Silicato de sodio

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Higroscópico compuesto químico de la variable Na2O/SiO2 precursor de la relación de vaso de agua

Silicato de sodio es un nombre genérico para compuestos químicos con la fórmula Na
2x
Si
y
O
2y+x
o (Na
2
O)
x
·(SiO
2
)
y
, como el metasilicato de sodio Na
2
SiO
3
, ortosilicato de sodio Na
4
SiO
4
, y pirosilicato de sodio Na
6
Si
2
O
7
. Los aniones son a menudo 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 tales compuestos, principalmente el metasilicato, también llamado vaso de agua, vaso de agua o vaso líquido . El producto tiene una amplia variedad de usos, incluida la formulación de cementos, 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 de agua 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 en peso SiO2:Na2O (que se puede convertir a relación molar multiplicando por 1,032). La relación puede variar entre 1:2 y 3,75:1. Los grados con una relación inferior a 2,85:1 se denominan alcalinos. Aquellos con una relación más alta de SiO2:Na2O se describen como neutrales.

Historia

Los alquimistas europeos ya observaron los silicatos solubles de metales alcalinos (sodio o potasio) en el siglo XVI. Giambattista della Porta observó en 1567 que el tartari salis (crémor tártaro, hidrogenotartrato de potasio) hacía que el crystallum (cuarzo) en polvo se derritiera a una temperatura más baja. Otras posibles referencias tempranas a los silicatos alcalinos fueron hechas por Basil Valentine en 1520 y por Agricola en 1550. Alrededor de 1640, Jean 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 el la sílice podría precipitarse cuantitativamente agregando ácido a la solución.

En 1646, Glauber fabricó silicato de potasio, al que llamó liquor silicum, fundiendo carbonato de potasio (obtenido al calcinar crémor tártaro) y arena en un crisol, y manteniéndolo fundido hasta que dejó de burbuja (debido a la liberación de dióxido de carbono). La mezcla se dejó enfriar y luego se molió hasta obtener un polvo fino. Cuando el polvo se expuso al aire húmedo, gradualmente formó 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).

Sin embargo, más tarde se afirmó que las sustancias preparadas por esos alquimistas no eran vidrio de agua como se entiende hoy. Eso habría sido preparado en 1818 por Johann Nepomuk von Fuchs, al tratar el ácido silícico con un álcali; el resultado es soluble en agua, "pero no afectado por los cambios atmosféricos".

Los términos "vaso de agua" y "vidrio soluble" fueron utilizados por Leopold Wolff en 1846, por Émile Kopp en 1857 y por Hermann Krätzer en 1887.

En 1892, Rudolf Von Wagner distinguió la soda, la potasa, el doble (sosa y potasa) y la fijación (es decir, la estabilización) como tipos de vasos de agua. El tipo de fijador era "una mezcla de sílice bien saturada con potasa soluble en vidrio y un silicato de sodio" Se utiliza para estabilizar pigmentos inorgánicos de color de agua en trabajos de cemento para letreros y murales al aire libre.

Propiedades

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.

Los silicatos de sodio son estables en soluciones neutras y alcalinas. En soluciones ácidas, los iones de silicato reaccionan con los iones de hidrógeno para formar ácidos silícicos, que tienden a descomponerse en gel de dióxido de silicio hidratado. Calentado para expulsar el agua, el resultado es una sustancia translúcida dura llamada gel de sílice, ampliamente utilizada como desecante. Puede soportar temperaturas de hasta 1100 °C.

Producción

Las soluciones de silicatos de sodio se pueden producir mediante el tratamiento de una mezcla de sílice (generalmente como arena de cuarzo), sosa cáustica y agua, con vapor caliente en un reactor. La reacción global es

2x NaOH + SiO
2
(Na
2
O)
x
·SiO
2
+ x H
2
O

Los silicatos de sodio también se pueden obtener disolviendo sílice SiO
2
(cuyo punto de fusión es 1713 °C) en sodio fundido carbonato (que se funde con la descomposición a 851 °C):

x Na
2
CO
3
+ SiO
2
(Na
2
O)
x
·SiO
2
+ CO
2

El material se puede obtener también a partir de sulfato de sodio (punto de fusión 884 °C) con carbono como agente reductor:

2x Na
2
SO
4
+ C + 2 SiO
2
→ 2 (Na
2
O)
x
·SiO
2
+ 2 SO
2
+ CO
2

En 1990 se produjeron 4 millones de toneladas de silicatos de metales alcalinos.

Ferrosilicio

El silicato de sodio se puede producir como parte de la producción de hidrógeno al disolver ferrosilicio en una solución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH • H2O):

2NaOH + Si + H2O → 2Na2SiO3 + 2H2

Proceso de Bayer

Aunque no es rentable, Na2SiO3 es un subproducto del proceso de Bayer que a menudo se convierte en silicato de calcio (Ca2SiO4).

Usos

Las principales aplicaciones de los silicatos de sodio se encuentran en detergentes, papel, tratamiento de aguas y materiales de construcción.

Ingeniería

Adhesivo

La mayor aplicación de las soluciones de silicato de sodio es un cemento para producir cartón. 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 cementadas.

Las soluciones de silicato de sodio también se pueden usar como una capa adhesiva giratoria para unir vidrio con vidrio u obleas de silicio cubiertas de óxido de silicio entre sí. 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. También es menos intensivo en procesamiento que la unión anódica de vidrio a vidrio, que requiere una capa intermedia como SiN para actuar como una barrera de difusión para los iones de sodio. La deposición de una capa de este tipo requiere una etapa de deposición de vapor químico a baja presión. Sin embargo, una desventaja del enlace de silicato de sodio es que es muy difícil eliminar las burbujas de aire. Esto se debe en parte a que esta técnica de unión no requiere unión en vacío y tampoco utiliza asistencia de campo como en la unión anódica. Aunque 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 sobre la cavidad nanofluídica o los elementos MEMS.

Fluidos de perforación

El silicato de sodio se usa con frecuencia en los fluidos de perforación para estabilizar las paredes de los pozos y evitar su colapso. Es particularmente útil cuando los agujeros perforados atraviesan formaciones arcillosas que contienen minerales arcillosos expansivos como la esmectita o la montmorillonita.

Tratamiento de hormigón y albañilería en general

El hormigón tratado con una solución de silicato de sodio ayuda a reducir la porosidad en la mayoría de los productos de mampostería, como hormigón, estuco y yeso. Este efecto ayuda a reducir la penetración del agua, pero no tiene ningún efecto conocido sobre la reducción de la transmisión y emisión de vapor de agua. 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 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 C-S-H), el principal producto del cemento Portland hidratado.

Na
2
SiO
3
+ H
2
O
+ x Ca(OH)
2
x CaO.SiO
2
.y H
2
O
+ 2NaoH

Auxiliares detergentes

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 de una capa de silicatos.

Tratamiento de agua

El silicato de sodio se utiliza como coagulante de alumbre y floculante de hierro en las 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 cargadas negativamente suspendidas en el agua interactúan con el silicato de sodio. Su doble capa eléctrica colapsa debido al aumento de fuerza iónica provocado 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.

Uso de refractarios

El vidrio soluble es un aglutinante útil para sólidos, como la vermiculita y la perlita. Cuando se mezcla con la última fracción liviana, el vidrio soluble se puede usar para fabricar paneles aislantes duros de alta temperatura que se usan 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 desperdicio común del proceso de exfoliación), se pueden producir adhesivos de alta temperatura. La intumescencia desaparece en presencia de polvo mineral finamente dividido, por lo que el vidrio de agua 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.

Fundición en arena

Se utiliza como aglutinante de la arena cuando se realiza fundición en arena de hierro o acero. Permite la producción rápida de un molde fuerte, al pasar CO2 a través de la mezcla de arena y silicato de sodio en la caja del molde, que lo endurece casi instantáneamente.

Auxiliar de tinte

La solución de silicato de sodio se utiliza como fijador para el teñido 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 la 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.

Reparación de metales

El silicato de sodio se utiliza, junto con el silicato de magnesio, en la reparación de silenciadores y la pasta de montaje. Cuando se disuelve 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 sobran tienen propiedades similares al vidrio, lo que hace una reparación temporal y quebradiza.

Reparación de automóviles

El silicato de sodio también se usa actualmente como sellador de grietas y juntas del sistema de escape para reparar silenciadores, resonadores, tubos de escape y otros componentes del escape, con y sin cintas de refuerzo de fibra de vidrio. En esta aplicación, el silicato de sodio (60-70 %) se mezcla típicamente con caolín (40-30 %), un mineral de silicato de aluminio, para hacer que el silicato de sodio se "pegue" articulación opaca. El silicato de sodio, sin embargo, es el adhesivo de alta temperatura; el caolín sirve simplemente como agente colorante de alta temperatura compatible. Algunos de estos compuestos de reparación también contienen fibras de vidrio para mejorar sus capacidades de relleno de huecos y reducir la fragilidad.

Se puede usar silicato de sodio para llenar los espacios dentro de la junta de la cabeza. Comúnmente utilizado 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 de los pernos de la cabeza, el suministro deficiente de refrigerante, la alta presión de la culata, el sobrecalentamiento, etc.

"Vidrio líquido" (silicato de sodio) se agrega al sistema a través del radiador y se deja circular. El silicato de sodio se suspende 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 refundición superior a 810 °C (1490 °F).

Una reparación con silicato de sodio puede durar dos años o más. La reparación ocurre rápidamente y los síntomas desaparecen instantáneamente. Esta reparación solo funciona cuando el silicato de sodio alcanza su "conversión" temperatura a 100–105 °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 con 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 se precipite, dañando catastróficamente los cojinetes y pistones del motor en unos pocos minutos. En los Estados Unidos, este procedimiento se utilizó para cumplir con los requisitos del programa Car Allowance Rebate System (CARS).

Construcción segura

Se ha utilizado una mezcla de silicato de sodio y aserrín entre la doble piel de ciertas cajas fuertes. Esto no solo los hace más resistentes al fuego, sino que también hace que cortarlos con un soplete de oxiacetileno sea extremadamente difícil debido al humo que emiten.

Jardines de cristal

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 brindar diversión instructiva a muchas generaciones de niños desde principios del siglo XX hasta el presente. 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. Las sales metálicas utilizadas incluían sulfatos y/o cloruros de cobre, cobalto, hierro, níquel y manganeso.

Cerámica

El silicato de sodio se usa como defloculante en las barbotinas de fundición, lo que ayuda 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 de crujido en la cerámica, generalmente a torno. Se lanza un jarrón o botella sobre la rueda, bastante estrecho y de paredes gruesas. Se aplica silicato de sodio en una sección de la pieza. Después de 5 minutos, la pared de la pieza se estira hacia el exterior 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 usa para unir piezas de arcilla, especialmente si el nivel de humedad de las dos es diferente.

Sellado de estructuras que contienen agua con fugas

Se inyectó silicato de sodio con aditivos en el suelo para endurecerlo y así evitar más fugas de agua altamente radiactiva de la planta de energía nuclear de Fukushima Daiichi en Japón en abril de 2011. El calor residual transportado por el agua utilizada para enfriar el 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, tripulantes vestidos de civil fueron enviados a comprar en secreto 140 cuartos de galón (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 de alto secreto para cruzar el Polo Norte sumergido.

Cartuchos de armas de fuego

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 de 1851 a 1873, especialmente durante la Guerra Civil Estadounidense. Se usó silicato de sodio para sellar papel nitrado combustible para formar un cartucho de papel cónico para contener el polvo negro, así como para cementar la bola de plomo o la bala cónica en el extremo abierto del cartucho de papel. Dichos cartuchos de papel cementados con silicato de sodio se insertaban en los cilindros de los revólveres, lo que aceleraba la recarga de los revólveres de pólvora negra de 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. De manera similar, el silicato de sodio también se usó para cementar el taco superior en los cartuchos de escopeta de latón, eliminando así la necesidad de engarzar la parte superior de la escopeta de latón. cartucho para mantener unido un cartucho de escopeta. La recarga de cartuchos de escopeta de latón fue practicada ampliamente por los agricultores estadounidenses autosuficientes durante la década de 1870, utilizando el mismo material de vidrio soluble que también se usaba para conservar los huevos. El cementado del taco superior sobre un cartucho de escopeta consistió en aplicar de tres a cinco gotas de waterglass sobre el taco superior para fijarlo al casco de latón. Los cascos de latón para cartuchos de escopeta fueron reemplazados por cascos de papel a partir de 1877. Los cartuchos de escopeta con casco de papel más nuevos usaban un engarce de rollo en lugar de una junta cementada con vidrio de agua para sostener el taco superior en el cartucho. Sin embargo, mientras que los cartuchos de perdigones de latón con tacos superiores cementados con vidrio de agua podían recargarse casi indefinidamente (con pólvora, tacos y perdigones, por supuesto), los cascos de papel que reemplazaban a los cascos de latón solo podían recargarse unas pocas veces.

Alimentos y medicinas

Cosméticos

El silicato de sodio y otros silicatos son los componentes principales en "instant" cremas para eliminar arrugas, que tensan temporalmente la piel para minimizar la aparición de arrugas & bolsas debajo de los ojos. Estas cremas, cuando se aplican como una película delgada y se dejan secar durante unos minutos, pueden presentar resultados espectaculares. Este efecto no es permanente, dura desde unos pocos 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.

Conservación de alimentos

Guerra Mundial Afiche sugiriendo el uso de vaso de agua para preservar los huevos (más bajo derecho).

El vidrio de agua 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 de agua). Después de sumergirlos en la solución, se retiraron y se dejaron secar. Una capa hermética permanente permanece en los huevos. Si luego se almacenan en un entorno apropiado, la mayoría de las bacterias que de otro modo harían que se echen a perder se mantienen fuera y su humedad se mantiene adentro. Según la fuente citada, los huevos tratados se pueden mantener frescos con este método hasta por cinco meses. Al hervir huevos así conservados, 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.

Elaboración casera

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 de limpieza, 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 conservan en un cubo de gel de vidrio soluble, y sus cáscaras a veces también se usan (horneadas y trituradas) para limpiar el vino.

Acuicultura

El gel de silicato de sodio también se utiliza como sustrato para el crecimiento de algas en los criaderos de acuicultura.

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