El silicato de sodio es un nombre genérico para los compuestos químicos con la fórmula Na
2xSi
yOh
2 y + xo (Na
2O)
incógnita· (SiO
2)
y, como el metasilicato de sodio ( Na
2SiO
3), ortosilicato de sodio ( Na
4SiO
4) y 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.
El silicato de sodio es también el nombre técnico y común de una mezcla de dichos compuestos, principalmente el 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 cerámica refractaria , como adhesivos y en la producción de gel de sílice . El producto comercial, disponible en solución acuosa o en forma sólida, a menudo es 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 de peso SiO 2 :Na 2 O (que se puede convertir a relación molar mediante la multiplicación por 1,032). La relación puede variar entre 1:2 y 3,75:1. [1] Los grados con una relación 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 del siglo XVI observaron silicatos solubles de metales alcalinos (sodio o potasio ). Giambattista della Porta observó en 1567 que el tartari salis (cremor tártaro, bitartrato 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, Jan Baptist van Helmont informó sobre la formación de silicatos alcalinos como una sustancia soluble hecha al fundir arena con exceso de álcali, y observó que la sílice podía precipitarse cuantitativamente agregando ácido a la solución . [4]
En 1646, Glauber fabricó silicato de potasio , al que llamó licor silicum , fundiendo carbonato de potasio (obtenido calcinando crémor tártaro) y arena en un crisol, y manteniéndolo fundido hasta que dejó 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 esos alquimistas no eran vidrio soluble como lo entendemos hoy. [7] Este habría sido preparado en 1818 por Johann Nepomuk von Fuchs , al tratar el ácido silícico con un álcali; el resultado sería soluble en agua, "pero no afectado por los cambios atmosféricos". [8]
Los términos "vidrio de agua" 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 entre los tipos de vidrio soluble el de sosa , el de potasa , el doble (sosa y potasa) y el fijador (es decir, estabilizador). El tipo fijador era "una mezcla de sílice bien saturada con vidrio soluble de potasa y un silicato de sodio" que se utilizaba para estabilizar los pigmentos inorgánicos de color agua sobre cemento para carteles y murales al aire libre. [12] [13] [14] [15]
Los silicatos de sodio son sólidos vítreos o cristalinos incoloros o polvos blancos. A excepción de los más ricos en silicio, son fácilmente solubles en agua, lo que produce soluciones alcalinas . [ cita requerida ] Cuando se secan, aún pueden rehidratarse nuevamente en agua. [ 16 ]
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 requerida ] Al calentarlos para eliminar 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 requerida ]
Se pueden producir soluciones de silicatos de sodio tratando una mezcla de sílice (generalmente en forma de arena de cuarzo ), soda 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 Na2SiO3 es un subproducto del proceso Bayer que a menudo se convierte en silicato de calcio ( Ca2SiO4 ) .
Las principales aplicaciones de los silicatos de sodio son en detergentes, industria papelera (como agente de desentintado ), tratamiento de agua y materiales de construcción. [1]
Las propiedades adhesivas del silicato de sodio se observaron ya en la década de 1850 [19] y se han utilizado ampliamente al menos desde la Primera Guerra Mundial . [20] La mayor aplicación de las soluciones de silicato de sodio es un cemento para producir cartón . [1] Cuando se usa como cemento para papel, la junta de silicato de sodio tiende a agrietarse en unos pocos 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 para unir vidrio con vidrio [21] o una oblea de silicio cubierta con dióxido de silicio entre sí. [22] La unión de vidrio con vidrio con silicato de sodio tiene la ventaja de que es una técnica de unión de baja temperatura, a diferencia de la unión por fusión. [21] También requiere menos procesamiento que la unión anódica de vidrio con vidrio, [23] que requiere una capa intermedia como el nitruro de silicio (SiN) para actuar como una barrera de difusión para los iones de sodio. [23] La deposición de dicha capa requiere un paso de deposición química de vapor a baja presión. [23] Sin embargo, una desventaja de la unión con silicato de sodio es que es muy difícil eliminar las burbujas de aire. [22] Esto se debe en parte a que la técnica no requiere vacío y tampoco utiliza asistencia de campo [ aclaración necesaria ] como en la unión anódica. [24] Esta falta de asistencia de campo a veces puede ser beneficiosa, porque la asistencia de campo puede proporcionar una atracción tan alta entre obleas como para doblar una oblea más delgada y colapsar [24] sobre una cavidad nanofluídica o elementos MEMS.
El silicato de sodio se puede utilizar para diversas pinturas y revestimientos, como los que se utilizan en las varillas de soldadura . Dichos revestimientos se pueden curar de dos maneras. Un método es calentar una fina capa de silicato de sodio hasta formar un gel y luego una película dura. Para que el revestimiento sea resistente al agua, se necesitan altas temperaturas de 100 °C (212 °F; 373 K). [16] La temperatura se eleva lentamente a 150 °C (302 °F; 423 K) para deshidratar la película y evitar la formación de vapor y ampollas. El proceso debe ser relativamente lento, pero se pueden utilizar lámparas infrarrojas al principio. [16] En el otro método, cuando las altas temperaturas no son prácticas, la resistencia al agua se puede lograr mediante productos químicos (o ésteres ), como ácido bórico , ácido fosfórico , fluorosilicato de sodio y fosfato de aluminio . [16] Antes de la aplicación, se mezcla una solución acuosa de silicato de sodio con un agente de curado. [16]
El silicato de sodio se utiliza con frecuencia en fluidos de perforación para estabilizar y evitar el colapso de las paredes de los pozos . Es particularmente útil cuando los pozos de perforación atraviesan formaciones arcillosas que contienen minerales arcillosos expansibles como la esmectita o la montmorillonita .
El hormigón tratado con una solución de silicato de sodio ayuda a reducir la porosidad en la mayoría de los productos de mampostería, como el hormigón , el estuco y los yesos . Este efecto ayuda a reducir la penetración de agua, pero no tiene ningún efecto conocido en la reducción de la transmisión y emisión de vapor de agua. [25] Se produce una reacción química con el exceso de Ca(OH) 2 ( portlandita ) presente en el hormigón que une permanentemente los silicatos con la superficie, haciéndolos mucho más duraderos y repelentes al agua. Este tratamiento generalmente se aplica solo después de que se haya producido el curado inicial (aproximadamente siete 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 hormigón para formar un gel de silicato de calcio hidratado (CSH), el producto principal del cemento Portland hidratado. [26]
Se utiliza en auxiliares de detergentes como el disilicato de sodio complejo y el disilicato de sodio modificado. Los gránulos de detergente obtienen su robustez gracias a un recubrimiento 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 las moléculas coloidales , creando agregados más grandes que se hunden hasta el fondo de la columna de agua. Las partículas microscópicas con carga negativa suspendidas en el agua interactúan con el silicato de sodio. Su doble capa eléctrica colapsa debido al aumento de la fuerza iónica causado por la adición de silicato de sodio (anión con doble carga negativa 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 ligera, el vidrio soluble se puede utilizar para fabricar placas de aislamiento resistentes a altas temperaturas que se utilizan para refractarios, protección pasiva contra incendios y aislamientos de alta temperatura, como en aplicaciones de aislamiento de tuberías moldeadas. Cuando se mezcla con polvos minerales finamente divididos, como el polvo de vermiculita (que es un desecho común del proceso de exfoliación), se pueden producir adhesivos de alta temperatura. La intumescencia [ aclaración 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 cuando se realizan fundiciones en arena de todos los metales comunes. Permite la producción rápida de un molde o núcleo resistente mediante tres métodos principales. [ cita requerida ]
Dado que el silicato de sodio no se quema durante el colado (de hecho, puede fundirse a temperaturas de colada superiores a 1800 °F), es habitual añadir materiales orgánicos para facilitar la descomposición de la arena después del colado. Los aditivos incluyen azúcar, almidón, carbonos, harina de madera y resinas fenólicas.
La solución de silicato de sodio se utiliza como fijador para teñir a mano con colorantes reactivos que requieren un pH alto para reaccionar con la fibra textil. Después de aplicar el tinte a un tejido a base de celulosa, como el algodón o el rayón, o sobre seda, se deja secar, después de lo cual se pinta el silicato de sodio sobre el tejido teñido, se cubre con plástico para retener la humedad y se deja reaccionar durante una hora a temperatura ambiente. [27]
El silicato de sodio se utiliza, junto con el silicato de magnesio , en la reparación y montaje de silenciadores . Cuando se disuelven en agua, tanto el silicato de sodio como el 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 hace que la reparación sea 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 del sistema de escape, con y sin cintas de refuerzo de fibra de vidrio. En esta aplicación, el silicato de sodio (60-70%) se mezcla normalmente con caolín (40-30%), un mineral de silicato de aluminio, para hacer que la junta "pegada" de silicato de sodio sea opaca. Sin embargo, el silicato de sodio es el adhesivo de alta temperatura; el caolín sirve simplemente como un agente colorante compatible de alta temperatura. Algunos de estos compuestos de reparación también contienen fibras de vidrio para mejorar su capacidad de rellenar huecos y reducir la fragilidad.
El silicato de sodio se puede utilizar para rellenar huecos en la junta de culata de un motor. Esto es especialmente útil para culatas de aleación de aluminio , que son sensibles a la deflexión de la superficie inducida térmicamente. El silicato de sodio se añade al sistema de refrigeración a través del radiador y se deja circular. Cuando el silicato de sodio alcanza su temperatura de "conversión" de 100-105 °C (212-221 °F), pierde moléculas de agua y forma un sello de vidrio con una temperatura de refundición superior a 810 °C (1.490 °F). Esta reparación puede durar dos años o más, y los síntomas desaparecen instantáneamente. Sin embargo, esta reparación funciona solo cuando el silicato de sodio alcanza su temperatura de "conversión". Además, la contaminación de los lubricantes con silicato de sodio (partículas de vidrio) es perjudicial para su función, y la contaminación del aceite del motor es una posibilidad grave en situaciones en las que hay una fuga de refrigerante a aceite.
La solución de silicato de sodio se utiliza para inutilizar de forma económica, rápida y permanente los motores de los automóviles. Si se hace funcionar un motor con medio galón estadounidense (o aproximadamente dos litros) de una solución de silicato de sodio en lugar de aceite de motor , la solución se precipita y daña catastróficamente los cojinetes y pistones del motor en cuestión de minutos. [28] En los Estados Unidos, este procedimiento se utilizó para cumplir con los requisitos del programa CARS (Car Allowance Rebate System) . [28] [29]
Entre la doble pared de algunas cajas fuertes se ha utilizado una mezcla de silicato de sodio y serrín , lo que no sólo las hace más resistentes al fuego , sino que también dificulta enormemente su apertura con un soplete de oxiacetileno debido al humo que emiten.
Cuando se dejan caer cristales de una serie de 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 diversión instructiva a muchas generaciones de niños desde principios del siglo XX hasta la actualidad. Una mención temprana de cristales de sales metálicas que forman un " jardín químico " en silicato de sodio se encuentra en la revista Modern Mechanix de 1946. [30] Las sales metálicas utilizadas incluían los sulfatos y/o cloruros de cobre, cobalto, hierro, níquel y manganeso.
El silicato de sodio se utiliza como desfloculante en las barbotinas de colada, ayudando a reducir la viscosidad y la necesidad de grandes cantidades de agua para licuar el cuerpo de arcilla. También se utiliza para crear un efecto craquelado en la cerámica, normalmente hecha en torno. Se hace un jarrón o una botella en el torno, bastante estrecho y con paredes gruesas. Se aplica silicato de sodio con brocha sobre una sección de la pieza. Después de cinco minutos, la pared de la pieza se estira hacia afuera con una costilla o con la mano. El resultado es un aspecto arrugado o agrietado.
También es el agente principal del "agua mágica", que se utiliza para unir piezas de arcilla, especialmente si el nivel de humedad de ambas es diferente. [31]
En abril de 2011 se inyectó silicato de sodio con aditivos en el suelo para endurecerlo y así evitar más fugas de agua altamente radiactiva de la planta nuclear de Fukushima Daiichi en Japón. [32] El calor residual transportado por el agua utilizada para enfriar los reactores dañados aceleró 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 para automóviles 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 de alto secreto para cruzar el Polo Norte sumergido. [33]
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 entre 1851 y 1873, especialmente durante la Guerra Civil estadounidense . El silicato de sodio se utilizó para sellar papel nitrado combustible para formar un cartucho de papel cónico para contener la pólvora negra, así como para cementar la bola de plomo o bala cónica en el extremo abierto del cartucho de papel. Dichos cartuchos de papel cementados con silicato de sodio se insertaron en los cilindros de los revólveres, acelerando así la recarga de los revólveres de pólvora negra de cápsula y bola. Este uso terminó en gran medida con la introducción de los revólveres Colt que empleaban cartuchos con casquillo de latón a partir de 1873. [34] [35] De manera similar, el silicato de sodio también se utilizó para cementar el taco superior en los casquillos de escopeta de latón , eliminando así cualquier necesidad de un engarce en la parte superior del casquillo de escopeta de latón para mantener unido un casquillo de escopeta. Durante la década de 1870, los agricultores estadounidenses autosuficientes practicaban ampliamente la recarga de los cartuchos de latón para escopetas, utilizando el mismo material de vidrio soluble que también se utilizaba para conservar los huevos. La cementación del taco superior de un cartucho de escopeta consistía en aplicar de tres a cinco gotas de vidrio soluble en el taco superior para asegurarlo al casquillo de latón. Los casquillos de latón para cartuchos de escopeta fueron reemplazados por casquillos de papel a partir de 1877 aproximadamente. Los cartuchos de escopeta con casquillo de papel más nuevos utilizaban un engarce de rodillo en lugar de una junta cementada con vidrio soluble para mantener el taco superior en el casquillo. Sin embargo, mientras que los cartuchos de latón con tacos superiores cementados con vidrio soluble podían recargarse casi indefinidamente (si se les daba pólvora, taco y perdigones, por supuesto), los casquillos de papel que reemplazaron a los de latón solo podían recargarse unas pocas veces.
El silicato de sodio y otros silicatos son los componentes principales de las cremas "instantáneas" para eliminar las arrugas, 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, 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, sobre todo 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 retiran y se dejan secar. Una capa hermética permanente permanece sobre los huevos. Si se almacenan en un entorno adecuado, la mayoría de las bacterias que de otro modo harían que se estropearan se mantienen alejadas y se conserva la humedad. Según la fuente citada, los huevos tratados pueden mantenerse frescos utilizando este método hasta cinco meses. Al hervir huevos conservados de esa manera, la cáscara ya no es permeable al aire y el huevo tenderá a agrietarse a menos que se haga un agujero en la cáscara (por ejemplo, con un alfiler) para permitir que escape el vapor. [36]
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 clarificante, el silicato de sodio a veces se confunde con la cola de pescado , que se prepara a partir del colágeno extraído de las vejigas natatorias secas del esturión y otros peces. Los huevos se pueden conservar en un balde de gel de silicato de sodio, y sus cáscaras a veces también se utilizan (horneadas y trituradas) para clarificar el vino. [37]
El gel de silicato de sodio también se utiliza como sustrato para el crecimiento de algas en criaderos de acuicultura . [38]
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