. Stručne si ich preto priblížime hneď v úvode.

Protipožiarna odolnosť sadry

Ak je sadra, presnejšie jej hydratovaná forma, ktorá je chemicky blízka sadrovcu, vystavená teplotám nad 160 °C alebo dokonca ohňu, uvoľní sa z jej jednej tony až 200 litrov vody vo forme vodnej pary. Vyplýva to z jej chemického zloženia CaSO₄·2H₂O, kedy na každú molekulu síranu vápenatého pripadajú dve molekuly vody. S trochou zveličenia je možné povedať, že pri hasení stavieb so sadrovými konštrukciami pôsobí už pred príjazdom hasičov hasiaca voda o objeme asi pätiny objemu exponovaných sadrových konštrukcií. Podstatné je, že pri odbúravaní vody z kryštálovej mreže sadrovca sa spotrebuje veľké množstvo tepelnej energie. Výpočet tohto tepla je v Dodatku číslo 1 za článkom. Uvažujme miestnosť 5 × 4 m o výške stien 3 m, ktorej steny a strop sú vybavené sadrovým obkladom či omietkou o hrúbke 2 mm. Celkový objem sadry je potom 1,48 m³, čo predstavuje hmotu asi 1000 kg. Oheň znamená veľký prísun tepla. V prvej a pre nás dôležitej fáze toto teplo vyvolá „odparenie vody z kryštálovej mreže". Tento dej pripomína skutočné odparovanie vody v hrnci na platni: jeho obsah sa nepripáli, pokiaľ sa nevyvarí všetka voda. Podobne teplota sadry sa drží na bezpečnej úrovni, pokiaľ sa sadra nezbaví kryštálovej vody. Po odparení vody – v druhej fáze – sa ešte po určitý čas uplatňujú efekty vysokej tepelnej akumulácie sadry, ktoré tiež brzdí ohrev. K zahriatiu dehydratovanej sadry na 300 °C je treba dodať ďalších cca 83 kWh.

Sadrová omietka ponúka nielen perfektný vzhľad, ale aj veľmi príjemné a zdravé prostredie pre bývanie. Ilustračné foto Rigips

V Dodatku číslo 1 je spočítané, že k uvoľneniu vody z jednej tony sadrovca je treba dodať cez 106 MJ energie, v iných jednotkách takmer 30 kWh. Celkovo s efektom akumulácie to robí cez 113 kWh tepla, ktoré zodpovedá spáleniu 11 m³ zemného plynu. Kombinácia chemickej premeny (dehydratácie) a tepelnej akumulácie robí zo sadrových stavív materiál s výnimočnou požiarnou odolnosťou.

Sadra je šetrná k ľudskému zdraviu

Za pozornosť stojí aj ďalšia vlastnosť sadry, čiže jej jedinečnosť z hľadiska zdravotnej bezpečnosti. V kontakte s pokožkou sa správa šetrne. Nevysušuje ju, ani nezaťažuje prílišnou vlhkosťou. Okrem vodnej pary neuvoľňuje sadra žiadne nebezpečné látky, ionty ani radikály. Síran vápenatý - pokiaľ sa napr. pri olíznutí sadrovej steny dostane do tela batoľaťa, nespôsobí mu žiadne zdravotné problémy. Tento materiál je vo veľkom množstve používaný v medicíne pre kontaktné tuhé fixačné obväzy a nie je známe, že by sadra pokožku a tkanivo akokoľvek poškodzovala alebo u nej vyvolávala alergické reakcie.

V súvislosti so sadrovými stavebnými materiálmi môžeme občas čítať, že majú rovnakú hodnotu pH ako ľudská koža a tiež rovnakú priepustnosť pre difúziu vodnej pary.

Je dobré si uvedomiť, že hodnota pH vyjadruje kyslosť či zásaditosť vodných roztokov. Podrobnejšie informácie o veličine pH sú v Dodatku číslo 2. Je zrejmé, že pevná, stuhnutá sadra aj ľudská koža majú k roztoku ďaleko. Aj napriek tomu obidve môžu kyslosť či zásaditosť prejavovať. Výsledok merania pH ľudskej kože zrejme znamená, že ide o pH pôvodne čistej vodnej kvapky na ľudskej pokožke, u ktorej sa po istom čase ustálila hodnota pH zodpovedajúca reakcii pokožky. Často sa uvádza hodnota pH = 5,5, čo znamená, že reakcia ľudskej pokožky je mierne kyslá.

pH sadry a čo to je?

Tiež reakcia tuhej sadry na pomyselnú vodnú kvapku je kyslá. Naznačuje to fakt, že kyselina sírová je silnejšou kyselinou, než je hydroxid vápenatý zásadou (neutralizáciou oboch vzniká síran vápenatý). Presný výpočet, ktorý je naznačený v Dodatku 3, dáva pre vodnú kvapku na sadrovom povrchu hodnotu pH ≈ 4,0 v prípade, že ide o nasýtený roztok. V praxi sa kvapka na sadrovom povrchu neudrží, ale pokus je možné uskutočniť tak, že kus stuhnutej stavebnej sadry vložíme do nádoby s vodou a necháme vylúhovať.

Z výpočtu a zo správania síranu vápenatého je jasná ďalšia skutočnosť. Cez túto kyslosť sadrového výluhu sú chemické aktivity látok alebo iontové sily iontov, ktoré prešli zo sadry do vody, slabé. Je to dané práve nízkou rozpustnosťou síranu vápenatého vo vode.

Stabilizácia vlhkosti – jedinečná vlastnosť sadry

Fyzikálne chemická „znášanlivosť" a z ľudského pohľadu až „spolupráca" sadry a vody si žiada pozornosť.

Neobvyklé správanie kryštálovej vody v sadre sme spomenuli už pri popise jej protipožiarnej odolnosti. Voda sa z kryštálovej mreže odbúrava takmer rovnako ľahko, ako sa odparuje z vodnej hladiny. Pokiaľ práve nehorí, kryštálová a voľná voda tvorí s kryštalickou mriežkou sadrovca rovnovážny systém popísaný vratnými reakciami:

Pre úplnosť uveďme ešte rovnovážnu reakciu vody s jej parou:

Čísla pod rovnicami vyjadrujú molárne zlučovacie Gibbsove energie. Kladné znamienko pri položke „teplo" znamená, že k posunutiu rovnováhy v prospech zložiek vpravo je potrebná energia. Rovnovážne konštanty podľa (D4-1) v Dodatku 4 sú K₍₁₎ = 0,14 pre rovnováhu (1), K₍₂₎ = 7,6×10–4 pre (2) a K₍₃₎ = 3,12×10–2. Molárnu koncentráciu vodnej pary v mol/dm³ je možné vyjadriť pomocou čiastočného tlaku pary, viď Dodatok 4. Pre (2) potom platí:

Vzduch o teplote 25 °C a relatívnej vlhkosti 60 % obsahuje 14,4 g vodnej pary v jednom m³. To zodpovedá molárnej koncentrácii vodnej pary vo vzduchu 8×10^-4 mol/dm³ a čiastočnému tlaku 1990 Pa.

Ako tieto čísla interpretovať? Keby ustálené hmotnostné pomery medzi sadrou (hemihydrátom) a sadrovcom (dihydrátom) v stuhnutej hmote záviseli len na obsahu vzdušnej vlhkosti, ktorá je približne 8×10^-4 mol/dm³, materiál by bol podľa (4) pri hodnote rovnovážnej konštanty K₍₂₎ = 7,6×10^–4 prakticky vysušený. Na 33 molekúl sadry CaSO₄·0,5H₂O by pripadla jediná molekula dihydrátu.

To sa však nepozoruje. Na ustálené pomery musí mať preto vplyv reakcia (1). Pri realistickejšom pomere, keď je rovnováha posunutá v prospech dihydrátu, na ktorého 9 molekúl pripadá jedna molekula sadry, musí materiál obsahovať v póroch voľnú vodu o koncentrácii 24 kg/m³. Pre pomer zložiek 99:1 by to bolo už 112 kg/m³.

Zvádza to k myšlienke predstavovať si sadru aplikovanú v stavebných konštrukciách ako porézny hríb nasiaknutý vodou. To by vysvetľovalo funkciu sadrových stavív ako akumulátora vlhkosti, ktorý stabilizuje vlhkosť.

S tým súvisí veľká výmena vodnej pary medzi sadrovým materiálom a vzduchom. Vzdušná vodná para, ktorá na seba viaže radu polutantov, sa niektorých môže v sadrovom materiáli zbaviť. Fázové a chemické premeny medzi vodou, parou a kryštálovou vodou sú sprevádzané výmenami reakčného tepla, ktoré majú vplyv na tepelnú akumuláciu a stabilizáciu teploty.

Těmto tématům se budeme věnovat v dalších číslech.

Literatúra a zdroje:

[1] Julák, A., Štulík, K., Vohlídal, J.: Chemické a analytické tabulky, GRADA Publishing 1999

Dodatok 1

Dehydratácia sadrovca je popísaná rovnicou

Konečnými produktami reakcie je anhydrit (bezvodný síran vápenatý) a vodná para. Údaje v gramoch v 1. riadku pod rovnicou označuje množstvo látok, ktorá v reakcii vystupujú. Ak sa z 172,17 g hydratovanej sadry uvoľní za vysokej teploty 36 g vodnej pary, ako ukazuje rovnica, potom z tony sadry to je viac než 200 kg. K tomu je treba dodať tepelnú energiu 18,32 kJ na jeden mol, tzn. na 172,17 g sadrovca. To plynie z 2. riadku pod rovnicou D1, ktorý udáva tzv. štandardné molárne zlučovacie energie látok vystupujúcich v reakcii. Na tonu sadrovca to je už 106,4 MJ, teda 29,6 kWh.

Rovnica (D2) ukazuje na podobnosť tohto javu s odparovaním vodnej pary. Teplo, ktoré je potrebné dodať vode, aby sa odparili 2 moly (32 g) vodnej pary, je veľmi blízke teplu, ktoré sa spotrebuje na „odparenie" dvoch molov vody zo sadrovca.

Dodatok 2

pH, kyslosť, vodíkový exponent. Čistá voda obsahuje molekuly vody a v malom množstve tiež oxoniové a hydroxylové iónty podľa rovnice:

Dej sa nazýva autoprotolýza, pretože sa primárne oddeľuje od molekuly vody iont ^H+, ktorý nie je schopný samostatnej existencie. Preto sa viaže na ďalšiu molekulu vody za vzniku oxoniového kationtu. Až neskôr sa zistilo, že vodíkový kationt ^H+ tvorí v skutočnosti komplex so štyrmi molekulami vody [H(H₂O)₄]⁺.

Pokiaľ sú kationty H₃O⁺ v prevahe nad aniontami OH^–, je roztok kyslý, v opačnom prípade zásaditý, pokiaľ je ich počet v roztoku vyrovnaný, je neutrálny. Hodnota pH je definovaná ako záporný dekadický logaritmus aktivity oxoniových kationtov. V zriedených vodných roztokoch je možné aktivity nahradiť molárnou koncentráciou, ktorá udáva počet molov látky v 1 dm³. Potom platí:

Symbol pH, namiesto p(H₃O), pochádza z doby, keď sa predpokladala samostatná existencia kationtov H⁺. Podstatné je, že vo vodnom roztoku je pri danej teplote súčin molárnej koncentrácie oxoniových a hydroxylových iontov, tzv. iontový súčin vody, konštantný. Špeciálne pri teplote 25 °C je vždy.

Chemicky čistá voda pri teplote 25 °C má c(H₃O⁺) = c(OH^–) = 10^–7 mol/dm³, teda podľa (D2-2) je pH = 7. Ak prilejeme do vody kyselinu, pH klesne, najviac však k hodnote pH = 0 (pritom bude pOH = 14). Pre zásadu analogicky.

Pozn.: c(H₃O⁺) = 10^–7 c(OH^–) znamená, že v 1 dm³ roztoku sa nachádza 10^–7 molov látky, čo je 19·10^-7 g H₃O⁺, resp. 17·10^-7 g OH^–, ako plynie z relatívnych atómových hmotností vodíku a kyslíku podľa periodickej tabuľky prvkov. Nasledujúca tabuľka ukazuje závislosť iontového súčinu K_v = c(H₃O⁺)·c(OH^–) vody na teplote

Dodatok 3

Hodnotu pH vody nasýtenej síranom vápenatým je možné spočítať z hodnoty rozpustnosti sadry a z hodnôt disociačných konštánt kyseliny sírovej a hydroxidu vápenatého. Pri teplote 25 °C sa rozpustí maximálne 0,275 g CaSO₄·2H₂O na 100 ml vody [1], čo predstavuje molárnu koncentráciu C = 1,6×10^-6 mol/liter.

Rozpustený síran vápenatý sa pôsobením vody disociuje na kationty Ca²⁺ a SO₄^2-, ktoré sa vo vode hydrolyzujú na kyselinu sírovú a hydroxid vápenatý. Tie sa čiastočne a v dvoch stupňoch disociujú na ionty

V zátvorke sú ako pK uvedené tabuľkové hodnoty záporného dekadického logaritmu disociačnej konštanty K zodpovedajúcej reakčnej rovnováhy. Platí pK = –log₁₀K.

Podľa medzinárodného značenia budeme molárne koncentrácie uvádzať hranatými zátvorkami, napr. molárnu koncentráciu iontov HSO₄^– zapíšeme ako [HSO₄^–] atď. Pre hodnotu K_A,I platí

odobne vyjadríme známe disociačné konštanty K_A,II, K_B,I a K_B,II. Ďalšia, piata rovnica vyjadruje vzťah medzi molárnymi koncentráciami oxoniových (vodíkových) a hydroxylových iontov

Šiesta a siedma rovnica vyjadruje zákon zachovania látky

A konečne posledná, ôsma rovnica popisuje neutralitu roztoku

Máme 8 rovníc, ktoré tvoria úplnú sústavu pre výpočet ôsmich molárnych koncentrácií z rovníc (D3-3) až (D3-5). Zaujíma nás hlavne [H⁺] pre určenie pH. Úspech závisí na algebraických skúsenostiach riešiteľa. Postupuje sa napr. tak, že molárne koncentrácie (až na [H⁺]) vyjadríme ako funkcie disociačných konštánt, molárnej rozpustnosti a [H⁺] a dosadíme do (D3-5). Potom riešime kvadratickú rovnicu s premennou [H⁺].

Dodatok 4

Rovnovážnu konštantu môžeme vypočítať zo známej štandardnej molárnej zlučovacej Gibbsovej energie pomocou všeobecného vzťahu