Силикат калия: описание, свойства, применение, реакции

Силикат калия — это неорганическое соединение калия и метакремниевой кислоты. Вещество применяется во многих областях: как кремнийсодержащее удобрение в садоводстве, в качестве пропитки, препятствующей возгоранию древесных изделий, для получения сварочных смесей, как антикоррозийный элемент. Калиевый силикат в составе косметических и лекарственных средств выполняет функцию антислёживающего агента, он проявляет бактерицидное и эмульгирующее действие. Ранее применялся в пищевой отрасли под кодом Е560, сегодня эта добавка запрещена в связи с доказанным вредом желудочно-кишечному тракту.

Что такое силикат калия, формула

Силикат калия представляет собой калиевую соль кремниевой кислоты – слабое нестабильное вещество с химической формулой H₂SiO₃. Кремнекислый калий описывается формулой K₂SiO₃. Он не встречается в природе, синтезирован искусственным путём. Является результатом замещения двух атомов водорода калием – высокореактивным металлом щелочной группы. Молекула представляет собой полимерные единицы, состоящие из кремния, соединённого с двумя кислородами (валентность +4) посредством ковалентных полярных связей, с положительно заряженным калием.

Физические свойства, внешний вид

Силикат калия — это порошок, хлопья либо мелкодисперсные кристаллы беловатого либо желтоватого цвета, могут быть бесцветные. Не имеет вкуса и запаха, высоко гигроскопичный. Растворяется в воде, при нагревании растворимость улучшается. В холодном растворе образует коллоиды, взвесь мелких частичек в жидкой фазе, в горячем – разлагается.

Концентрированный раствор силиката называют жидким стеклом, широко применяется для выпуска стройматериалов, огнеупорных красок, машинного масла. При этом формируется гидрозоль – равномерно распределённая взвесь твёрдого тонко распыленного твёрдого вещества в воде. Атомарный состав гидрозоля: SiO₂∙nH₂O. Не смешивается со спиртами, в частности с этанолом.

Плавится в пределах 976-978 °С, плотность низкая. Раствор силиката характеризуется сильнощелочной реакцией из-за гидролиза по аниону, который сопровождается отделением большого количества гидроксильных группировок (-OH). Проявляет высокую адсорбирующую способность.

Химические свойства, реакции

Силикат калия реагирует с кислотами, вступая в реакцию ионного обмена. Так, при взаимодействии с хлороводородом выделяется хлорид калия:

K₂SiO₃ + 2HCl → 2KCl + H₂SiO₃↓

Это качественная реакция, осаждается слаборастворимая кислота калия – желейного белёсого студенистого осадка. Силикат калия реагирует с газами, с диоксидом углерода даёт кремнезём и карбонат:

K₂SiO₃ + CO₂ → SiO₂↓ + K₂CO₃

Гидролиз протекает в растворе, реакция сопровождается выделением гидрометасиликата калия, калиевых и гидроксид-ионов:

K₂SiO₃ + H₂O → KHSiO₃ + HO^– + K⁺

Силикат калия реагирует с горячей жидкостью, при этом начинается необратимое разложение до едкого кали:

K₂SiO₃ + 2H₂O → 2KOH + H₂SiO₃↓

Реакция с плавиковой кислотой калия силиката даёт гексафторосиликат калия:

K₂SiO₃ + HF → K₂[SiF₆]↓ + 3H₂O.

Производство и получение, уравнение калия силиката

Кристаллы силиката калия

Метасиликат калия в лабораторных и промышленных условиях синтезируют путём сплавления. Карбонат калия реагирует с оксидом:

SiO₂ + K₂CO₃ →  K₂SiO₃ + CO₂↑

Из уравнения калия силиката следует, что это обратимая реакция, которая может идти в обе стороны. Она протекает при нагреве порядка 1150 °С. Менее жёсткий температурный режим возможен при смешивании кремнезёма с каустическим поташем:

SiO₂ + KOH → K₂SiO₃ + H₂O

Процесс производства идёт в несколько этапов:

1. Подготавливают сырьё, им служит в основном кварцевый песок. Необходимо, чтобы он был чист от негашёной извести, оксидов железа, алюминия. При необходимости его дополнительно обогащают для снижения концентрации вредных примесей. В качестве источника щёлочи выбирают сульфат натрия, соду.
2. Для получения шихты – однородной смеси материалов, их смешивают, проводят увлажнение до 6%, это улучшает однородность и облегчает перемешивание. При этом на поверхности кварцевых зерен образуется щелочная плёнка, что интенсифицирует силикатообразование.
3. Дальнейшие этапы протекают при постепенном снижении и повышении режима температуры. При 100-120 °С удаляют излишнюю влагу.
4. При 500 °С происходят полиморфные превращения кварца: изменение модификации (тригональная, гексональная).
5. При 855 °С расплавляются различные составляющие шихты, например, натриевая соль угольной кислоты.
6. При 900 °С образуется силикат калия. При дальнейшем нагреве (1400 °С) формирует стекольная масса, которая затем охлаждается. Для выработки чистого соединения на этом этапе его фильтруют.
7. Кристаллы отправляются в вакуумную сушку, где освобождаются от избыточного увлажнения, затем просеиваются.

Применение

Силикат калия используется в лёгкой и тяжёлой промышленности. Это сырьё для изготовления стекла, устойчивых к возгоранию стройматериалов. Другая сфера применения силикатного порошка – удобрение для почв, бедных кремнием. Гидрированный силикат натрия хорошо склеивает металл, дерево и бумагу, укрепляет фундамент построек, подходит для создания литейных форм. Реагент нашел применение в медицине и косметике, он предотвращает образование комочков, уничтожает патогенную микрофлору.

Применение в пищевой промышленности, косметологии и фармацевтике

Добавка Е560 до 2010 года в большинстве стран использовалась как эмульгатор и стабилизатор. Она не давала сыпучим продуктам слёживаться, поглощать влажность из воздуха, образуя комочки, способствовала сохранению привлекательного товарного вида.  После тщательных исследований выяснилось, что силикат калия небезопасен, после чего его исключили из оборота многие государства, кроме Украины и Китая. Ранее встречался на упаковке такой продукции, как:

• быстрорастворимые напитки;
• мука;
• соль;
• сахар, сахарная пудра;
• супы и картофельное пюре быстрого приготовления;
• кофе, какао.

Несмотря на запрет в пищевой индустрии, силикат калия добавляется в косметику. Часто производители вносят его в сыпучие средства, такие как тени для век, румяна, пудру, сухие духи, антиперспиранты, присыпки. Играет роль связующего компонента, продлевает срок годности, негативно влияет на бактерии и грибки, подавляя их жизнедеятельность.

Схожую функцию силикат калия выполняет в лекарствах. Его добавляют в таблетированные формы для увеличения стойкости таблетки к действию повреждающих механических факторов, для эмульгации активного компонента со вспомогательными. Важен для медицинской сферы, поскольку препятствует образованию комков в порошковых смесях.

Применение в сельском хозяйстве и других областях

Силикат калия — это хорошая подкормка, восстанавливающая содержание микроэлементов в клеточном соке. При недостатке этого элемента растения чувствуют себя плохо, это сопровождается такими симптомами, как:

• побеги истончаются и становятся более ломкими;
• листья теряют хлорофилл, начинают желтеть и увядать;
• снижается урожайность за счёт потери некоторых цветков способности к опылению;
• цветение отсутствует или менее обильное;
• плохо растут корни;
• нарушается солевой обмен, хуже усваивают азот и фосфор, понижается продуктивность зелёной массы.

Удобрение понижает кислотность субстрата. В кислых почвах растения развиваются хуже, поэтому при избытке органических кислот (фульвокислоты, винная, уксусная и др.) необходимо повышать значение водородного показателя.

Из-за специфических свойства возможно применение как внекорневой и как прикорневой подкормки. Он способствует упрочнению листьев, стеблей и побегов, укрепляет клеточную стенку при сохранении её упругости, запускает рост и цветение декоративных культур. Стимулируется устойчивость к стрессовым факторам, улучшается морозостойкость, засухоустойчивость. Благодаря силикату у растений формируется стойкий иммунитет против патогенов и вредителей.

В строительстве силикат калия – кислото- и гидроупорная добавка в строительные спецпродукты. Это пластификатор бетона и цемента, улучшает его прочность и устойчивость при застывании, снижает нагрузку повреждающих факторов среды. Он необходим для производства электродов, а также сварок, литья. Его добавляют в краски, которые можно использовать для внутренних и внешних отделочных работ, они устойчивы к действию пламени, отличаются низкой пожароопасностью.

Польза и вред пищевой добавки

Е560 не приносит организму пользы, поскольку минералы в таком виде не усваиваются организмом и находятся в продукции в слишком низкой концентрации. Попадая в ЖКТ, соединение проходит через него и выделяется неизменным.

Существуют данные о негативном влиянии силиката на слизистую желудка и кишечника. Он токсичен и очень щелочной, способен вызывать повреждения тканей и провоцировать обострение хронических заболеваний. Учёные предполагают, что он может вредить и окружающей среде, однако однозначного ответа пока нет, проводятся испытания.

Упаковка, транспортировка, класс опасности

Силикат калия относится к 4 классу (малоопасные). При перевозке он упаковывается в вакуумированные полиэтиленовые мешки, мягкие контейнеры, картонные коробки. Раствор силиката транспортируют в плотно закрытых канистрах или бочках.

Где купить и сколько стоит

Силикат калия продаётся заводами-производителями оптом. Цена порошкообразного товара от 70 рублей за 1 кг, раствора – 100-120 руб/л. В качестве удобрения его можно приобрести в садовых магазинах от 80 рублей за 200 грамм.

Заключение

Силикат калия – это огнезащитный реактив, который эффективно повышает температуру возгорание пигментов. Он стабилизирует строительные смеси, повышает их прочность, входит в состав сжижженного стекла, ориентированного на склейку поверхностей разной природы. Использовался в сухих продуктах питания, стабилизируя их структуру, позже исключён из списка безопасных добавок. До сих пор применяется в сыпучей косметике, присыпках, медицинских препаратах. Восполняет дефицит калия в растениях, способствует повышению значения pH почвы.

Читайте также:

• Силикат натрия: свойства, описание, применение
• Нитрат серебра: свойства, реакции, инструкция, применение
• Сульфат алюминия: свойства, применение
• Дихлорметан: свойства, реакции, применение