Силикат натрия — общее название химических соединений с формулой Na
2 хСи
уО
2 у + хили (На
2О)
х· (SiO
2)
у, такие как метасиликат натрия ( Na
2SiO
3), ортосиликат натрия ( Na
4SiO
4) и пиросиликат натрия ( Na
6Си
2О
7). Анионы часто являются полимерными . Эти соединения обычно представляют собой бесцветные прозрачные твердые вещества или белые порошки, растворимые в воде в различных количествах.
Силикат натрия также является техническим и общепринятым названием смеси таких соединений, в основном метасиликатов, также называемых жидким стеклом , жидким стеклом или жидким стеклом . Продукт имеет широкий спектр применения, включая разработку цементов , покрытий, пассивной противопожарной защиты , текстильной и лесоматериальной обработки, производства огнеупорной керамики, в качестве клеев и в производстве силикагеля . Коммерческий продукт, доступный в виде водного раствора или в твердой форме, часто имеет зеленоватый или синий цвет из-за наличия примесей, содержащих железо.
В промышленности различные марки силиката натрия характеризуются их весовым соотношением SiO 2 :Na 2 O (которое можно преобразовать в молярное соотношение путем умножения на 1,032). Соотношение может варьироваться от 1:2 до 3,75:1. [1] Марки с соотношением ниже 2,85:1 называются щелочными. Марки с более высоким соотношением SiO 2 :Na 2 O описываются как нейтральные.
Растворимые силикаты щелочных металлов (натрия или калия ) были обнаружены европейскими алхимиками в XVI веке. Джамбаттиста делла Порта заметил в 1567 году, что tartari salis (винный камень, битартрат калия ) заставил порошкообразный кристаллум (кварц) плавиться при более низкой температуре. [2] Другие возможные ранние ссылки на щелочные силикаты были сделаны Василием Валентином в 1520 году, [3] и Агриколой в 1550 году. Около 1640 года Ян Баптист ван Гельмонт сообщил об образовании щелочных силикатов как растворимого вещества, полученного путем плавления песка с избытком щелочи, и заметил, что кремнезем можно количественно осадить, добавляя кислоту в раствор . [4]
В 1646 году Глаубер изготовил силикат калия , который он назвал liquor silicum , расплавив карбонат калия (полученный путем прокаливания винного камня) и песок в тигле и поддерживая его расплавленным до тех пор, пока он не перестанет пузыриться (из-за выделения углекислого газа ). Смесь охладили, а затем измельчили в мелкий порошок. [5] Когда порошок подвергся воздействию влажного воздуха, он постепенно образовал вязкую жидкость, которую Глаубер назвал « Oleum oder Liquor Silicum, Arenae, vel Crystallorum » (т. е. масло или раствор кремнезема, песка или кварцевого кристалла). [6]
Однако позже было заявлено, что вещества, приготовленные этими алхимиками, не были жидким стеклом в том смысле, в каком оно понимается сегодня. [7] Оно было получено в 1818 году Иоганном Непомуком фон Фуксом путем обработки кремниевой кислоты щелочью; в результате получалась растворимость в воде, «но не подверженная атмосферным изменениям». [8]
Термины «жидкое стекло» и «растворимое стекло» были использованы Леопольдом Вольфом в 1846 году [9] , Эмилем Коппом в 1857 году [10] и Германом Кречером в 1887 году [11].
В 1892 году Рудольф фон Вагнер выделил содовое , поташное , двойное (содовое и поташное) и фиксирующее (т. е. стабилизирующее) как типы жидкого стекла. Фиксирующее стекло представляло собой «смесь кремнезема, хорошо насыщенного калийным жидким стеклом и силикатом натрия», используемую для стабилизации неорганических акварельных пигментов на цементных работах для наружных вывесок и фресок. [12] [13] [14] [15]
Силикаты натрия — бесцветные стекловидные или кристаллические твердые вещества или белые порошки. За исключением наиболее богатых кремнием, они легко растворяются в воде, образуя щелочные растворы. [ необходима цитата ] После высыхания их все еще можно регидратировать в воде. [16]
Силикаты натрия стабильны в нейтральных и щелочных растворах. В кислых растворах ионы силиката реагируют с ионами водорода, образуя кремниевые кислоты , которые, как правило, распадаются на гидратированный гель диоксида кремния . [ необходима цитата ] Нагревается для удаления воды, в результате получается твердое полупрозрачное вещество, называемое силикагелем , широко используемое в качестве осушителя . Он может выдерживать температуры до 1100 °C. [ необходима цитата ]
Растворы силикатов натрия могут быть получены путем обработки смеси кремнезема (обычно в виде кварцевого песка ), каустической соды и воды горячим паром в реакторе . Общая реакция имеет вид
Силикаты натрия также можно получить путем растворения кремнезема SiO
2( температура плавления которого составляет 1713 °C) в расплавленном карбонате натрия (который плавится с разложением при 851 °C): [17]
Материал можно получить также из сульфата натрия (температура плавления 884 °C) с углеродом в качестве восстановителя:
В 1990 году было произведено 4 миллиона тонн силикатов щелочных металлов. [1]
Силикат натрия может быть получен как часть производства водорода путем растворения ферросилиция в водном растворе гидроксида натрия (NaOH·H 2 O): [18]
Хотя Na 2 SiO 3 и невыгоден, он является побочным продуктом процесса Байера , который часто преобразуется в силикат кальция (Ca 2 SiO 4 ).
Силикаты натрия в основном применяются в моющих средствах, бумажной промышленности (в качестве средства для удаления краски ), очистке воды и производстве строительных материалов. [1]
Адгезионные свойства силиката натрия были отмечены еще в 1850-х годах [19] и широко использовались, по крайней мере, со времен Первой мировой войны . [20] Наибольшее применение растворы силиката натрия нашли в качестве цемента для производства картона . [1] При использовании в качестве бумажного цемента соединение силиката натрия имеет тенденцию трескаться в течение нескольких лет, после чего оно больше не удерживает склеенные вместе бумажные поверхности.
Растворы силиката натрия также могут использоваться в качестве слоя клея для центрифугирования для склеивания стекла со стеклом [21] или кремниевой пластины, покрытой диоксидом кремния, друг с другом. [22] Склеивание стекла со стеклом силикатом натрия имеет то преимущество, что это низкотемпературная технология склеивания, в отличие от сварки сплавлением. [21] Оно также требует меньше обработки, чем анодное склеивание стекла со стеклом, [23] которое требует промежуточного слоя, такого как нитрид кремния (SiN), который будет действовать как барьер для диффузии ионов натрия. [23] Осаждение такого слоя требует этапа химического осаждения из паровой фазы при низком давлении. [23] Однако недостатком склеивания силиката натрия является то, что очень трудно устранить пузырьки воздуха. [22] Это отчасти связано с тем, что эта технология не требует вакуума, а также не использует помощь поля [ необходимо разъяснение ], как при анодном склеивании. [24] Такое отсутствие полевой поддержки иногда может быть полезным, поскольку полевая поддержка может обеспечить такое сильное притяжение между пластинами, что более тонкая пластина может согнуться и разрушиться [24] на наножидкостной полости или элементах МЭМС.
Силикат натрия может использоваться для различных красок и покрытий, например, используемых на сварочных стержнях . Такие покрытия можно отверждать двумя способами. Один из методов заключается в нагревании тонкого слоя силиката натрия в гель, а затем в твердую пленку. Чтобы сделать покрытие водостойким, необходимы высокие температуры 100 °C (212 °F; 373 K). [16] Температуру медленно повышают до 150 °C (302 °F; 423 K), чтобы обезвожить пленку и избежать испарения и образования пузырей. Процесс должен быть относительно медленным, но сначала можно использовать инфракрасные лампы. [16] В другом методе, когда высокие температуры нецелесообразны, водостойкость может быть достигнута с помощью химикатов (или эфиров ), таких как борная кислота , фосфорная кислота , фторсиликат натрия и фосфат алюминия . [16] Перед нанесением водный раствор силиката натрия смешивают с отвердителем. [16]
Он используется в моющих вспомогательных средствах, таких как сложный дисиликат натрия и модифицированный дисиликат натрия. Гранулы моющего средства приобретают свою прочность благодаря покрытию из силикатов. [1]
Силикат натрия используется в качестве коагулянта алюма и флокулянта железа на очистных сооружениях. Силикат натрия связывается с коллоидными молекулами, создавая более крупные агрегаты , которые опускаются на дно водной толщи. Микроскопические отрицательно заряженные частицы, взвешенные в воде, взаимодействуют с силикатом натрия. Их двойной электрический слой разрушается из-за увеличения ионной силы , вызванного добавлением силиката натрия (двойной отрицательно заряженный анион в сопровождении двух катионов натрия), и они впоследствии агрегируют. Этот процесс называется коагуляцией . [1]
Он используется в качестве связующего вещества для песка при литье в песчаные формы всех обычных металлов. Он позволяет быстро изготавливать прочную форму или стержень тремя основными методами. [ необходима цитата ]
Поскольку силикат натрия не горит во время литья (он может плавиться при температуре заливки выше 1800 °F), обычно добавляют органические материалы, чтобы обеспечить улучшенное разложение песка после литья. Добавки включают сахар, крахмал, углерод, древесную муку и фенольные смолы.
Жидкое стекло является полезным связующим веществом для твердых веществ, таких как вермикулит и перлит . При смешивании с последней легкой фракцией жидкое стекло может использоваться для изготовления твердых, высокотемпературных изоляционных плит, используемых для огнеупоров, пассивной противопожарной защиты и высокотемпературной изоляции, например, в литьевых трубных изоляционных приложениях. При смешивании с тонкоизмельченными минеральными порошками, такими как вермикулитовая пыль (которая является обычным ломом от процесса расщепления), можно производить высокотемпературные клеи. Вспучивание [ необходимо осветление ] исчезает в присутствии тонкоизмельченной минеральной пыли, в результате чего жидкое стекло становится простой матрицей. Жидкое стекло недорогое и широко доступно, что делает его использование популярным во многих огнеупорных приложениях.
Силикат натрия используется в качестве дефлокулянта в шликерах для литья, помогая снизить вязкость и потребность в большом количестве воды для разжижения глиняного тела. Он также используется для создания эффекта трещин в гончарных изделиях, обычно гончарных кругах. Ваза или бутылка бросается на гончарный круг, довольно узкий и с толстыми стенками. Силикат натрия наносится на часть изделия. Через пять минут стенка изделия растягивается наружу ребром или рукой. Результатом становится морщинистый или потрескавшийся вид.
Он также является основным компонентом «волшебной воды», которая используется при соединении глиняных деталей, особенно если уровень влажности двух материалов разный. [25]
Раствор силиката натрия используется в качестве фиксатора для ручного окрашивания реактивными красителями , которым требуется высокий уровень pH для реакции с текстильным волокном. После того, как краситель нанесен на ткань на основе целлюлозы, такую как хлопок или вискоза, или на шелк, ему дают высохнуть, после чего силикат натрия наносят на окрашенную ткань, накрывают пластиком для удержания влаги и оставляют реагировать в течение часа при комнатной температуре. [26]
Силикат натрия используется вместе с силикатом магния в пастах для ремонта и установки глушителей . При растворении в воде и силикат натрия, и силикат магния образуют густую пасту, которую легко наносить. Когда выхлопная система двигателя внутреннего сгорания нагревается до рабочей температуры , тепло вытесняет из пасты всю лишнюю воду. Оставшиеся силикатные соединения обладают стеклоподобными свойствами, что делает ремонт временным и хрупким.
Силикат натрия в настоящее время также используется в качестве герметика для стыков и трещин выхлопной системы для ремонта глушителей, резонаторов, выхлопных труб и других компонентов выхлопной системы с использованием армирующих лент из стекловолокна и без них. В этом применении силикат натрия (60–70%) обычно смешивают с каолином (40–30%), минералом из силиката алюминия, чтобы сделать «склеенное» соединение из силиката натрия непрозрачным. Однако силикат натрия является высокотемпературным клеем; каолин служит просто совместимым высокотемпературным красителем. Некоторые из этих ремонтных составов также содержат стекловолокно для улучшения их способности заполнять зазоры и снижения хрупкости.
Силикат натрия можно использовать для заполнения зазоров в прокладке головки блока цилиндров двигателя. Это особенно полезно для головок цилиндров из алюминиевого сплава , которые чувствительны к термически вызванному поверхностному прогибу. Силикат натрия добавляется в систему охлаждения через радиатор и циркулирует. Когда силикат натрия достигает своей «конверсионной» температуры 100–105 °C (212–221 °F), он теряет молекулы воды и образует стеклянное уплотнение с температурой повторного плавления выше 810 °C (1490 °F). Этот ремонт может длиться два года или дольше, и симптомы исчезают мгновенно. Однако этот ремонт работает только тогда, когда силикат натрия достигает своей «конверсионной» температуры. Кроме того, загрязнение смазочных материалов силикатом натрия (стеклянными частицами) пагубно влияет на их функцию, а загрязнение моторного масла является серьезной возможностью в ситуациях, когда присутствует утечка охлаждающей жидкости в масло.
Раствор силиката натрия используется для недорогого, быстрого и постоянного отключения автомобильных двигателей. Работа двигателя с половиной американского галлона (или около двух литров) раствора силиката натрия вместо моторного масла приводит к осаждению раствора , катастрофически повреждая подшипники и поршни двигателя в течение нескольких минут. [27] В Соединенных Штатах эта процедура использовалась для соответствия требованиям программы Car Allowance Rebate System (CARS) . [27] [28]
Смесь силиката натрия и опилок использовалась между двойными стенками некоторых сейфов . Это не только делает их более огнестойкими , но и делает их вскрытие ацетилено-кислородной горелкой крайне затруднительным из-за выделяемого дыма .
Силикат натрия часто используется в буровых растворах для стабилизации и предотвращения обрушения стенок скважин . Он особенно полезен, когда скважины проходят через глинистые образования, содержащие набухающие глинистые минералы, такие как смектит или монтмориллонит .
Бетон, обработанный раствором силиката натрия, помогает уменьшить пористость большинства каменных изделий, таких как бетон , штукатурка и гипс . Этот эффект помогает уменьшить проникновение воды, но не оказывает известного влияния на снижение передачи и выделения водяного пара. [29] Химическая реакция происходит с избытком Ca(OH) 2 ( портландита ), присутствующим в бетоне, который навсегда связывает силикаты с поверхностью, делая их гораздо более прочными и водоотталкивающими. Эта обработка обычно применяется только после первоначального отверждения (приблизительно через семь дней в зависимости от условий). Эти покрытия известны как силикатная минеральная краска . Ниже приведен пример реакции силиката натрия с гидроксидом кальция, содержащимся в бетоне, для образования геля гидрата силиката кальция (CSH), основного продукта в гидратированном портландцементе. [30]
Когда кристаллы ряда металлических солей опускаются в раствор жидкого стекла, образуются простые или разветвленные сталагмиты цветных металлических силикатов. Это явление использовалось производителями игрушек и химических наборов для предоставления поучительного удовольствия многим поколениям детей с начала 20 века и до настоящего времени. Раннее упоминание о кристаллах металлических солей, образующих « химический сад » в силикате натрия, найдено в журнале Modern Mechanix 1946 года . [31] Используемые металлические соли включали сульфаты и/или хлориды меди, кобальта, железа, никеля и марганца.
Силикат натрия с добавками был введен в грунт для его укрепления и, таким образом, предотвращения дальнейшей утечки высокорадиоактивной воды с АЭС «Фукусима-1» в Японии в апреле 2011 года. [32] Остаточное тепло, переносимое водой, используемой для охлаждения поврежденных реакторов, ускорило затвердевание введенной смеси.
3 июня 1958 года USS Nautilus , первая в мире атомная подводная лодка, посетила Эверетт и Сиэтл. В Сиэтле члены экипажа, одетые в гражданскую одежду, были отправлены, чтобы тайно купить 140 кварт (160 литров) автомобильного продукта, содержащего силикат натрия (первоначально обозначенного как Stop Leak), для ремонта протекающей системы конденсатора. Nautilus направлялся на Северный полюс с совершенно секретной миссией по пересечению Северного полюса под водой. [33]
Историческим применением адгезионных свойств силикатов натрия является производство бумажных патронов для револьверов с черным порохом, производимых компанией Colt's Manufacturing Company между 1851 и 1873 годами, особенно во время Гражданской войны в США . Силикат натрия использовался для герметизации горючей нитрированной бумаги для формирования конического бумажного патрона для хранения черного пороха, а также для цементирования свинцового шарика или конической пули в открытом конце бумажного патрона. Такие сцементированные силикатом натрия бумажные патроны вставлялись в цилиндры револьверов, тем самым ускоряя перезарядку револьверов с черным порохом с капсюлем и шариком. Это использование в значительной степени закончилось с введением револьверов Colt, использующих патроны с латунной гильзой, начиная с 1873 года. [34] [35] Аналогичным образом силикат натрия также использовался для цементирования верхнего пыжа в латунных патронах для дробовика , тем самым устраняя необходимость в обжиме в верхней части латунного патрона для дробовика, чтобы удерживать патрон вместе. Перезарядка латунных гильз для дробовиков широко практиковалась независимыми американскими фермерами в 1870-х годах, при этом использовался тот же материал на основе жидкого стекла, который также использовался для сохранения яиц. Цементирование верхнего пыжа на гильзах для дробовиков состояло в нанесении от трех до пяти капель жидкого стекла на верхний пыж для его закрепления на латунной оболочке. Латунные оболочки для гильз для дробовиков были заменены бумажными оболочками, начиная примерно с 1877 года. Более новые гильз для дробовиков с бумажной оболочкой использовали рулонную опрессовку вместо соединения, скрепленного жидким стеклом, для удержания верхнего пыжа в оболочке. Однако, в то время как латунные гильзы с верхними пыжами, скрепленными жидким стеклом, можно было перезаряжать практически бесконечно (конечно, при наличии пороха, пыжа и дроби), бумажные оболочки, которые заменили латунные оболочки, можно было перезаряжать только несколько раз.
Силикат натрия и другие силикаты являются основными компонентами в кремах для удаления морщин «мгновенного» действия, которые временно подтягивают кожу, чтобы минимизировать появление морщин и мешков под глазами. Эти кремы, если их нанести тонкой пленкой и дать высохнуть в течение нескольких минут, могут дать впечатляющие результаты. Этот эффект не является постоянным, он длится от нескольких минут до пары часов. Он работает как водный цемент: как только мышца начинает двигаться, он трескается и оставляет белые следы на коже.
Жидкое стекло с большим успехом использовалось в качестве консерванта для яиц, в первую очередь, когда холодильник недоступен. Свежеснесенные яйца погружают в раствор силиката натрия (жидкое стекло). После погружения в раствор их вынимают и дают высохнуть. На яйцах остается постоянное воздухонепроницаемое покрытие. Если затем их хранить в соответствующей среде, большинство бактерий, которые в противном случае могли бы вызвать их порчу, не попадают внутрь, а их влага сохраняется. Согласно цитируемому источнику, обработанные яйца можно сохранять свежими с помощью этого метода до пяти месяцев. При кипячении яиц, консервированных таким образом, скорлупа больше не проницаема для воздуха, и яйцо будет иметь тенденцию трескаться, если в скорлупе не сделать отверстие (например, булавкой), чтобы позволить пару выходить. [36]
Флокулянтные свойства силиката натрия также используются для осветления вина и пива путем осаждения коллоидных частиц. Однако в качестве осветлителя силикат натрия иногда путают с рыбьим желатином , который готовят из коллагена , извлеченного из высушенных плавательных пузырей осетровых и других рыб. Яйца можно законсервировать в ведре с гелем жидкого стекла, а их скорлупу иногда также используют (запекают и измельчают) для осветления вина. [37]
Силикатный гель натрия также используется в качестве субстрата для роста водорослей в рыбоводных хозяйствах. [38]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )