Sádrové materiály a jejich fyzikální vlastnosti

Sádra je jeden z nejstarších stavebních materiálů a pro své vlastnosti je již tisíciletí užívána v bydlení. Sádrové desky a omítky se hodí pro stěny i stropy v kuchyni, koupelně i ve sklepě. Ve struktuře sádry jsou vázány molekuly vody. Díky tomu má sádra výborné protipožární vlastnosti, účinně ovlivňuje vlhkost vzduchu, udržuje stabilní teplotu a zlepšuje i jiné pobytové vlastnosti stavby.

Protipožární vlastnosti sádry jsou pravděpodobně nejznámější. Stručně si je proto přiblížíme hned úvodem:

Je-li sádra, přesněji její hydratovaná forma, která je chemicky blízká sádrovci, vystavena teplotám nad 160 °C nebo dokonce ohni, uvolní se z její jedné tuny až 200 litrů vody ve formě vodní páry. Vyplývá to z jejího chemického složení CaSO₄·2H₂O, kdy na každou molekulu síranu vápenatého připadají dvě molekuly vody. S trochou nadsázky lze říct, že při hašení staveb se sádrovými konstrukcemi působí už před příjezdem hasičů hasební voda o objemu asi pětiny objemu exponovaných sádrových konstrukcí.Podstatné je, že při odbourávání vody z krystalové mříže sádrovce se spotřebuje velké množství tepelné energie. Výpočet tohoto tepla je na v Dodatku 1 za článkem.

Uvažujme místnost 5 × 4 m o výšce stěn 3 m, jejíž stěny a strop jsou opatřeny sádrovým obkladem či omítkou o tloušťce 2 cm. Celkový objem sádry pak je 1,48 m³, což představuje hmotu asi 1000 kg. Oheň znamená velký přísun tepla. V prvé a pro nás důležité fázi toto teplo vyvolá „odpaření vody z krystalové mříže". Tento děj připomíná skutečné odpařování vody v hrnci na plotně: jeho obsah se nepřipálí, dokud nevyvře veškerá voda. Podobně teplota sádry se drží na bezpečné úrovni, dokud se sádra nezbaví krystalové vody. Po odpaření vody se – v druhé fázi – ještě po nějakou dobu uplatňují efekty vysoké tepelné akumulace sádry, které také brzdí ohřev. K ohřátí dehydratované sádry na 300 °C je třeba dodat dalších cca 83 kWh.

V Dodatku 1 je spočítáno, že k uvolnění vody z jedné tuny sádrovce je třeba dodat přes 106 MJ energie, v jiných jednotkách téměř 30 kWh. Celkově s efektem akumulace to dělá přes 113 kWh tepla, které odpovídá spálení 11 m³ zemního plynu. Kombinace chemické přeměny (dehydratace) a tepelné akumulace dělá ze sádrových staviv materiál s výjimečnou požární odolností.

Sádrové stěny, obklady, omítky pro příjemné a zdravé prostředí

Sádrokartonové nebo sádrovláknité desky, sádrové omítkové směsi nebo sádrové (anhydritové) podlahové potěry umožňují nejen rychlou a snadnou výstavbu. Podstatně také přispívají ke…

Sádra šetrná k lidskému zdraví

Za pozornost stojí i další vlastnost sádry, totiž její jedinečnost z hlediska zdravotní bezpečnosti. V kontaktu s pokožkou se chová šetrně. Nevysušuje ji, ani nezatěžuje přílišnou vlhkostí. Kromě vodní páry neuvolňuje sádra žádné nebezpečné látky, ionty ani radikály. Síran vápenatý, pokud se např. při olíznutí sádrové stěny dostane do těla batolete, mu nezpůsobí žádné potíže. Tento materiál je hojně používán v medicíně pro kontaktní tuhé fixační obvazy a není známo, že by sádra pokožku a tkáně jakkoli poškozovala nebo u ní vyvolávala alergické reakce.

V souvislosti se sádrovými stavebními materiály můžeme občas číst, že mají stejnou hodnotu pH jako lidská kůže a také stejnou propustnost pro difuzi vodní páry.

Je dobré si uvědomit, že hodnota pH vyjadřuje kyselost či zásaditost vodných roztoků. Podrobnější informace o veličině pH je v Dodatku 2. Je zřejmé, že pevná, ztvrdlá sádra i lidská kůže mají k roztoku daleko. Přesto obě mohou kyselost či zásaditost projevovat. Výsledek měření pH lidské kůže zřejmě znamená, že jde o pH původně čisté vodní kapky na lidské pokožce, u níž se po jisté době ustálila hodnota pH odpovídající reakci pokožky. Často se uvádí hodnota pH = 5,5, což znamená, že reakce lidské pokožky je mírně kyselá.

Jesmonite

Stejně jako mnohé další moderní materiály, i JESMONITE vznikl z nutnosti vylepšení jiných tradičních materiálů či potřeby využití průmyslového odpadu. Inženýrům se tak povedlo…

pH sádry a co to je

Také reakce ztuhlé sádry na pomyslnou vodní kapku je kyselá. Naznačuje to fakt, že kyselina sírová je silnější kyselinou, než je hydroxid vápenatý zásadou (neutralizací obou vzniká síran vápenatý). Přesný výpočet, jenž je naznačen v Dodatku 3, dává pro vodní kapku na sádrovém povrchu hodnotu pH ? 4,0 v případě, že jde o nasycený roztok. V praxi se kapka na sádrovém povrchu neudrží, ale pokus lze uspořádat tak, že kus ztvrdlé stavební sádry vložíme do nádoby s vodou a necháme vyluhovat.

Z výpočtu a z chování síranu vápenatého je zřejmá další skutečnost. Přes tuto kyselost sádrového výluhu jsou chemické aktivity látek nebo iontové síly iontů, které přešly ze sádry do vody, slabé. Je to právě dané nízkou rozpustností síranu vápenatého ve vodě. Pro srovnání jsou v tab. 1 uvedeny hodnoty pH některých běžných roztoků.

Tmelení sádrokartonových konstrukcí

Dokonale rovný a hladký povrch podhledů a svislých stěn je důležitý pro konečný vzhled a atraktivnost interiéru. Pohled na stěny musí lahodit oku a neměly by jej kazit trhliny a…

Stabilizace vlhkosti – jedinečná vlastnost sádry

Fyzikálně chemická „snášenlivost" a z lidského pohledu až „spolupráce" sádry a vody si říká o pozornost.

Nezvyklé chování krystalové vody v sádře jsme zmínili už při popisu její protipožární odolnosti. Voda se z krystalové mříže odbourává téměř stejně lehce, jako se odpařuje z vodní hladiny. Pokud právě nehoří, krystalová a volná voda tvoří s krystalovou mříží sádrovce rovnovážný systém popsaný vratnými reakcemi:

Pro úplnost uveďme ještě rovnovážnou reakci vody s její párou:

Čísla pod rovnicemi vyjadřují standardní molární slučovací Gibbsovy energie. Kladné znaménko u položky „teplo" znamená, že k posunutí rovnováhy ve prospěch složek vpravo je nutná energie. Rovnovážné konstanty podle (D4-1) v Dodatku 4 jsou K₍₁₎ = 0,14 pro rovnováhu (1), K₍₂₎ = 7,6×10^–4 pro (2) a K₍₃₎ = 3,12×10^–2. Molární koncentraci vodní páry v mol/dm³ lze vyjádřit pomocí částečného tlaku páry, viz Dodatek 4. Pro (2) pak platí:

Vzduch o teplotě 25 °C a relativní vlhkosti 60 % obsahuje 14,4 g vodní páry v jednom m³. To odpovídá molární koncentraci vodní páry ve vzduchu 8×10^-4 mol/dm³ a částečnému tlaku 1990 Pa.

Jak tato tato čísla interpretovat? Kdyby ustálené hmotnostní poměry mezi sádrou (hemihydrátem) a sádrovcem (dihydrátem) ve ztuhlé hmotě závisely jen na obsahu vzdušné vlhkosti, která je přibližně 8×10^-4 mol/dm³, materiál by byl podle (4) při hodnotě rovnovážné konstanty K₍₂₎ = 7,6×10^–4 prakticky vysušen. Na 33 molekul sádry CaSO₄·0,5H₂O by připadla jediná molekula dihydrátu.

To se však nepozoruje. Na ustálené poměry musí mít proto vliv reakce (1). Při realističtějším poměru, kdy je rovnováha posunuta ve prospěch dihydrátu, na jehož 9 molekul připadá jedna molekula sádry, musí materiál obsahovat v pórech volnou vodu o koncentraci 24 kg/m³. Pro poměr složek 99:1 by to bylo už 112 kg/m³.

Svádí to k myšlence představovat si sádru aplikovanou ve stavebních konstrukcích jako porézní houbu nasáklou vodou. To by vysvětlovalo funkci sádrových staviv jako akumulátoru vlhkosti, který stabilizuje vlhkost.

S tím souvisí velká výměna vodní páry mezi sádrovým materiálem a vzduchem. Vzdušná vodní pára, která na sebe váže řadu polutantů, se některých může v sádrovém materiálu zbavit. Fázové a chemické přeměny mezi vodou, párou a krystalovou vodou jsou doprovázeny výměnami reakčního tepla, které mají vliv na tepelnou akumulaci a stabilizaci teploty.

Literatura a zdroje:

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

Dodatek 1

Dehydratace sádrovce je popsána rovnicí

Konečnými produkty reakce je anhydrit (bezvodý síran vápenatý) a vodní pára. Údaje v gramech v 1. řádku pod rovnicí označuje množství látek, která v reakci vystupují. Jestliže se ze 172,17 g hydratované sádry uvolní za vysoké teploty 36 g vodní páry, jak ukazuje rovnice, pak z tuny sádry to je více než 200 kg. K tomu je třeba dodat tepelnou energii 18,32 kJ na jeden mol, tzn. na 172,17 g sádrovce. To plyne z 2. řádku pod rovnicí D1, který udává tzv. standardní molární slučovací energie látek vystupujících v reakci. Na tunu sádrovce to je už 106,4 MJ, tedy 29,6 kWh.

Rovnice (D2) ukazuje na podobnost tohoto děje s vypařováním vodní páry. Teplo, které je potřeba dodat vodě, aby se odpařily 2 moly (32 g) vodní páry, je velmi blízké teplu, které se spotřebuje na „odpaření" dvou molů vody ze sádrovce.

Dodatek 2

pH, kyselost, vodíkový exponent. Čistá voda obsahuje molekuly vody a v malém množství také oxoniové a hydroxylové ionty podle rovnice

Děj se nazývá autoprotolýza, protože se primárně odděluje od molekuly vody iont H⁺, který není schopen samostatné existence. Proto se váže na další molekulu vody za vzniku oxoniového kationtu. Až později se zjistilo, že vodíkový kationt H⁺ tvoří ve skutečnosti komplex se čtyřmi molekulami vody [H(H₂O)₄]⁺.

Pokud jsou kationty H₃O⁺ v převaze nad anionty OH^–, je roztok kyselý, v opačném případě zásaditý, pokud je jejich počet v roztoku vyrovnaný, je neutrální. Hodnota pH je definována jako záporný dekadický logaritmus aktivity oxoniových kationtů. Ve zředěných vodných roztocích lze aktivity nahradit molární koncentrací, která udává počet molů látky v 1 dm³. Pak platí:

Symbol pH, namísto p(H₃O), pochází z doby, kdy se předpokládala samostatná existence kationtů H⁺. Podstatné je, že ve vodném roztoku je při dané teplotě součin molární koncentrace oxoniových a hydroxylových iontů, tzv. iontový součin vody, konstantní. Speciálně při teplotě 25 °C je vždy

Chemicky čistá voda při teplotě 25 °C má c(H₃O⁺) = c(OH^–) = 10^–7 mol/dm³, tedy podle (D2-2) je pH = 7. Přilijeme-li do vody kyselinu, pH klesne, nejvýše však k hodnotě pH = 0 (přitom bude pOH = 14). Pro zásadu analogicky.

Pozn.: c(H₃O⁺) = 10^–7 c(OH^–) znamená, že v 1 dm³ roztoku se nachází 10^–7 molů látky, což je 19·10^-7 g H₃O⁺, resp. 17·10^-7 g OH^–, jak plyne z relativních atomových hmotností vodíku a kyslíku podle periodické tabulky prvků. Následující tab. 2 ukazuje závislost iontového součinu K_v = c(H₃O⁺)·c(OH^–) vody na teplotě

Tab. 2: Závislost iontového součinu K_v vody na teplotě.

Dodatek 3

Hodnotu pH vody nasycené síranem vápenatým lze spočítat z hodnoty rozpustnosti sádry a z hodnot disociačních konstant kyseliny sírové a hydroxidu vápenatého. Při teplotě 25 °C se rozpustí maximálně 0,275 g CaSO₄·2H₂O na 100 ml vody [1], což představuje molární koncentraci C = 1,6×10^-6 mol/litr.

Rozpuštěný síran vápenatý se působením vody disociuje na kationty Ca²⁺ a SO₄^2-, které se ve vodě hydrolyzují na kyselinu sírovou a hydroxid vápenatý. Ty se částečně a ve dvou stupních disociují na ionty

V závorce jsou jako pK uvedeny tabulkové hodnoty záporného dekadického logaritmu disociační konstanty K odpovídající reakční rovnováhy. Platí pK = –log₁₀K.

Podle mezinárodního značení budeme molární koncentrace uvádět hranatými závorkami, např. molární koncentraci iontů HSO₄^– zapíšeme jako [HSO₄^–] atd. Pro hodnotu K_A,I platí

Podobně vyjádříme známé disociační konstanty K_A,II, K_B,I a K_B,II. Další, pátá rovnice vyjadřuje vztah mezi molárními koncentracemi oxoniových (vodíkových) a hydroxylových iontů

Šestá a sedmá rovnice vyjadřuje zákon zachování látky

A konečně poslední, osmá rovnice popisuje neutralitu roztoku

Máme 8 rovnic, které tvoří úplnou soustavu pro výpočet osmi molárních koncentrací z rovnic (D3-3) až (D3-5). Zajímá nás hlavně [H⁺] pro určení pH. Úspěch závisí na algebraických zkušenostech řešitele. Postupuje se např. tak, že molární koncentrace (až na [H⁺]) vyjádříme jako funkce disociačních konstant, molární rozpustnosti a [H⁺] a dosadíme do (D3-5). Pak řešíme kvadratickou rovnici s proměnnou [H⁺].

Dodatek 4

Rovnovážnou konstantu můžeme spočítat ze známé standardní molární slučovací Gibbsovy energie pomocí obecného vztahu

kde R = 8,3145 J/(mol·K) je molární plynová konstanta konstanta,

T je termodynamická teplota,

?G° je standardní molární slučovací Gibbsova energie.

Při výpočtech rovnovážných konstant u reakcí, jichž se účastní plynné složky, se často vyjadřuje molární koncentrace složky pomocí částečného tlaku v Pa této složky, který se vypočítá ze stavové rovnice. Pro molární koncentraci vodní páry v mol/dm³ platí

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek

Foto: Shutterstock

Sádra sádrové omítky Opravy a rekonstrukce Interiér