Силикат натрия: свойства, описание, применение

Силикат натрия — это неорганическое соединение, натриевая соль метакремниевой кислоты. Основная сфера применения – машиностроение, где он используется в качестве цемента для производства картона, склеивания древесины, в составе буровых растворов. Он фиксирует окраску, обладает флоккулирующими способностями, применяется на водоочистных сооружениях. Применим для пассивной пожарной защиты, является главным компонентом жидкого стекла. Соединение герметизирует трещины в выхлопных системах автомобиля, добавляется в керамические смеси. В косметике кремнекислый натрий разглаживает морщины, ранее в пищевой отрасли эксплуатировался как консервант и эмульгатор, сегодня запрещён.

Что такое силикат натрия, формула

Силикат натрия –  это средняя соль слабой и неустойчивой кислоты с формулой H₂SiO₃. Встречается в природе, атомарный состав: Na₂SiO₃. В естественных условиях принимает форму редкого минерала эртицзиита (Na₂Si₄O₉). Он прозрачен, встречается в виде мелких бесцветных кристаллических зёрен. Чаще обнаруживают натросилит (Na₂Si₂O₅) белого цвета, столбчатое образование со стеклянным блеском, прозрачный, твёрдость по шкале Мооса низкая. Месторождения находятся по всему миру, ассоциирован с пегматитами, в горах, неустойчив и быстро напитывается влагой.

Впервые силикат натрия был создан бельгийско-голландским химиком Яном Баптистом ван Гельмонтом, который смешал песок со щёлочью при подогревании. Спустя годы его переоткрывали Эмиль Коппом, Глаубер, Рудольф Вагнер.

Физические свойства, внешний вид

Силикат натрия представляет собой мелкодисперсные беловатые кристаллы, мелкофракционный порошок. Вкус и запах отсутствует. Отличается хорошей растворимостью в воде, гигроскопичен, способен образовывать кристаллогидраты. Самый распространённый из них – Na₂SiO₃ ∙ 9H₂О, расплавляющийся при 47 °С, термолиз при 100 °С. Выделяют пентагидрат, нонагидрат, коммерчески восстребованы, поскольку отличаются: Na₂SiO ∙ 5H₂O и Na₂SiO₂(OH)₂ ∙ 8H₂O.

Концентрированный раствор силиката натрия даёт гидрозоль состава SiO₂ ∙ nH₂O, в нём твёрдо распылённые частички равномерно распределены в коллоидной системе. Ангидрид – полимер, состоящий из повторяющихся мономерных звеньев. В пространстве располагается как тетраэдр – многогранник из четырёх треугольников, основание которых – два атома кислорода, а вершина – кремний (SiO₄).

Химические свойства, реакции

Структурная формула и пространственная структура силиката натрия

Силикат натрия реагирует с соляной кислотой, реакция ионного обмена протекает с формированием белого желейного кислотного осадка и хлорида:

Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaСl + H₂SiO₃↓

Это качественная реакция, позволяющая обнаружить метасиликат-ионы в растворе. Силикат натрия реагирует с оксидами, с диоксидом углерода приводит к осаждению хлопьев кремнезёма:

Na₂SiO₃ + CO₂ → SiO₂↓ + Na₂CO₃

Силикат натрия реагирует со щелочами на холоду, результат взаимодействия с едким натром – ортосиликат:

Na₂SiO₃ + 2NaOH → Na₄SiO₄ + 2H₂O

Гидролиз идёт по аниону, выделяется гидрометасиликат, большое количество гидроксид-ионов (-OH), что обуславливает щелочное значение pH раствора силиката:

Na₂SiO₃ + H₂O → NaHSiO₃ + Na⁺ + OH^–

В горячей жидкости силикат натрия необратимо распадается на каустическую соду и кислоту:

Na₂SiO₃ + H₂O → 2NaOH  + (SiO₂ ∙ nH₂O)↓

Раствор силикат натрия реагирует с фтороводородом, переходя во виллиомит и кремнефтористоводородную кислоту :

Na₂SiO₃ + 8HF → NaF + H₂SiF₆ + H₂O

Получение, уравнение силиката натрия

В лабораторных и промышленных условиях силикат натрия получают реакцией сплавления диоксида кремния с каустиком при 1100 °С:

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

Из уравнения силиката натрия видно, что для проведения реакции требуется в два раза больше аскарита. Это затрудняет технологию, поскольку возникает необходимость постоянно поддерживать равновесие для стабильного выхода.

Взаимодействие по схожему механизму возможно с карбонатом:

SiO₂ + 2Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ + CO₂↑

Это обратимый процесс, происходящий при температурном режиме порядка 1150 °С. Другой путь – разложение четырехнатриевого силиката при 1120 °С:

Na₄SiO₄ → Na₂SiO₃ + Na₂O

Для получения безводного соединения обезвоживают кристаллогидраты, подогревая их до 100-300 °С:

Na₂SiO₃ ∙ 9H₂O → Na₂SiO₃ + 9H₂O

Естественные источники

Среди них наиболее распространённые – природные пески, глины, шпаты, кремнезём, обрабатываемый горячим паром в специализированных реакторах. Методика добычи из натурального сырья проста и не затратна, однако получаемый продукт подлежит очистке, в нём часто встречаются разнообразные загрязнители.

Минеральные отложения для выделения силиката натрия редко используют, т.к. их трудно найти, они собираются в небольшом количестве, содержат трудно отделяемые примеси.

Искусственные источники

Кристаллический порошок силиката натрия

Синтез происходит на основе лабораторных реагентов:

• сульфат натрия;
• ферросилиций;
• кремнезём очищенный;
• сода.

Применение

Главная область использования – промышленность. Силикат натрия – незаменимый компонент для производства стекла, керамики, стройматериалов. Это флокулянт, адсорбирующий частицы загрязнителей в стоках предприятий и канализации. Вещество используется для создания литейных форм, ремонта автотранспорта, для огнезащитного наполнения резины. В индустрии продуктов питания добавка Е550 выполняла функцию антислёживающего агента и стабилизатора, осветлителя пива, однако была отозвана из оборота.

Применение в пищевой промышленности, косметологии, бытовой химии

Пищевая добавка Е550 – разделитель, консервант, эмульгатор. Предотвращает слёживание сыпучей продукции, предотвращает образование комков, продлевает срок годности. На сегодняшний день запрещена во всех странах мира, кроме Украины и Китая, где проходит дополнительные исследования. Е550 обнаруживалась на этикетке таких товаров, как:

• сухое молоко;
• быстрорастворимые напитки;
• какао, кофе;
• сахар, сахарная пудра;
• соль;
• мука.

Силикат натрия — это действующее вещество омолаживающих кремов и масок. Он напитывается влажностью, а после нанесения на кожу быстро высыхает, формируя плёнку. В результате кожный покров растягивается, убираются мешки под глазами, морщины разглаживаются. Эффект временный и исчезает через несколько часов или дней, при растирании или движении трескается и крошится.

Силикат натрия добавляют в стиральные порошки, чтобы не допускать комкования. Кроме того, он работает как ПАВ (поверхностно-активное вещество), притягивая отрицательно заряженные молекулы жиров.

Применение в водоочистке и других сферах

Метасиликат натрия – коагулянт и флокулянт для очищения питьевых и хозяйственных жидкостей. Он связывает взвешенные в среде крупицы грязи, липидов, разрушая двойной электрический слой посредством увеличения ионной силы, в связи с чем они коагулируют.

Жидкое стекло подходит для приклеивания поверхностей разной природы к друг другу, со временем оно не даёт усадки, проявляет высокую прочность на разрыв, предварительно требует минимальной подготовки. Характеризуется хорошей герметизирующей способностью, поэтому эффективен для устранения неисправностях в водосодержащих трубах.

В литейных шликерах играет роль дефлокулянта, уменьшает вязкость глинистого тела, позволяя беспрепятственно создать эффект потрескивания в керамоизделиях. Для этого силикат натрия наносят с помощью щётки, через 5 минут кусок растягивается, плёнка растрескивается.

При нагревании силикат натрия вспучивается, при возгорании вспучивание не позволяет огню и дыму распространяться, пожар сдерживается. Реактивом заполняются полости силиконовой резины.

Раствор силиката натрия фиксирует цвет при окрашивании реактивными красителями, предполагающими кислую среду для прокрашивания текстиля. Он улучшает яркость краски, не даёт ей вымываться, сохраняет долгое время.

Бетон при внесении силикатного натрия становится более прочным, понижается пористость. В результате стройматериал менее подвержен разрушению из-за действия агрессивных факторов окружающей среды: дождей, ветра, жары, мороза.

Вред и опасность

Е550 отрицательно влияет на слизистую желудочно-кишечного тракта, раздражает её, приводит к травмам и изъязвлениям, обострению хронических заболеваний. Относится к 2 классу опасности (высокоопасные). Приём внутрь вызывает сильное отравление, которое сопровождается рвотой, тошнотой, ожогом пищевода, ротовой полости. Впоследствии возникает отёк лёгких, аллергия. Попадание на кожу может вызвать крапивницу, зуд, покраснения при индивидуальной непереносимости.

Где купить и сколько стоит

Силикат натрия продаётся заводами-производителями оптом. Стоимость составляет от 150 рублей за 1 кг. Продаётся в строительных магазинах, 3 кг раствора стоит порядка 500 рублей.  Реактив можно приобрести в специальном интернет-магазине, цена 500 грамм – 650 рублей.

Заключение

Силикат натрия – это соединение, активно применяющееся в различных областях промышленности. Оно обладает клеящими свойствами, надёжно скрепляет материалы друг с другом. Применимо для очищения стоков, необходимо для производства моющих средств, косметики. До 2010 года Е550 вносилось в продукцию для сохранения структуры, из-за небезопасности исключена из списка разрешённых.

Читайте также:

• Нитрат серебра: свойства, реакции, инструкция, применение
• Сульфат алюминия: свойства, применение
• Дихлорметан: свойства, реакции, применение
• Алюмосиликаты: свойства, виды, получение, применение