Krzemian sodu
Krzemian sodu to ogólna nazwa związków chemicznych o wzorze Na
2 x Si
y O
2 y + x lub (Na
2 O)
x · (SiO
2 )
y , takich jak metakrzemian sodu Na
2 SiO
3 , ortokrzemian sodu Na
4 SiO
4 i pirokrzemian sodu Na6Si
_
2 O
7 . Aniony są często polimerowe . Związki te są na ogół bezbarwnymi, przezroczystymi ciałami stałymi lub białymi proszkami i są rozpuszczalne w wodzie w różnych ilościach.
Krzemian sodu to także techniczna i potoczna nazwa mieszaniny takich związków, głównie metakrzemianu, zwanego także szkłem wodnym , szkłem wodnym lub płynnym szkłem . Produkt ma szeroki zakres zastosowań, w tym formułowanie cementów , bierną ochronę przeciwpożarową , obróbkę tekstyliów i drewna, produkcję ceramiki ogniotrwałej , jako kleje oraz w produkcji żelu krzemionkowego . Produkt handlowy, dostępny w roztworze wodnym lub w postaci stałej, jest często zielonkawy lub niebieski z powodu obecności zanieczyszczeń zawierających żelazo.
W przemyśle różne gatunki krzemianu sodu charakteryzują się stosunkiem wagowym SiO 2 : Na 2 O (który można przeliczyć na stosunek molowy przez pomnożenie przez 1,032). Stosunek może wahać się od 1:2 do 3,75:1. Gatunki o stosunku poniżej 2,85:1 są określane jako alkaliczne. Te z wyższym stosunkiem SiO2 : Na2O są określane jako neutralne.
Historia
Rozpuszczalne krzemiany metali alkalicznych (sodu lub potasu ) europejscy alchemicy obserwowali już w XVI wieku. Giambattista della Porta zauważył w 1567 r., Że tartari salis (krem z kamienia nazębnego, wodorowinian potasu ) powodował topnienie sproszkowanego kryształu (kwarc) w niższej temperaturze. Inne możliwe wczesne wzmianki o krzemianach alkalicznych zostały poczynione przez Bazylego Walentego w 1520 r. I Agricolę w 1550 r. Około 1640 r. Jean Baptist van Helmont opisali powstawanie krzemianów metali alkalicznych jako rozpuszczalnej substancji powstałej w wyniku stopienia piasku z nadmiarem alkaliów i zaobserwowali, że krzemionkę można wytrącić ilościowo przez dodanie kwasu do roztworu .
W 1646 roku Glauber wytworzył krzemian potasu , który nazwał liquor silicum , topiąc węglan potasu (uzyskany przez kalcynację kremu z kamienia nazębnego) i piasek w tyglu i utrzymując go w stanie stopionym, aż przestał bulgotać (z powodu uwalniania dwutlenku węgla ) . Mieszaninę pozostawiono do ostygnięcia, a następnie zmielono na drobny proszek. Kiedy proszek był wystawiony na działanie wilgotnego powietrza, stopniowo tworzył lepką ciecz, którą Glauber nazwał „ Oleum oder Liquor Silicum, Arenæ, vel Crystallorum”. " (tj. olej lub roztwór krzemionki, piasku lub kryształu kwarcu).
Jednak później twierdzono, że substancje sporządzone przez tych alchemików nie były szkłem wodnym w dzisiejszym rozumieniu. Zostałoby to przygotowane w 1818 roku przez Johanna Nepomuka von Fuchsa przez potraktowanie kwasu krzemowego zasadą; wynik jest rozpuszczalny w wodzie, „ale nie ma na niego wpływu zmiany atmosferyczne”.
Terminów „szkło wodne” i „szkło rozpuszczalne” użył Leopold Wolff w 1846 r., Émile Kopp w 1857 r. I Hermann Krätzer w 1887 r.
W 1892 Rudolf von Wagner wyróżnił sodę , potaż , sodę i potaż oraz utrwalacz (tj. stabilizujący) jako rodzaje szkła wodnego. Rodzaj utrwalacza to „mieszanina krzemionki dobrze nasyconej potasowym szkłem wodnym i krzemianem sodu” stosowana do stabilizacji nieorganicznych pigmentów akwarelowych na elementach cementowych do znaków zewnętrznych i malowideł ściennych.
Nieruchomości
Krzemiany sodu to bezbarwne szkliste lub krystaliczne ciała stałe lub białe proszki. Z wyjątkiem tych najbardziej bogatych w krzem, łatwo rozpuszczają się w wodzie, tworząc roztwory alkaliczne .
Krzemiany sodu są stabilne w roztworach obojętnych i alkalicznych . W roztworach kwaśnych jony krzemianowe reagują z jonami wodoru, tworząc kwasy krzemowe , które mają tendencję do rozkładu do uwodnionego żelu dwutlenku krzemu . [ nieudana weryfikacja ] Po podgrzaniu w celu usunięcia wody powstaje twarda półprzezroczysta substancja zwana żelem krzemionkowym , szeroko stosowana jako środek osuszający . Wytrzymuje temperatury do 1100°C.
Produkcja
Roztwory krzemianów sodu można wytwarzać przez obróbkę mieszaniny krzemionki (zwykle w postaci piasku kwarcowego ), sody kaustycznej i wody gorącą parą w reaktorze . Ogólna reakcja jest
- 2 x NaOH + SiO
2 → (Na
2 O)
x · SiO
2 + x H
2 O
Krzemiany sodu można również otrzymać rozpuszczając krzemionkę SiO
2 (której temperatura topnienia wynosi 1713 °C) w stopionym węglanie sodu (który topi się z rozkładem w temperaturze 851 °C):
-
x Na2CO3
_ _
+ + SiO2
_ → (
Na2O )
x · SiO2
_ CO2
_ _
Materiał można otrzymać również z siarczanu sodu (temperatura topnienia 884 °C) z węglem jako reduktorem:
- 2 x Na2SO4
x ·
+
+ C + SO2
2 SiO2
2 → (
Na2O )
_ SiO2 + _
2 CO2
wyprodukowano 4 mln ton krzemianów metali alkalicznych.
Żelazokrzem
Krzemian sodu może być wytwarzany w ramach produkcji wodoru poprzez rozpuszczanie żelazokrzemu w wodnym roztworze wodorotlenku sodu (NaOH • H 2 O):
- 2NaOH + Si + H2O → 2Na2SiO3 + 2H2
Proces Bayera
Choć nieopłacalny, Na 2 SiO 3 jest produktem ubocznym procesu Bayera , który jest często przekształcany w krzemian wapnia (Ca 2 SiO 4 ).
Używa
Główne zastosowania krzemianów sodu to detergenty, papier, uzdatnianie wody i materiały budowlane.
Inżynieria
Spoiwo
Największym zastosowaniem roztworów krzemianu sodu jest cement do produkcji tektury. Gdy jest używany jako spoiwo do papieru, spoina z krzemianu sodu ma tendencję do pękania w ciągu kilku lat, w którym to momencie nie utrzymuje już sklejonych ze sobą powierzchni papieru.
Roztwory krzemianu sodu można również stosować jako nakręcaną warstwę adhezyjną do łączenia ze sobą płytek szklanych lub pokrytych tlenkiem krzemu. Zaletą wiązania szkła ze szkłem krzemianu sodu jest technika łączenia w niskiej temperaturze, w przeciwieństwie do łączenia przez stapianie. Jest to również mniej wymagające przetwarzanie niż wiązanie anodowe szkło-szkło, które wymaga warstwy pośredniej, takiej jak SiN, która działa jako bariera dyfuzyjna dla jonów sodu. Osadzanie takiej warstwy wymaga etapu chemicznego osadzania z fazy gazowej pod niskim ciśnieniem. Wadą wiązania krzemianu sodu jest jednak to, że bardzo trudno jest wyeliminować pęcherzyki powietrza. Wynika to częściowo z faktu, że ta technika łączenia nie wymaga łączenia w próżni, a także nie wykorzystuje pomocy w terenie, jak w przypadku łączenia anodowego. Chociaż ten brak pomocy w terenie może czasami być korzystny, ponieważ pomoc w terenie może zapewnić tak duże przyciąganie między płytkami, że wygina cieńszą płytkę i zapada się na wnękę nanofluidyczną lub elementy MEMS.
Płuczki wiertnicze
Krzemian sodu jest często stosowany w płuczkach wiertniczych w celu stabilizacji ścian otworów wiertniczych i uniknięcia ich zapadania się. Jest to szczególnie przydatne, gdy otwory wiertnicze przechodzą przez formacje ilaste zawierające pęczniejące minerały ilaste, takie jak smektyt czy montmorylonit .
Beton i ogólna obróbka murów
Beton potraktowany roztworem krzemianu sodu pomaga zmniejszyć porowatość większości produktów murarskich , takich jak beton , sztukateria i tynki . Efekt ten pomaga w zmniejszeniu przenikania wody, ale nie ma znanego wpływu na zmniejszenie przepuszczalności i emisji pary wodnej. Z nadmiarem Ca(OH) 2 ( portlandytem) zachodzi reakcja chemiczna ) obecny w betonie, który trwale wiąże krzemiany z powierzchnią, czyniąc je znacznie trwalszymi i hydrofobowymi. Leczenie to na ogół stosuje się dopiero po początkowym wyleczeniu (około 7 dni w zależności od warunków). Powłoki te są znane jako silikatowe farby mineralne . Poniżej przedstawiono przykład reakcji krzemianu sodu z wodorotlenkiem wapnia występującym w betonie w celu utworzenia żelu hydratu krzemianu wapnia (lub CSH), głównego produktu uwodnionego cementu portlandzkiego.
-
Na
2 SiO
3 + y H
2 O + x Ca(OH)
2 → x CaO.SiO
2 .y H
2 O + 2NaOH
Środki pomocnicze do detergentów
Jest stosowany w detergentowych środkach pomocniczych, takich jak złożony dwukrzemian sodu i modyfikowany dwukrzemian sodu. Granulki detergentu zyskują swoją wytrzymałość dzięki powłoce z krzemianów.
Uzdatnianie wody
Krzemian sodu jest stosowany jako koagulant ałunu i flokulant żelaza w oczyszczalniach ścieków . Krzemian sodu wiąże się z koloidalnymi , tworząc większe agregaty , które opadają na dno słupa wody. Mikroskopijne ujemnie naładowane cząsteczki zawieszone w wodzie oddziałują z krzemianem sodu. Ich podwójna warstwa elektryczna zapada się z powodu wzrostu siły jonowej spowodowane dodatkiem krzemianu sodu (podwójnie naładowany anion z dwoma kationami sodu), a następnie ulegają agregacji. Ten proces nazywa się koagulacją .
Zastosowanie ogniotrwałe
Szkło wodne jest użytecznym spoiwem dla ciał stałych, takich jak wermikulit i perlit . Po zmieszaniu z tą ostatnią lekką frakcją, szkło wodne może być używane do produkcji twardych, odpornych na wysokie temperatury płyt izolacyjnych stosowanych w materiałach ogniotrwałych, biernej ochronie przeciwpożarowej i izolacjach wysokotemperaturowych, takich jak odlewane izolacje rur. Po zmieszaniu z drobno rozdrobnionymi proszkami mineralnymi, takimi jak pył wermikulitowy (który jest zwykłym odpadem z procesu eksfoliacji), można wytwarzać kleje wysokotemperaturowe. Pęcznienie znika w obecności drobno rozdrobnionego pyłu mineralnego, przez co szkło wodne staje się zwykłą matrycą. Szkło wodne jest niedrogie i powszechnie dostępne, co czyni go popularnym w wielu zastosowaniach ogniotrwałych.
Odlewanie piasku
Stosowany jest jako spoiwo piasku przy odlewaniu piasku z żeliwa lub stali. Pozwala na szybką produkcję mocnej formy, przepuszczając CO 2 przez mieszaninę piasku i krzemianu sodu w skrzynce formy , co powoduje jej niemal natychmiastowe utwardzenie.
Barwnik pomocniczy
Roztwór krzemianu sodu jest stosowany jako utrwalacz do ręcznego barwienia barwnikami reaktywnymi , które wymagają wysokiego pH do reakcji z włóknem tekstylnym. Po nałożeniu barwnika na tkaninę celulozową, taką jak bawełna lub sztuczny jedwab, lub na jedwab, pozostawia się ją do wyschnięcia, po czym barwioną tkaninę maluje się krzemianem sodu, przykrywa plastikiem w celu zatrzymania wilgoci i pozostawia do reagowania przez godzinę w temperaturze pokojowej.
Naprawa metalu
Krzemian sodu jest stosowany wraz z krzemianem magnezu w paście do naprawy i montażu tłumika . Po rozpuszczeniu w wodzie zarówno krzemian sodu, jak i krzemian magnezu tworzą gęstą pastę, którą łatwo się nakłada. Kiedy układ wydechowy silnika spalinowego nagrzewa się do temperatury roboczej , ciepło usuwa cały nadmiar wody z pasty. Pozostałe związki krzemianowe mają właściwości przypominające szkło, tworząc tymczasową, kruchą naprawę .
Naprawa samochodów
Krzemian sodu jest również obecnie stosowany jako uszczelniacz połączeń i pęknięć układu wydechowego do naprawy tłumików, rezonatorów, rur wydechowych i innych elementów układu wydechowego, z taśmami wzmacniającymi z włókna szklanego lub bez nich. W tym zastosowaniu krzemian sodu (60–70%) jest zwykle mieszany z kaolinem (40–30%), minerałem krzemianu glinu, aby „klejone” spoina z krzemianu sodu była nieprzezroczysta. Jednak krzemian sodu jest klejem wysokotemperaturowym; kaolin służy po prostu jako kompatybilny środek barwiący w wysokiej temperaturze. Niektóre z tych związków naprawczych zawierają również włókna szklane, które zwiększają ich zdolność do wypełniania szczelin i zmniejszają kruchość.
Krzemian sodu może być stosowany do wypełniania szczelin w obrębie uszczelki głowicy . Powszechnie stosowany w głowicach cylindrów ze stopów aluminium , które są wrażliwe na odkształcenia powierzchni wywołane termicznie. Może to być spowodowane wieloma czynnikami, w tym rozciągnięciem śrub głowicy, niedostatecznym chłodziwa , wysokim ciśnieniem w głowicy cylindrów, przegrzaniem itp.
„Płynne szkło” (krzemian sodu) jest dodawane do układu przez chłodnicę i umożliwia cyrkulację. Krzemian sodu jest zawieszony w płynie chłodzącym, aż dotrze do głowicy cylindrów. W temperaturze 100–105 ° C (212–221 ° F) krzemian sodu traci cząsteczki wody, tworząc szklane uszczelnienie o temperaturze ponownego stopienia powyżej 810 ° C (1490 ° F).
Naprawa krzemianu sodu może trwać dwa lata lub dłużej. Naprawa następuje szybko, a objawy znikają natychmiast. Ta naprawa działa tylko wtedy, gdy krzemian sodu osiągnie temperaturę „konwersji” na poziomie 100–105 ° C. Zanieczyszczenie oleju silnikowego jest poważną możliwością w sytuacjach, w których występuje wyciek płynu chłodzącego do oleju. Zanieczyszczenie smarów krzemianem sodu (cząstkami szklanymi) niekorzystnie wpływa na ich działanie.
Roztwór krzemianu sodu służy do niedrogiego, szybkiego i trwałego wyłączania silników samochodowych. Uruchomienie silnika z około 2 litrami roztworu krzemianu sodu zamiast oleju silnikowego powoduje wytrącenie się roztworu , który w ciągu kilku minut katastrofalnie uszkadza łożyska i tłoki silnika. W Stanach Zjednoczonych procedura ta była stosowana w celu spełnienia wymagań programu Car Allowance Rebate System (CARS) .
Bezpieczna konstrukcja
sejfów zastosowano mieszaninę krzemianu sodu i trocin . To nie tylko czyni je bardziej ognioodpornymi , ale także sprawia, że rozcięcie ich palnikiem acetylenowo-tlenowym jest niezwykle trudne ze względu na wydzielający się dym .
Kryształowe ogrody
Kiedy kryształy pewnej liczby soli metali zostaną wrzucone do roztworu szkła wodnego, tworzą się proste lub rozgałęzione stalagmity kolorowych krzemianów metali. Zjawisko to było wykorzystywane przez producentów zabawek i zestawów chemicznych do dostarczania edukacyjnej rozrywki wielu pokoleniom dzieci od początku XX wieku do czasów współczesnych. Wczesna wzmianka o kryształach soli metali tworzących „ chemiczny ogród ” w krzemianie sodu znajduje się w czasopiśmie Modern Mechanix z 1946 roku . Stosowane sole metali obejmowały siarczany i/lub chlorki miedzi, kobaltu, żelaza, niklu i manganu.
Garncarstwo
Krzemian sodu jest stosowany jako deflokulant w masach odlewniczych, pomagając zmniejszyć lepkość i zapotrzebowanie na duże ilości wody do upłynnienia gliny. Jest również używany do tworzenia efektu trzaskania w ceramice, zwykle toczonej na kole. Wazon lub butelka rzucana jest na koło, dość wąskie i o grubych ścianach. Krzemian sodu jest szczotkowany na części elementu. Po 5 minutach ściana kawałka jest rozciągana na zewnątrz żebrem lub ręką. Rezultatem jest pomarszczony lub popękany wygląd.
Jest również głównym składnikiem „magicznej wody”, która jest używana podczas łączenia kawałków gliny, zwłaszcza jeśli poziom wilgotności obu jest różny.
Uszczelnianie przeciekających konstrukcji zawierających wodę
Krzemian sodu z dodatkami został wstrzyknięty do gruntu w celu jego utwardzenia i tym samym zapobieżenia dalszemu wyciekowi wysoce radioaktywnej wody z elektrowni jądrowej Fukushima Daiichi w Japonii w kwietniu 2011 roku. ustawienie wtryskiwanej mieszanki.
3 czerwca 1958 roku USS Nautilus , pierwszy na świecie atomowy okręt podwodny, odwiedził Everett i Seattle. W Seattle wysłano członków załogi ubranych w cywilne ubrania, aby potajemnie kupili 140 litrów (160 litrów) produktu samochodowego zawierającego krzemian sodu (pierwotnie zidentyfikowanego jako Stop Leak) w celu naprawy nieszczelnego układu skraplacza. Nautilus był w drodze na Biegun Północny z ściśle tajną misją przekroczenia Bieguna Północnego w zanurzeniu .
Naboje do broni palnej
Historycznym zastosowaniem właściwości adhezyjnych krzemianów sodu jest produkcja nabojów papierowych do rewolwerów czarnoprochowych produkowanych przez Colt’s Manufacturing Company w okresie od 1851 do 1873, zwłaszcza w czasie wojny secesyjnej. Krzemian sodu został użyty do uszczelnienia razem palnego nitrowanego papieru w celu utworzenia stożkowego wkładu papierowego do przechowywania czarnego prochu, a także do zamocowania ołowianej kuli lub stożkowego pocisku w otwartym końcu wkładu papierowego. Takie papierowe naboje cementowane krzemianem sodu były wkładane do cylindrów rewolwerów, przyspieszając w ten sposób przeładowywanie rewolwerów czarnoprochowych typu cap-and-ball. To użycie w dużej mierze zakończyło się wraz z wprowadzeniem rewolwerów Colt, w których zastosowano naboje w mosiężnych łuskach, począwszy od 1873 r. Podobnie krzemian sodu był również używany do cementowania górnego przybitka w mosiężnych łuskach do strzelby , eliminując w ten sposób potrzebę zaciskania na górze mosiężnej łuski strzelby, aby trzymać razem łuskę strzelby. Ponowne ładowanie mosiężnych łusek do strzelby było szeroko praktykowane przez samodzielnych amerykańskich rolników w latach siedemdziesiątych XIX wieku, przy użyciu tego samego materiału ze szkła wodnego, który był również używany do konserwowania jaj. Cementowanie górnego przybitka na łusce strzelby polegało na nałożeniu od trzech do pięciu kropli szkła wodnego na górną przybitkę w celu przymocowania jej do mosiężnego kadłuba. Mosiężne łuski łusek do strzelb zostały zastąpione łuskami papierowymi począwszy od około 1877 r. W nowszych łuskach do strzelb z łuskami papierowymi zastosowano zacisk rolkowy zamiast połączenia cementowanego szkłem wodnym, aby przytrzymać górny zwitek w łusce. Jednak podczas gdy mosiężne łuski śrutowe z górnymi przybitkami cementowanymi szkłem wodnym można było przeładowywać prawie w nieskończoność (oczywiście podając proch, przybitkę i śrut), łuski papierowe, które zastąpiły łuski mosiężne, można było przeładowywać tylko kilka razy.
Jedzenie i medycyna
Kosmetyki
Krzemian sodu i inne krzemiany są głównymi składnikami „natychmiastowych” kremów do usuwania zmarszczek, które tymczasowo napinają skórę, aby zminimalizować pojawianie się zmarszczek i worków pod oczami. Te kremy, nałożone cienką warstwą i pozostawione do wyschnięcia na kilka minut, mogą dawać spektakularne rezultaty. Efekt ten nie jest trwały, trwa od kilku minut do kilku godzin. Działa jak cement wodny, gdy mięsień zacznie się poruszać, pęka i pozostawia białe osady na skórze.
Konserwacja żywności
Szkło wodne było z dużym powodzeniem stosowane jako środek konserwujący jaja, głównie wtedy, gdy nie jest dostępne chłodzenie. Świeżo złożone jaja zanurza się w roztworze krzemianu sodu (szkła wodnego). Po zanurzeniu w roztworze wyjęto je i pozostawiono do wyschnięcia. Na jajach pozostaje trwała nieprzepuszczająca powietrza powłoka. Jeśli są one następnie przechowywane w odpowiednim środowisku, większość bakterii, które w przeciwnym razie spowodowałyby ich psucie, jest utrzymywana na zewnątrz, a ich wilgoć jest zatrzymywana. Według cytowanego źródła, poddane obróbce jaja można zachować świeżość dzięki tej metodzie do pięciu miesięcy . Podczas gotowania jajek w ten sposób zakonserwowanych, skorupka nie przepuszcza już powietrza, a jajko będzie miało tendencję do pękania, chyba że zrobi się w skorupce dziurę (np. szpilką), aby umożliwić ujście pary.
Piwowarstwo domowe
flokulantu krzemianu sodu są również wykorzystywane do klarowania wina i piwa poprzez wytrącanie cząstek koloidalnych. Jednak jako środek czyszczący krzemian sodu jest czasami mylony z karuk , który jest przygotowywany z kolagenu ekstrahowanego z suszonych pęcherzy pławnych jesiotra i innych ryb. Jajka zakonserwowane w wiaderku żelu ze szkła wodnego, a ich skorupki są czasami używane (pieczone i kruszone) do klarowania wina.
Akwakultura
Żel krzemianu sodu jest również stosowany jako podłoże do wzrostu glonów w wylęgarniach akwakultury .
Zobacz też
Dalsza lektura
- Ashford's Dictionary of Industrial Chemicals, wydanie trzecie, 2011, strona 8369.