Введение
Гигроскопическое химическое соединение с переменным соотношением Na2O/SiO2, являющееся предшественником водяного стекла. Силикат натрия – это общее название для химических соединений с формулой или ·, таких как метасиликат натрия, ортосиликат натрия и пиросиликат натрия. Анионы часто полимерны. Эти соединения обычно представляют собой бесцветные прозрачные твердые вещества или белые порошки, растворимые в воде в различных количествах. Силикат натрия также является техническим и распространенным названием для смеси таких соединений, в основном метасиликата, также известного как водяное стекло или жидкое стекло. Продукт имеет широкий спектр применения, включая производство цементов, покрытий, пассивной противопожарной защиты, обработку текстиля и древесины, изготовление огнеупорной керамики, в качестве клеев и при производстве силикагеля. Коммерческий продукт, доступный в водном растворе или в твердом виде, часто имеет зеленоватый или синий оттенок из-за содержания примесей железа. В промышленности различные марки силиката натрия характеризуются их весовым соотношением SiO2:Na2O (которое можно преобразовать в молярное соотношение, умножив на 1,032). Это соотношение может варьироваться от 1:2 до 3,75:1. Марки с соотношением ниже 2,85:1 считаются щелочными, а с более высоким соотношением SiO2:Na2O – нейтральными.
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.
История
Растворимые силикаты щелочных металлов (натрия или калия) были впервые отмечены европейскими алхимиками уже в 1500-х годах. Джамбатиста делла Порта в 1567 году заметил, что tartari salis (крем из винного камня, калий-водородный тартрат) заставляет порошкообразный crystallum (кварц) плавиться при более низкой температуре. Другие возможные ранние упоминания о щелочных силикатах встречаются в трудах Василия Валентина (1520 год) и Агриколы (1550 год). Около 1640 года Жан Батист ван Гельмонт описал образование щелочных силикатов как растворимого вещества, получаемого при плавлении песка с избытком щелочи, и отметил, что диоксид кремния может быть количественно осажден добавлением кислоты к раствору. В 1646 году Глаубер синтезировал силикат калия, который он назвал liquor silicum, расплавляя карбонат калия (полученный путем прокаливания крема из винного камня) и песок в тигле и поддерживая расплав до прекращения выделения пузырьков (из-за выделения углекислого газа). Смесь охлаждали и измельчали в мелкий порошок. Под воздействием влажного воздуха порошок постепенно превращался в вязкую жидкость, которую Глаубер назвал "Oleum oder Liquor Silicum, Arenæ, vel Crystallorum" (то есть масло или раствор кремнезема, песка или кварцевого кристалла). Однако позднее утверждалось, что вещества, полученные этими алхимиками, не являлись водяным стеклом в современном понимании этого термина. Водяное стекло в его нынешнем виде было получено в 1818 году Иоганном Непомуком фон Фуксом путем обработки кремниевой кислоты щелочью, в результате чего получился продукт, растворимый в воде и "не подверженный воздействию атмосферных изменений". Термины "водяное стекло" и "растворимое стекло" использовались Леопольдом Вольфом в 1846 году, Эмилем Коппом в 1857 году и Германном Кретцером в 1887 году. В 1892 году Рудольф фон Вагнер выделил содовое, калийное, двойное (содовое и калийное) и фиксирующее (то есть стабилизирующее) водяное стекло. Фиксирующий тип представлял собой "смесь кремнезема, насыщенную водным раствором калийного силиката и силикатом натрия", используемую для стабилизации неорганических акварельных пигментов на цементных поверхностях при создании наружных вывесок и настенных росписей.
Свойства
Силикаты натрия — это бесцветные стекловидные или кристаллические твердые вещества, либо белые порошки. За исключением наиболее богатых кремнием, они легко растворимы в воде, образуя щелочные растворы. После высыхания их можно повторно растворить в воде. Силикаты натрия стабильны в нейтральных и щелочных растворах. В кислых растворах силикат-ионы реагируют с ионами водорода, образуя кремниевые кислоты, которые склонны к разложению с образованием гидратированного диоксида кремния (силикагеля). При нагревании для удаления воды получается твердое полупрозрачное вещество, называемое силикагелем, широко используемое в качестве осушителя. Он выдерживает температуры до 1100 °C.
Процесс Байера
Хотя метасиликат натрия не является прибыльным продуктом, он образуется как побочный продукт процесса Байера и часто перерабатывается в силикат кальция (Ca2SiO4).
Помощные средства для моющих средств
Он используется во вспомогательных веществах для моющих средств, таких как комплексный дисиликат натрия и модифицированный дисиликат натрия. Гранулы моющего средства приобретают прочность благодаря покрытию силикатами.
Ремонт металлов
Силикат натрия используется вместе с силикатом магния при ремонте глушителей и в составе герметизирующей пасты. При растворении в воде как силикат натрия, так и силикат магния образуют густую, легко наносимую пасту. Когда выхлопная система двигателя внутреннего сгорания нагревается до рабочей температуры, тепло удаляет из пасты избыточную воду. Оставшиеся силикатные соединения приобретают стекловидные свойства, обеспечивая временный, но хрупкий ремонт.
Ремонт автомобилей
Силикат натрия также в настоящее время используется в качестве герметика для соединений и трещин выхлопных систем при ремонте глушителей, резонаторов, выхлопных труб и других компонентов выхлопной системы, как с фибростеклянными армирующими лентами, так и без них. В этом применении силикат натрия (60–70%) обычно смешивается с каолином (30–40%), минералом – алюминатом, для придания непрозрачности соединению на основе силиката натрия. Однако именно силикат натрия является высокотемпературным клеем, а каолин служит лишь совместимым высокотемпературным красителем. Некоторые из этих ремонтных составов также содержат стекловолокно для улучшения способности заполнять зазоры и снижения хрупкости. Силикат натрия может использоваться для заполнения зазоров в прокладке головки блока цилиндров. Обычно применяется для алюминиевых головок цилиндров, чувствительных к тепловым деформациям поверхности, вызванным, в частности, растяжением шпилек головки блока, недостаточной подачей охлаждающей жидкости, высоким давлением в головке блока, перегревом и т.п. "Жидкое стекло" (силикат натрия) добавляется в систему через радиатор и допускается к циркуляции. Силикат натрия остается во взвешенном состоянии в охлаждающей жидкости до тех пор, пока не достигнет головки блока цилиндров. При температуре 100–105 °C (212–221 °F) силикат натрия теряет молекулы воды, образуя стеклянное уплотнение с температурой плавления выше 810 °C (1490 °F). Ремонт с использованием силиката натрия может прослужить два года и более. Восстановление происходит быстро, а симптомы исчезают мгновенно. Этот ремонт эффективен только при достижении силикатом натрия температуры "преобразования" – 100–105 °C. Загрязнение моторного масла представляет серьезную опасность в случае утечки охлаждающей жидкости в масляную систему. Загрязнение смазочных материалов частицами силиката натрия (стекла) ухудшает их функциональные свойства. Раствор силиката натрия используется для недорогой, быстрой и необратимой блокировки автомобильных двигателей. Запуск двигателя с использованием около 2 литров раствора силиката натрия вместо моторного масла приводит к выпадению осадка, что катастрофически повреждает подшипники и поршни двигателя в течение нескольких минут. В Соединенных Штатах эта процедура использовалась для соответствия требованиям программы CARS (Car Allowance Rebate System).
Безопасная конструкция
Смесь силиката натрия и опилок использовалась между стенками некоторых сейфов. Это не только повышает их огнестойкость, но и значительно затрудняет вскрытие их кислородно-ацетиленовой горелкой из-за образующегося дыма.
Кристальные сады
При попадании кристаллов ряда солей металлов в раствор водяного стекла образуются простые или разветвленные сталагмиты из цветных металлических силикатов. Это явление использовалось производителями игрушек и наборов для химических опытов, чтобы доставить познавательное удовольствие многим поколениям детей с начала XX века и до наших дней. Раннее упоминание о кристаллах солей металлов, формирующих "химический сад" в силикате натрия, содержится в журнале Modern Mechanix за 1946 год. В качестве солей металлов использовались сульфаты и/или хлориды меди, кобальта, железа, никеля и марганца.
Глиняная посуда
Силикат натрия используется в качестве дефлокулянта в литейных шликерах, помогая снизить вязкость и уменьшить количество воды, необходимой для разжижения глиняной массы. Он также применяется для создания эффекта кракелюр в керамических изделиях, обычно на гончарном круге. На круге изготавливают вазу или бутылку, относительно узкую и с толстыми стенками. Секцию изделия покрывают кистью силикатом натрия. Через 5 минут стенку изделия растягивают наружу с помощью рёбра или рукой. В результате получается вид с морщинами или трещинами. Он также является основным компонентом "волшебной воды", которая используется при соединении глиняных фрагментов, особенно если их влажность различается.
Закрытие сооружений, содержащих протекающую воду
Силикат натрия с добавками впрыскивали в грунт для его упрочнения и предотвращения дальнейшей утечки высокорадиоактивной воды с АЭС Фукусима Дайичи в Японии в апреле 2011 года. Остаточное тепло, переносимое водой, использовавшейся для охлаждения поврежденных реакторов, ускоряло схватывание вводимой смеси. 3 июня 1958 года первая в мире атомная подводная лодка USS Nautilus посетила Эверетт и Сиэтл. В Сиэтле членов экипажа, одетых в гражданскую одежду, отправили тайно купить 140 кварт (160 литров) автомобильного продукта, содержащего силикат натрия (первоначально известного как Stop Leak), для ремонта протекающей конденсаторной системы. "Наутилус" направлялся к Северному полюсу с секретной миссией пересечь Северный полюс в подводном положении.
Патроны для огнестрельного оружия
Историческое применение клейких свойств силикатов натрия – производство бумажных патронов для револьверов под чёрный порох, выпускавшихся компанией Colt's Manufacturing Company в период с 1851 по 1873 год, особенно во время Гражданской войны в США. Силикат натрия использовался для склеивания горючей нитроцеллюлозной бумаги, формируя конический бумажный патрон для удержания чёрного пороха, а также для фиксации свинцовой пули или конической пули в открытом конце бумажного патрона. Такие бумажные патроны, скреплённые силикатом натрия, вставлялись в барабаны револьверов, что значительно ускоряло перезарядку револьверов с ударным механизмом и чёрным порохом. Это применение в значительной степени прекратилось с появлением револьверов Colt, использующих патроны с латунной гильзой, начиная с 1873 года. Аналогично, силикат натрия также применялся для фиксации верхнего войлочного порохового тампона в латунных гильзах для дробовиков, устраняя необходимость в обжимке горлышка гильзы для её удержания. Перезарядка латунных гильз для дробовиков была широко распространена среди самодостаточных американских фермеров в 1870-х годах, с использованием того же "водяного стекла", которое также применялось для консервации яиц. Фиксация верхнего тампона в гильзе дробовика заключалась в нанесении от трёх до пяти капель водяного стекла на тампон для его надёжной фиксации к латунной гильзе. Латунные гильзы для дробовиков были заменены бумажными, начиная примерно с 1877 года. Новые бумажные гильзы использовали обжимку вместо соединения, скреплённого водяным стеклом, для удержания верхнего тампона. Однако, в то время как латунные гильзы с верхним тампоном, скреплённым водяным стеклом, можно было перезаряжать практически неограниченное количество раз (при наличии пороха, тампона и дроби, разумеется), бумажные гильзы, заменившие латунные, можно было перезаряжать лишь несколько раз.
Косметика
Силикат натрия и другие силикаты – основные компоненты так называемых "мгновенных" кремов для разглаживания морщин, которые временно подтягивают кожу, уменьшая видимость морщин и мешков под глазами. Эти кремы, нанесенные тонким слоем и оставленные на несколько минут для высыхания, могут давать заметный эффект. Однако этот эффект недолговечен и длится от нескольких минут до пары часов. Они действуют подобно водяному цементу: как только мышцы начинают двигаться, покрытие трескается и на коже остаются белые следы.
Консервирование пищевых продуктов
Водяное стекло успешно используется как консервант для яиц, особенно когда нет возможности обеспечить охлаждение. Свежеснесённые яйца погружают в раствор силиката натрия (водяное стекло). После погружения их извлекают и дают высохнуть. На поверхности яиц образуется прочное герметичное покрытие. При хранении в подходящих условиях, большинство бактерий, которые обычно вызывают порчу, не проникают внутрь, и яйца сохраняют влагу. Согласно источнику, яйца, обработанные таким способом, могут оставаться свежими до пяти месяцев. При варке яиц, консервированных таким образом, скорлупа становится непроницаемой для воздуха, и яйцо может треснуть, если не сделать в ней отверстие (например, иглой), чтобы выпустить пар.
Пивоварение
Флоккуляционные свойства силиката натрия также используются для осветления вина и пива путем осаждения коллоидных частиц. Однако, как осветлитель, силикат натрия иногда путают с желатином (изингом), который получают из коллагена, извлеченного из высушенных плавательных пузырей осетровых и других рыб. Яйца, сохраненные в растворе силиката натрия (водном стекле), и их скорлупа (обожженная и измельченная) также иногда используются для осветления вина.
Аквакультура
Силикатный гель натрия также используется в качестве субстрата для выращивания водорослей в инкубаториях аквакультуры.