Кіріспе
Сулы шынының өзгермелі Na2O/SiO2 қатынасы бар гигроскопиялық химиялық қосылысы. Натрий силикаты – Na2O/SiO2 формуласына ие химиялық қосылыстардың жалпы атауы, мысалы, натрий метасиликаты, натрий ортосиликаты және натрий пиросиликаты. Аниондар көбінесе полимерлі болады. Бұл қосылыстар әдетте түссіз, мөлдір қатты заттар немесе ақ ұнтақтар түрінде болады және суда әртүрлі мөлшерде ериді. Натрий силикаты – сондай-ақ осындай қосылыстардың қоспасының техникалық және әдеттегі атауы, негізінен метасиликат, сонымен қатар су шыны, сұйық шыны деп те аталады. Бұл өнімнің қолданылу аясы кең: цемент жасау, жабын материалдары, пассивті өрттен қорғау, тоқыма және ағаш өңдеу, отқа төзімді керамика өндіру, желім ретінде пайдалану және кремний гелі өндірісі. Саудаға түсетін өнім сулы ерітінді немесе қатты күйде болады, көбінесе темір қоспаларының болуына байланысты жасыл немесе көк түсті болып келеді. Өндірісте натрий силикатының әртүрлі сапалары олардың салмақтық SiO2:Na2O қатынасымен сипатталады (мұны молярлық қатынасқа 1,032-ге көбейту арқылы ауыстыруға болады). Бұл қатынас 1:2 мен 3,75:1 аралығында өзгеруі мүмкін. 2,85:1-ден төмен қатынасы бар сапалар сілтілік деп аталады, ал SiO2:Na2O қатынасы жоғарырақ сапалар бейтарап деп сипатталады.
Sodium silicate is a generic name for chemical compounds with the formula or ·, such as sodium metasilicate , sodium orthosilicate , and sodium pyrosilicate The anions are often polymeric. These compounds are generally colorless transparent solids or white powders, and soluble in water in various amounts. Sodium silicate is also the technical and common name for a mixture of such compounds, chiefly the metasilicate, also called waterglass, water glass, or liquid glass. The product has a wide variety of uses, including the formulation of cements, coatings, passive fire protection, textile and lumber processing, manufacture of refractory ceramics, as adhesives, and in the production of silica gel. The commercial product, available in water solution or in solid form, is often greenish or blue owing to the presence of iron containing impurities. In industry, the various grades of sodium silicate are characterized by their SiO2:Na2O weight ratio (which can be converted to molar ratio by multiplication with 1.032). The ratio can vary between 1:2 and 3.75:1. Grades with ratio below 2.85:1 are termed alkaline. Those with a higher SiO2:Na2O ratio are described as neutral.
Тарих
Ерітілген сілтілі металдардың (натрий немесе калий) силикаттарын еуропалық алхимиктер 1500 жылдары-ақ байқаған. 1567 жылы Джанбатиста делла Порта (Giambattista della Porta) tartari salis (татар тұзы, калий гидротартраты) ұнтақталған кристаллдың (кварцтың) төмен температурада еруіне себеп болатынын анықтаған. 1520 жылы Василий Валентин, ал 1550 жылы Агрикола сілтілі силикаттарға сілтеме жасайтын басқа да ерте жазбаларды келтірген. 1640 жыл шамасында Жан Баптист ван Гельмонт сілтілі силикаттардың сілтінің артығымен құмды балқыту арқылы алынған ерігіш зат екенін хабарлаған, сондай-ақ қышқылды ерітіндіге қосу арқылы кремнийдің мөлшерлік тұнбаға түсетінін байқаған. 1646 жылы Глаубер калий карбонатын (татар тұзын қыздыру арқылы алынған) және құмды балқытып, көмірқышқыл газы шығуын тоқтатып, калий силикатын жасаған. Содан кейін қоспаны суытып, ұнтақтап, ұнтақталған зат ылғалды ауамен әрекеттескенде бірте-бірте қою сұйықтыққа айналғанын байқаған, оны Глаубер "Oleum oder Liquor Silicum, Arenæ, vel Crystallorum" (яғни, кремний майы немесе ерітіндісі, құм немесе кварц кристаллы) деп атаған. Бірақ кейіннен осы алхимиктердің дайындаған заттары қазіргі түсініктегі "су шыны" емес екені айтылды. Оны 1818 жылы Иоганн Непомук фон Фукс кремний қышқылын сілтімен өңдеу арқылы алған, нәтижесінде суда еритін, бірақ атмосфералық өзгерістерге тұрақты зат алынған. "Су шыны" және "ерітілген шыны" терминдерін Леопольд Вольф 1846 жылы, Эмиль Копп 1857 жылы және Герман Кретцер 1887 жылы қолданған. 1892 жылы Рудольф фон Вагнер содалық, калийлік, қос (сода және калий) және бекіткіш (яғни, тұрақтандырғыш) түрлерін ажыратқан. Бекіткіш түрі – "сулы шынымен толық қаныққан кремний қышқылы мен натрий силикатының қоспасы", ол сыртқы жарнамалар мен қабырға суреттері үшін цемент беттеріндегі минералдық су бояуларын тұрақтандыру үшін қолданылған.
Қасиеттері
Натрий силикаттары – түссіз шыны тәрізді немесе кристалды қатты заттар, немесе ақ ұнтақтар. Кремнийге ең байларынан басқасы, суда оңай ериді, нәтижесінде сілтілі ерітінділер пайда болады. Құрғағаннан кейін оны қайтадан сумен ылғалдандыруға болады. Натрий силикаттары бейтарап және сілтілі ерітінділерде тұрақты. Қышқыл ерітінділерде силикат иондары сутегі иондарымен реакцияласып, кремний қышқылына айналады, ол гидратталған кремний диоксиді геліне ыдырайды. Суды буландыру үшін қыздырғанда, сілика гелі деп аталатын қатты, мөлдір зат пайда болады, ол ылғалды сіңіретін құрал ретінде кеңінен қолданылады. Ол 1100 °C-қа дейін температураға төтеп бере алады.
Байер процесі
На2SiO3 пайдалы болмаса да, ол Байер процесінің қосалқы өнімі болып табылады және көбінесе кальций силикатына (Ca2SiO4) айналдырылады.
Дитергент көмекші құралдары
Ол күрделі натрий дисиликаты және өзгертілген натрий дисиликаты сияқты жуғыш заттардың қосалқы құрамында қолданылады. Жуғыш заттар гранулдары силикаттардың жабыны арқасында мықты болады.
Металл жөндеу
Натрий силикаты, магний силикатымен бірге, глушительді жөндеу және монтаждау пастасында қолданылады. Суда еріген кезде натрий силикаты және магний силикаты оңай жағылатын қалың паста түзеді. Ішкі жану қозғалтқышының қақпақ жүйесі жұмыс температурасына жеткенде, жылу пастадағы артық судың бәрін шығарып жібереді. Қалған силикат қосылыстары шыны тәрізді қасиеттерге ие, уақытша, нашар жөндеу жасап береді.
Автомобиль жөндеуі
Қазіргі уақытта натрий силикаты сондай-ақ эгзостық жүйедегі буындарды және жарықтарды тығыздау үшін, глушительдерді, резонаторларды, шығарынды құбырларын және басқа да эгзостық компоненттерді жөндеуге қолданылады, шыны талшықтан жасалған нығайту таспаларымен немесе оларсыз. Бұл қолданыста натрий силикаты (60–70%) әдетте каолинмен (30–40%), алюминий силикаты минералымен араластырылады, бұл натрий силикаты "жабысқан" буынды түссіз етуге мүмкіндік береді. Дегенмен, натрий силикаты – жоғары температурада жабысатын материал, ал каолин тек үйлесімді, жоғары температурадағы бояу ретінде ғана қызмет етеді. Бұл жөндеу құрамаларының кейбіреулеріне саңылауларды толтыру қабілетін арттыру және хруптылықты азайту үшін шыны талшықтары қосылады. Натрий силикатын цилиндрдің бас тығыздауышындағы саңылауларды толтыру үшін де пайдалануға болады. Көбінесе алюминий қорытпасынан жасалған цилиндрдің бас бөлігіне қолданылады, ол термиялық әсерге байланысты беткі бұрылысқа сезімтал. Мұның себептері көп болуы мүмкін, соның ішінде бас бұрандасының созылуы, салқындатқыш жеткізілімінің жеткіліксіздігі, цилиндрдің бас бөлігіндегі қысымның жоғары болуы, қызып кету және т.б. "Сұйық шыны" (натрий силикаты) радиатор арқылы жүйеге қосылып, айналымға жіберіледі. Натрий силикаты цилиндрдің бас бөлігіне жеткенше салқындатқышта ерітіліп тұрады. 100–105 °C (212–221 °F) температурада натрий силикаты су молекулаларын жоғалтып, 810 °C (1490 °F) жоғары температурада қайта балқу температурасы бар шыны тығыздығын құрайды. Натрий силикатымен жасалған жөндеу екі жыл немесе одан да ұзаққа созылуы мүмкін. Жөндеу жылдам жүреді және симптомдар бірден жоғалады. Бұл жөндеу тек натрий силикаты 100–105 °C "өзгерту" температурасына жеткенде ғана тиімді болады. Егер салқындатқыш майға ағып кетсе, қозғалтқыш майының ластануы қауіпті жағдай. Майлау материалдарының натрий силикатымен (шыны бөлшектерімен) ластануы олардың жұмыс істеу қабілетіне зиян келтіреді. Натрий силикаты ерітіндісі автомобиль қозғалтқыштарын арзан, жылдам және тұрақты түрде істен шығару үшін қолданылады. Қозғалтқышты мотор майының орнына шамамен 2 литр натрий силикаты ерітіндісімен іске қосу ерітіндінің тұнуына әкеледі, бұл бірнеше минут ішінде қозғалтқыштың подшипниктері мен поршеньдеріне өте ауыр зақым келтіреді. АҚШ-та бұл процедура Car Allowance Rebate System (CARS) бағдарламасының талаптарына сәйкес келу үшін қолданылды.
Қауіпсіз құрылыс
Кейбір сейфтердің екі қабырғасының арасына натрий силикаты мен арақ шанының қоспасы қолданылады. Бұл оларды отқа төзімді етумен қатар, оксиацетиленмен кесуді де шығаратын түтін арқасында өте қиын жасайды.
Кристалл бау-бақшалар
Бірнеше металл тұздарының кристалдарын сулы шыны ерітіндісіне тамшылағанда, түрлі-түсті металл силикаттарының қарапайым немесе тармақталған сталагмиттері пайда болады. Бұл құбылысты ойыншықтар мен химия жиынтықтарын өндірушілер 20-шы ғасырдың басынан бері қазіргі уақытқа дейін көптеген балалар ұрпақтарына білім беру мақсатында пайдаланған. 1946 жылы шыққан Modern Mechanix журналында натрий силикатында "химиялық бақ" құратын металл тұздарының кристалдары туралы алғашқы мәлімет кездеседі. Қолданылған металл тұздары мыс, кобальт, темір, никель және марганец сульфаттары және/немесе хлоридтерін қамтиды.
Керамика
Натрий кремнияты құю қоймаларында дефлокулянт ретінде қолданылады, бұл балшықты сұйықтыру үшін қажетті су мөлшерін азайтуға көмектеседі. Ол сонымен қатар, әдетте токарлық доңғалақта жасалған керамикада жарықтар әсерін жасау үшін де қолданылады. Токарлық доңғалақта салыстырмалы тар және қалың қабырғалы ваза немесе бөтелке жасалады. Натрий кремнияты бұйымның бір бөлігіне жағылады. 5 минуттан кейін бұйымның қабырғасы қабырғамен немесе қолмен сыртқа қарай созылады. Нәтижесінде бүршік немесе жарықтар пайда болады. Бұл сондай-ақ, екі бөліктің ылғалдылығы әртүрлі болғанда, балшық бұйымдарын біріктіргенде қолданылатын "сиқырлы судың" негізгі құралы болып табылады.
Сырқат суды қамтитын құрылымдарды бекіту
2011 жылдың сәуір айында Жапониядағы Фукусима Дайичи атом электр стансасынан жоғары радиоактивті судың ағып кетуін тоқтату үшін, топыраққа қоспалармен қоса натрий силикаты құйылды, бұл оны қатайтуға және осылайша судың ағып кетуін болдырмауға мүмкіндік берді. Бұзылған реакторларды салқындатуға қолданылған судың қалдық жылуы, құйылған қоспаның тезірек қатаюына себеп болды. 1958 жылдың 3 маусымында әлемдегі алғашқы ядролық суасты кемесі – "Наутилус" Эверетт және Сиэтл қалаларына келді. Сиэтлде, азаматтық киім киген экипаж мүшелері 140 керт (160 литр) натрий силикаты бар автомобильге арналған өнімді (бастапқыда "Stop Leak" деп белгіленген) жасырын түрде сатып алуға жіберілді, осылайша ағып жатқан конденсатор жүйесін жөндеуге тырысты. "Наутилус" кемесі су астында Солтүстік полюсті кесіп өтудің жоғары құпия миссиясымен Солтүстік полюске бет алды.
Атыс қаруларының патрульдері
Натрий силикаттарының жабысқақ қасиеттері тарихи түрде 1851 жылдан 1873 жылға дейін, әсіресе Америка Азамат соғысы кезінде Colt's Manufacturing Company компаниясы өндірген қара ұнтақ револьверлері үшін қағаз патрондар жасауға қолданылған. Натрий силикаты жанғыш нитратталған қағазды біріктіріп, қара ұнтақты ұстайтын конустық қағаз патронын жасау үшін, сондай-ақ қағаз патронының ашық жағына қорғасын допты немесе конустық оқты бекіту үшін пайдаланылды. Мұндай натрий силикатымен цементтелген қағаз патрондар револьвердің цилиндріне салынып, қақпақ пен допты қара ұнтақ револьверлерін қайта зарядтауды жеделдетті. Бұл қолданыс 1873 жылдан бастап мыс корпусты патрондарды қолданатын Colt револьверлері енгізілуімен тоқтатылды. Сол сияқты, натрий силикаты мыс оқ-дәрілердің үстіңгі бөлігін цементтеу үшін де қолданылды, бұл мыс оқ-дәріні бірге ұстау үшін сығымдау қажеттігін жойды. 1870 жылдары өздеріне сенімді американдық фермерлер жұмыртқаны сақтау үшін де қолданылатын осы "су шынысы" материалымен мыс оқ-дәрілерді кеңінен қайта зарядтады. Оқ-дәрінің үстіңгі бөлігін цементтеу үшін, оның үстіне үш-бес тамшы "су шынысы" тамшылатылып, мыс корпусына жабыстырылды. Оқ-дәрілер үшін мыс корпустар шамамен 1877 жылдан бастап қағаз корпустармен ауыстырылды. Жаңа қағаз корпусты оқ-дәрілерде оқ-дәрінің үстіңгі бөлігін ұстау үшін "су шынысымен" цементтелген қосылыс орнына дөңгелек сығым қолданылды. Дегенмен, "су шынысымен" цементтелген үстіңгі бөлігі бар мыс оқ-дәрілерді (әрине, ұнтақ, оқ-дәрі және доп болған жағдайда) дерлік шексіз қайта зарядтауға болады, ал мыс корпустарды ауыстырған қағаз корпустарды тек бірнеше рет ғана қайта зарядтауға болады.
Косметика
Натрий силикаты және басқа силикаттар – "жедел" әжімдерді кетіруге арналған кремдердің негізгі құрауыштар болып табылады, олар теріні уақытша тартып, әжімдер мен көз астындағы қаптардың көрінуін азайтады. Бұл кремдерді жұқа қабаттап жағып, бірнеше минутқа кептірген кезде айқын нәтижелерге қол жеткізуге болады. Бұл әсер тұрақты емес, бірнеше минуттан екі сағатқа дейін сақталады. Бұл су цементі сияқты жұмыс істейді, бұлшықет қозғалғанда жарылып, теріде ақ қалдықтар қалдырады.
Тамақтарды консервілеу
Сулы шыны, әсіресе тоңазыту мүмкін болмаған жағдайда, жұмыртқаны сақтау құралы ретінде үлкен сәттілікке ие болды. Жана салынған жұмыртқалар натрий силикатының (сулы шыны) ерітіндісіне салынады. Ерітіндіде ұстағаннан кейін, олар алынып, кептіріледі. Жұмыртқа бетінде ауа өткізбейтін берік қабықша қалады. Егер олар тиісті жағдайда сақталса, жұмыртқаның бұзылуына себеп болатын көптеген бактериялардың ішке өтуіне жол берілмейді және ылғалдылығы сақталады. Дереккөз бойынша, осы әдіс арқылы өңделген жұмыртқаларды бес айға дейін таза күйде сақтауға болады. Мұндай тәсілмен сақталған жұмыртқаны қайнатқанда, қабық ауа өткізбейтін болады, сондықтан будың шығуы үшін қабықта тесік (мысалы, инемен) жасалмаса, жұмыртқа жарылуы мүмкін.
Пісіру
Натрий силикатының ұйысу қасиеттері шарап пен сыраны колоидты бөлшектерді шөктіру арқылы тазалау үшін де қолданылады. Дегенмен, тазартушы зат ретінде натрий силикатын кейде осетр және басқа балықтардың кептірілген жүзу қапшықтарынан алынған коллагеннен жасалатын исингласспен шатастырады. Сулы шыны гельінде сақталған жұмыртқалардың қабықтары да кейде шарапты тазалау үшін қолданылады (қыздырылып, ұнтақталады).
Аквакультура
Натрий силикаты гелі аквамәдениет шаруашылықтарында балдыр өсіруге арналған орта ретінде де пайдаланылады.