El silicato de sodio es un nombre genérico para compuestos químicos con la fórmula Na.
2xSi
yoh
2 y + xo (Na
2Oh)
X· (SiO
2)
y, como el metasilicato de sodio Na
2SiO
3, ortosilicato de sodio Na
4SiO
4y pirosilicato de sodio Na
6Si
2oh
7. Los aniones suelen ser poliméricos . Estos compuestos son generalmente sólidos transparentes incoloros o polvos blancos y solubles en agua en diversas cantidades.
Silicato de sodio es también el nombre técnico y común de una mezcla de dichos compuestos, principalmente metasilicato, también llamado vidrio soluble , vidrio soluble o vidrio líquido . El producto tiene una amplia variedad de usos, incluida la formulación de cementos , revestimientos, protección pasiva contra incendios , procesamiento de textiles y madera, fabricación de cerámicas refractarias , como adhesivos y en la producción de gel de sílice . El producto comercial, disponible en solución acuosa o en forma sólida, suele ser verdoso o azul debido a la presencia de impurezas que contienen hierro.
En la industria, los distintos grados de silicato de sodio se caracterizan por su relación en peso SiO 2 :Na 2 O (que puede convertirse en relación molar multiplicando por 1,032). La relación puede variar entre 1:2 y 3,75:1. [1] Los grados con una proporción inferior a 2,85:1 se denominan alcalinos. Aquellos con una relación SiO 2 :Na 2 O más alta se describen como neutros.
Los alquimistas europeos ya observaron silicatos solubles de metales alcalinos (sodio o potasio ) en el siglo XVI. Giambattista della Porta observó en 1567 que el tartari salis (crémor tártaro, tartrato ácido de potasio ) hacía que el cristal en polvo (cuarzo) se derritiera a una temperatura más baja. [2] Otras posibles referencias tempranas a los silicatos alcalinos fueron hechas por Basil Valentine en 1520, [3] y por Agricola en 1550. Alrededor de 1640, Jean Baptist van Helmont informó la formación de silicatos alcalinos como una sustancia soluble obtenida al derretir arena con exceso álcali, y observó que la sílice podía precipitarse cuantitativamente añadiendo ácido a la solución . [4]
En 1646, Glauber fabricó silicato de potasio , al que llamó licor de silicio , fundiendo carbonato de potasio (que se obtiene calcinando crémor tártaro) y arena en un crisol, y manteniéndolo fundido hasta que dejara de burbujear (debido a la liberación de dióxido de carbono ). . La mezcla se dejó enfriar y luego se molió hasta obtener un polvo fino. [5] Cuando el polvo se expuso al aire húmedo, formó gradualmente un líquido viscoso, que Glauber llamó " Oleum oder Liquor Silicum, Arenæ, vel Crystallorum " (es decir, aceite o solución de sílice, arena o cristal de cuarzo). [6]
Sin embargo, más tarde se afirmó que las sustancias preparadas por aquellos alquimistas no eran vidrio soluble como se entiende hoy en día. [7] Que habría sido preparado en 1818 por Johann Nepomuk von Fuchs , tratando el ácido silícico con un álcali; siendo el resultado soluble en agua, "pero no afectado por los cambios atmosféricos". [8]
Los términos "vidrio soluble" y "vidrio soluble" fueron utilizados por Leopold Wolff en 1846, [9] por Émile Kopp en 1857, [10] y por Hermann Krätzer en 1887. [11]
En 1892, Rudolf Von Wagner distinguió la sosa , la potasa , la doble (soda y potasa) y la fijadora (es decir, estabilizante) como tipos de vidrio soluble. El tipo de fijación era "una mezcla de sílice bien saturada con vidrio soluble en potasa y silicato de sodio" que se utilizaba para estabilizar pigmentos inorgánicos de acuarela en trabajos de cemento para carteles y murales exteriores. [12] [13] [14] [15]
Los silicatos de sodio son sólidos vítreos o cristalinos incoloros, o polvos blancos. Excepto los más ricos en silicio, son fácilmente solubles en agua, produciendo soluciones alcalinas . [ cita necesaria ] Cuando se seca, todavía se puede rehidratar nuevamente en agua. [dieciséis]
Los silicatos de sodio son estables en soluciones neutras y alcalinas . En soluciones ácidas , los iones de silicato reaccionan con iones de hidrógeno para formar ácidos silícicos , que tienden a descomponerse en gel de dióxido de silicio hidratado . [ cita necesaria ] Calentado para expulsar el agua, el resultado es una sustancia dura y translúcida llamada gel de sílice , ampliamente utilizada como desecante . Puede soportar temperaturas de hasta 1100 °C. [ cita necesaria ]
Se pueden producir soluciones de silicatos de sodio tratando una mezcla de sílice (generalmente como arena de cuarzo ), sosa cáustica y agua con vapor caliente en un reactor . La reacción general es
Los silicatos de sodio también se pueden obtener disolviendo sílice SiO
2(cuyo punto de fusión es 1713 °C) en carbonato de sodio fundido (que se funde con descomposición a 851 °C): [17]
El material también se puede obtener a partir de sulfato de sodio (punto de fusión 884 °C) con carbono como agente reductor:
En 1990 se produjeron 4 millones de toneladas de silicatos de metales alcalinos. [1]
El silicato de sodio se puede producir como parte de la producción de hidrógeno disolviendo ferrosilicio en una solución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH • H 2 O): [18]
Aunque no es rentable, el Na 2 SiO 3 es un subproducto del proceso Bayer que a menudo se convierte en silicato de calcio (Ca 2 SiO 4 ).
Las principales aplicaciones de los silicatos de sodio son en detergentes, industria papelera (como agente destintante ), tratamiento de aguas y materiales de construcción. [1]
Las propiedades adhesivas del silicato de sodio se conocen desde la Primera Guerra Mundial . [19] La mayor aplicación de las soluciones de silicato de sodio es el cemento para la producción de cartón . [1] Cuando se utiliza como cemento para papel, la junta de silicato de sodio tiende a agrietarse al cabo de unos años, momento en el que ya no mantiene unidas las superficies del papel.
Las soluciones de silicato de sodio también se pueden utilizar como una capa adhesiva giratoria para unir vidrio con vidrio [20] o obleas de silicio recubiertas de óxido de silicio entre sí. [21] La unión de vidrio a vidrio con silicato de sodio tiene la ventaja de que es una técnica de unión a baja temperatura, a diferencia de la unión por fusión. [20] También requiere menos procesamiento que la unión anódica de vidrio a vidrio, [22] que requiere una capa intermedia como SiN para actuar como barrera de difusión para los iones de sodio. [22] La deposición de dicha capa requiere un paso de deposición química de vapor a baja presión. [22] Sin embargo, una desventaja de la unión de silicato de sodio es que es muy difícil eliminar las burbujas de aire. [21] Esto se debe en parte a que la técnica no requiere vacío y tampoco utiliza asistencia de campo [ se necesita aclaración ] como en la unión anódica. [23] Esta falta de asistencia de campo a veces puede ser beneficiosa, porque la asistencia de campo puede proporcionar una atracción tan alta entre las obleas como para doblar una oblea más delgada y colapsar [23] sobre la cavidad nanofluídica o los elementos MEMS.
El silicato de sodio se puede utilizar para diversas pinturas y revestimientos (por ejemplo, para varillas de soldar ). Se pueden curar de diferentes maneras. En el primer enfoque, se puede gelificar lentamente una capa delgada de silicato de sodio secándola y luego convirtiéndola en una película dura calentándola. Antes de calentar, estas capas no son resistentes al agua. Para hacerlos resistentes al agua, se necesitan altas temperaturas de 100 °C (212 °F; 373 K). [16] Se debe elevar lentamente para deshidratar la película y evitar que se vaporice (y se formen ampollas) y luego se debe "cocer" por encima de 150 °C (302 °F; 423 K). El proceso debe ser relativamente lento; al principio se pueden utilizar lámparas de infrarrojos. [dieciséis]
El otro enfoque, cuando las altas temperaturas no son prácticas, la resistencia al agua se puede lograr mediante productos químicos (o ésteres ), como ácido bórico (B(OH) 3 ), ácido fosfórico (PO(OH) 3 ), fluorosilicato de sodio , fosfato de aluminio , etc. [16] Antes de la aplicación, se mezcla una solución acuosa de silicato de sodio con un agente de curado. [dieciséis]
El silicato de sodio se utiliza frecuentemente en fluidos de perforación para estabilizar las paredes del pozo y evitar el colapso de las paredes del pozo. Es particularmente útil cuando los pozos de perforación pasan a través de formaciones arcillosas que contienen minerales arcillosos hinchables como esmectita o montmorillonita .
El concreto tratado con una solución de silicato de sodio ayuda a reducir la porosidad en la mayoría de los productos de mampostería, como el concreto , el estuco y los yesos . Este efecto ayuda a reducir la penetración de agua, pero no tiene ningún efecto conocido sobre la reducción de la transmisión y emisión de vapor de agua. [24] Se produce una reacción química con el exceso de Ca(OH) 2 ( portlandita ) presente en el hormigón que une permanentemente los silicatos a la superficie, haciéndolos mucho más duraderos y repelentes al agua. Este tratamiento generalmente se aplica sólo después de que se haya producido la curación inicial (aproximadamente 7 días dependiendo de las condiciones). Estos recubrimientos se conocen como pintura mineral de silicato . A continuación se muestra un ejemplo de la reacción del silicato de sodio con el hidróxido de calcio que se encuentra en el concreto para formar gel de hidrato de silicato de calcio (o CSH), el producto principal del cemento Portland hidratado. [25]
Se utiliza en auxiliares detergentes como el disilicato de sodio complejo y el disilicato de sodio modificado. Los gránulos de detergente adquieren su robustez gracias a una capa de silicatos. [1]
El silicato de sodio se utiliza como coagulante de alumbre y floculante de hierro en plantas de tratamiento de aguas residuales . El silicato de sodio se une a moléculas coloidales , creando agregados más grandes que se hunden hasta el fondo de la columna de agua. Las partículas microscópicas cargadas negativamente suspendidas en el agua interactúan con el silicato de sodio. Su doble capa eléctrica colapsa debido al aumento de fuerza iónica provocada por la adición de silicato de sodio (anión doblemente cargado negativamente acompañado de dos cationes de sodio) y posteriormente se agregan. Este proceso se llama coagulación . [1]
El vidrio soluble es un aglutinante útil para sólidos, como la vermiculita y la perlita . Cuando se mezcla con esta última fracción liviana, el vidrio soluble se puede usar para fabricar paneles aislantes duros de alta temperatura utilizados para refractarios, protección pasiva contra incendios y aislamientos de alta temperatura, como aplicaciones de aislamiento de tuberías moldeadas. Cuando se mezcla con polvos minerales finamente divididos, como el polvo de vermiculita (que es un residuo común del proceso de exfoliación), se pueden producir adhesivos de alta temperatura. La intumescencia [ clarificación necesaria ] desaparece en presencia de polvo mineral finamente dividido, por lo que el vidrio soluble se convierte en una mera matriz. El vidrio soluble es económico y está disponible en abundancia, lo que hace que su uso sea popular en muchas aplicaciones refractarias.
Se utiliza como aglutinante de la arena al realizar fundición en arena de todos los metales comunes. Permite la producción rápida de un molde o núcleo resistente mediante tres métodos principales. [ cita necesaria ]
Dado que el silicato de sodio no se quema durante la fundición (en realidad puede derretirse a temperaturas de vertido superiores a 1800 grados F), es común agregar materiales orgánicos para mejorar la descomposición de la arena después de la fundición. Los aditivos incluyen azúcar, almidón, carbón, harina de madera y resinas fenólicas.
La solución de silicato de sodio se utiliza como fijador para teñir a mano con tintes reactivos que requieren un pH alto para reaccionar con la fibra textil. Después de aplicar el tinte a una tela a base de celulosa, como algodón o rayón, o sobre seda, se deja secar, después de lo cual se pinta el silicato de sodio sobre la tela teñida, se cubre con plástico para retener la humedad y se deja. reaccionar durante una hora a temperatura ambiente. [26]
El silicato de sodio se utiliza, junto con el silicato de magnesio , en pasta de reparación y montaje de silenciadores . Cuando se disuelven en agua, tanto el silicato de sodio como el silicato de magnesio forman una pasta espesa que es fácil de aplicar. Cuando el sistema de escape de un motor de combustión interna se calienta hasta su temperatura de funcionamiento , el calor expulsa todo el exceso de agua de la pasta. Los compuestos de silicato que quedan tienen propiedades similares al vidrio, lo que genera una reparación temporal y quebradiza.
El silicato de sodio también se utiliza actualmente como sellador de juntas y grietas en sistemas de escape para reparar silenciadores, resonadores, tubos de escape y otros componentes de escape, con y sin cintas de refuerzo de fibra de vidrio. En esta aplicación, el silicato de sodio (60-70%) generalmente se mezcla con caolín (40-30%), un mineral de silicato de aluminio, para hacer opaca la junta "pegado" de silicato de sodio. El silicato de sodio, sin embargo, es el adhesivo de alta temperatura; el caolín sirve simplemente como colorante compatible con altas temperaturas. Algunos de estos compuestos reparadores también contienen fibras de vidrio para mejorar su capacidad de rellenar huecos y reducir la fragilidad.
Se puede utilizar silicato de sodio para rellenar los huecos dentro de la junta de la culata . Se utiliza comúnmente en culatas de cilindros de aleación de aluminio , que son sensibles a la deflexión de la superficie inducida térmicamente. Esto puede deberse a muchas cosas, incluido el estiramiento del perno de culata, el suministro deficiente de refrigerante , la alta presión de la culata, el sobrecalentamiento, etc.
Se añade "vidrio líquido" (silicato de sodio) al sistema a través del radiador y se deja circular. El silicato de sodio queda suspendido en el refrigerante hasta que llega a la culata. A 100-105 °C (212-221 °F), el silicato de sodio pierde moléculas de agua para formar un sello de vidrio con una temperatura de fusión superior a 810 °C (1490 °F).
Una reparación con silicato de sodio puede durar dos años o más. La reparación se produce rápidamente y los síntomas desaparecen instantáneamente. Esta reparación sólo funciona cuando el silicato de sodio alcanza su temperatura de "conversión" de 100 a 105 °C. La contaminación del aceite del motor es una posibilidad grave en situaciones en las que hay una fuga de refrigerante a aceite. La contaminación de los lubricantes por silicato de sodio (partículas de vidrio) es perjudicial para su función.
La solución de silicato de sodio se utiliza para desactivar motores de automóviles de forma económica, rápida y permanente. Hacer funcionar un motor con aproximadamente 2 litros de una solución de silicato de sodio en lugar de aceite de motor hace que la solución precipite , dañando catastróficamente los cojinetes y pistones del motor en unos pocos minutos. [27] En los Estados Unidos, este procedimiento se utilizó para cumplir con los requisitos del programa Car Allowance Rebate System (CARS) . [27] [28]
Se ha utilizado una mezcla de silicato de sodio y aserrín entre la doble pared de ciertas cajas fuertes . Esto no sólo los hace más resistentes al fuego , sino que también hace que cortarlos con un soplete de oxiacetileno sea extremadamente difícil debido al humo que desprenden.
Cuando se dejan caer cristales de varias sales metálicas en una solución de vidrio soluble, se forman estalagmitas simples o ramificadas de silicatos metálicos coloreados. Este fenómeno ha sido utilizado por los fabricantes de juguetes y juegos de química para proporcionar disfrute instructivo a muchas generaciones de niños desde principios del siglo XX hasta la actualidad. En la revista Modern Mechanix de 1946 se encuentra una mención temprana de cristales de sales metálicas que formaban un " jardín químico " en silicato de sodio. [29] Las sales metálicas utilizadas incluían sulfatos y/o cloruros de cobre, cobalto, hierro, níquel y manganeso.
El silicato de sodio se utiliza como defloculante en barbotinas, lo que ayuda a reducir la viscosidad y la necesidad de grandes cantidades de agua para licuar la masa de arcilla. También se utiliza para crear un efecto de crujido en la cerámica, generalmente hecha con torno. Sobre la rueda se lanza un jarrón o una botella, bastante estrecho y de paredes gruesas. Se aplica con brocha una sección de la pieza con silicato de sodio. Pasados los 5 minutos, se estira la pared de la pieza hacia afuera con una costilla o con la mano. El resultado es una apariencia arrugada o agrietada.
También es el agente principal del "agua mágica", que se utiliza para unir piezas de arcilla, especialmente si el nivel de humedad de las dos difiere. [30]
En abril de 2011 se inyectó en el suelo silicato de sodio con aditivos para endurecerlo y así evitar futuras fugas de agua altamente radiactiva de la central nuclear de Fukushima Daiichi en Japón. [31] El calor residual transportado por el agua utilizada para enfriar la Los reactores dañados aceleraron el fraguado de la mezcla inyectada.
El 3 de junio de 1958, el USS Nautilus , el primer submarino nuclear del mundo, visitó Everett y Seattle. En Seattle, se envió a tripulantes vestidos de civil a comprar en secreto 140 cuartos (160 litros) de un producto automotriz que contenía silicato de sodio (originalmente identificado como Stop Leak) para reparar un sistema de condensador con fugas. El Nautilus se dirigía al Polo Norte en una misión ultrasecreta para cruzar el Polo Norte sumergido. [32]
Un uso histórico de las propiedades adhesivas de los silicatos de sodio es la producción de cartuchos de papel para revólveres de pólvora negra producidos por Colt's Manufacturing Company durante el período comprendido entre 1851 y 1873, especialmente durante la Guerra Civil estadounidense. Se utilizó silicato de sodio para sellar papel nitrado combustible y formar un cartucho de papel cónico para contener la pólvora negra, así como para cementar la bola de plomo o la bala cónica en el extremo abierto del cartucho de papel. Estos cartuchos de papel cementados con silicato de sodio se insertaban en los cilindros de los revólveres, acelerando así la recarga de los revólveres de pólvora negra con casquillo y bola. Este uso terminó en gran medida con la introducción de los revólveres Colt que empleaban cartuchos con carcasa de latón a partir de 1873. [33] [34] De manera similar, también se usó silicato de sodio para cementar el taco superior en cartuchos de escopeta de latón , eliminando así cualquier necesidad de engarzar en la parte superior del cartucho de escopeta de latón para mantener unido el cartucho de escopeta. La recarga de cartuchos de escopeta de latón era una práctica generalizada entre los granjeros estadounidenses autosuficientes durante la década de 1870, utilizando el mismo material de vidrio soluble que también se utilizaba para conservar los huevos. El cementado del taco superior de un cartucho de escopeta consistía en aplicar de tres a cinco gotas de silicato sobre el taco superior para fijarlo al casco de latón. Los cascos de latón para casquillos de escopeta fueron reemplazados por cascos de papel a partir de 1877. Los casquillos de escopeta con casco de papel más nuevos utilizaban un engarzado en rollo en lugar de una junta cementada con vidrio soluble para sujetar el taco superior en el casquillo. Sin embargo, mientras que los casquillos de latón con tacos superiores cementados con vidrio soluble podían recargarse casi indefinidamente (con pólvora, taco y perdigones, por supuesto), los cascos de papel que reemplazaron a los cascos de latón solo podían recargarse unas pocas veces.
El silicato de sodio y otros silicatos son los componentes principales de las cremas eliminadoras de arrugas "instantáneas", que tensan temporalmente la piel para minimizar la aparición de arrugas y bolsas debajo de los ojos. Estas cremas, cuando se aplican como una película fina y se dejan secar durante unos minutos, pueden presentar resultados espectaculares. Este efecto no es permanente y dura desde unos minutos hasta un par de horas. Funciona como cemento de agua, una vez que el músculo comienza a moverse, se agrieta y deja residuos blancos en la piel.
El vidrio soluble se ha utilizado como conservante de huevos con gran éxito, principalmente cuando no se dispone de refrigeración. Los huevos recién puestos se sumergen en una solución de silicato de sodio (vidrio soluble). Después de sumergirlos en la solución se retiraron y se dejaron secar. Una capa permanente hermética permanece sobre los huevos. Si luego se almacenan en un ambiente apropiado, la mayoría de las bacterias que de otro modo los echarían a perder se mantienen fuera y se mantiene su humedad. Según la fuente citada, los huevos tratados se pueden mantener frescos usando este método hasta por cinco meses. . Al hervir huevos así conservados, la cáscara ya no es permeable al aire y el huevo tenderá a romperse a menos que se haga un agujero en la cáscara (por ejemplo, con un alfiler) para permitir que escape el vapor. [35]
Las propiedades floculantes del silicato de sodio también se utilizan para clarificar el vino y la cerveza mediante la precipitación de partículas coloidales. Sin embargo, como agente aclarador, el silicato de sodio a veces se confunde con la cola de pescado , que se prepara a partir de colágeno extraído de las vejigas natatorias secas del esturión y otros peces. Los huevos se conservan en un balde de gel de vidrio soluble y sus cáscaras a veces también se utilizan (horneadas y trituradas) para aclarar el vino. [36]
El gel de silicato de sodio también se utiliza como sustrato para el crecimiento de algas en criaderos de acuicultura . [37]
