موضوع مقاله: سدیم سیلیکات | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # سدیم سیلیکات | مقدمه: این ترکیبات عموماً جامدات بی‌رنگ و شفاف یا پودرهای سفیدرنگ هستند و به مقادیر مختلف در آب حل می‌شوند. | ## بخش 1: سدیم سیلیکات | این محصول کاربردهای بسیار متنوعی دارد، از جمله در فرمولاسیون سیمان، پوشش‌ها، محافظت غیرعامل در برابر آتش، فرآوری نساجی و چوب، ساخت سرامیک‌های نسوز، به عنوان چسب، و در تولید سیلیکا ژل. محصول تجاری آن که به صورت محلول آبی یا جامد در دسترس است، اغلب به دلیل وجود ناخالصی‌های آهن‌دار، به رنگ سبز یا آبی دیده می‌شود. در صنعت، گریدهای مختلف سدیم سیلیکات بر اساس نسبت وزنی SiO2:Na2O مشخص می‌شوند (که می‌توان با ضرب در ۱.۰۳۲ آن را به نسبت مولی تبدیل کرد). گریدهایی با نسبت کمتر از ۲.۸۵:۱ به عنوان قلیایی شناخته می‌شوند، در حالی که آن‌هایی که نسبت SiO2:Na2O بالاتری دارند، به عنوان خنثی توصیف می‌شوند. تاریخچه سیلیکات‌های محلول فلزات قلیایی (سدیم یا پتاسیم) توسط کیمیاگران اروپایی در قرن شانزدهم مشاهده شدند. در حدود سال ۱۶۴۰، یان باپتیست ون هلمونت گزارش داد که سیلیکات‌های قلیایی به عنوان ماده‌ای محلول از طریق ذوب ماسه با مقدار اضافی قلیا تشکیل می‌شوند و مشاهده کرد که سیلیس می‌تواند با افزودن اسید به محلول، به صورت کمی رسوب کند. او این کار را با ذوب کردن پتاسیم کربنات (به‌دست‌آمده از تکلیس کرم تارتار) و ماسه در یک بوته انجام داد و آن را تا زمانی که حباب زدن (به دلیل آزاد شدن کربن دی‌اکسید) متوقف شد، مذاب نگه داشت. با این حال، بعدها ادعا شد که موادی که توسط آن کیمیاگران تهیه شده بود، آب‌شیشه به معنای امروزی آن نبود. این ماده در سال ۱۸۱۸ توسط یوهان نپوموک فون فوکس با تیمار سیلیسیک اسید با یک قلیا تهیه شد؛ نتیجه حاصله در آب محلول بود، "اما تحت تأثیر تغییرات جوی قرار نمی‌گرفت". اصطلاحات "آب‌شیشه" و "شیشه محلول" توسط لئوپولد ولف در سال ۱۸۴۶، امیل کوپ در سال ۱۸۵۷، و هرمان کراتزر در سال ۱۸۸۷ مورد استفاده قرار گرفتند. در سال ۱۸۹۲، رودولف فون واگنر انواع آب‌شیشه را به چهار دسته سودا، پتاس، دوتایی (سودا و پتاس) و تثبیت‌کننده تقسیم کرد. نوع تثبیت‌کننده "مخلوطی از سیلیس کاملاً اشباع شده با آب‌شیشه پتاس و یک سدیم سیلیکات" بود که برای تثبیت رنگدانه‌های معدنی آبرنگ روی کارهای سیمانی برای تابلوها و نقاشی‌های دیواری در فضای باز استفاده می‌شد. به جز غنی‌ترین آن‌ها از نظر سیلیسیم، همگی به راحتی در آب حل می‌شوند و محلول‌های قلیایی تولید می‌کنند. در محلول‌های اسیدی، یون‌های سیلیکات با یون‌های هیدروژن واکنش می‌دهند تا سیلیسیک اسیدها را تشکیل دهند، که تمایل دارند به ژل سیلیکون دی‌اکسید هیدراته تجزیه شوند. اگر برای خارج کردن آب حرارت داده شود، نتیجه ماده‌ای سخت و نیمه‌شفاف به نام سیلیکا ژل است که به طور گسترده به عنوان خشک‌کن استفاده می‌شود. تولید محلول‌های سدیم سیلیکات را می‌توان با تیمار مخلوطی از سیلیس (معمولاً به صورت ماسه کوارتز)، سود سوزآور و آب، با بخار داغ در یک راکتور تولید کرد. واکنش کلی به صورت زیر است: سدیم سیلیکات‌ها را همچنین می‌توان با حل کردن سیلیسیم دی‌اکسید (SiO2، که نقطه ذوب آن ۱۷۱۳ درجه سانتی‌گراد است) در سدیم کربنات مذاب (که با تجزیه در ۸۵۱ درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود) به دست آورد: این ماده همچنین می‌تواند از سدیم سولفات (نقطه ذوب ۸۸۴ درجه سانتی‌گراد) با استفاده از کربن به عنوان عامل کاهنده به دست آید: در سال ۱۹۹۰، ۴ میلیون تن سیلیکات فلز قلیایی تولید شد. فروسیلیس سدیم سیلیکات ممکن است به عنوان بخشی از تولید هیدروژن با حل کردن فروسیلیس در یک محلول آبی سدیم هیدروکسید (NaOH·H2O) تولید شود: فرایند بایر اگرچه Na2SiO3 سودآور نیست، اما یک محصول جانبی از فرایند بایر است که اغلب به کلسیم سیلیکات (Ca2SiO4) تبدیل می‌شود. کاربردها کاربردهای اصلی سدیم سیلیکات‌ها در مواد شوینده، صنعت کاغذ (به عنوان عامل جوهرزدایی)، تصفیه آب و مصالح ساختمانی است. چسب‌ها خواص چسبندگی سدیم سیلیکات از اوایل دهه ۱۸۵۰ مورد توجه قرار گرفت و حداقل از زمان جنگ جهانی اول به طور گسترده استفاده شده است. بزرگترین کاربرد محلول‌های سدیم سیلیکات به عنوان سیمان (چسب) برای تولید مقوا است. هنگامی که به عنوان چسب کاغذ استفاده می‌شود، اتصال سدیم سیلیکات تمایل دارد ظرف چند سال ترک بخورد، که در این نقطه دیگر سطوح کاغذی چسبانده شده را نگه نمی‌دارد. محلول‌های سدیم سیلیکات همچنین می‌توانند به عنوان یک لایه چسب چرخشی (spin-on) برای اتصال شیشه به شیشه، یا اتصال یک ویفر سیلیکونی پوشیده شده با دی‌اکسید سیلیکون به یکدیگر استفاده شوند. اتصال شیشه به شیشه با سدیم سیلیکات این مزیت را دارد که یک تکنیک اتصال با دمای پایین است، برخلاف اتصال ذوبی. رسوب‌دهی چنین لایه‌ای نیاز به یک مرحله رسوب‌دهی شیمیایی بخار با فشار پایین (LPCVD) دارد. با این حال، یک عیب اتصال با سدیم سیلیکات این است که حذف حباب‌های هوا بسیار دشوار است. پوشش‌ها سدیم سیلیکات ممکن است برای رنگ‌ها و پوشش‌های مختلف، مانند پوشش‌های مورد استفاده در میله‌های جوشکاری استفاده شود. یک روش گرم کردن لایه نازکی از سدیم سیلیکات برای تبدیل آن به ژل و سپس به یک فیلم سخت است. دما به آرامی تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد تا فیلم دهیدراته شود و از بخار کردن و تاول زدن جلوگیری شود. در روش دیگر، زمانی که دماهای بالا عملی نیست، مقاومت در برابر آب ممکن است با استفاده از مواد شیمیایی (یا استرها)، مانند بوریک اسید، فسفریک اسید، سدیم فلوروسیلیکات و آلومینیوم فسفات حاصل شود. این ماده در مواد کمکی شوینده‌ها مانند سدیم دی‌سیلیکات کمپلکس و سدیم دی‌سیلیکات اصلاح‌شده استفاده می‌شود. | ## بخش 2: سدیم سیلیکات | تصفیه آب سدیم سیلیکات به عنوان یک منعقدکننده آلوم و یک لخته‌ساز (فلوکولانت) آهن در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب استفاده می‌شود. سدیم سیلیکات به مولکول‌های کلوئیدی متصل می‌شود و توده‌های بزرگتری ایجاد می‌کند که به ته ستون آب فرو می‌روند. لایه دوگانه الکتریکی آن‌ها به دلیل افزایش قدرت یونی ناشی از افزودن سدیم سیلیکات (آنیون با دو بار منفی همراه با دو کاتیون سدیم) فرو می‌ریزد و متعاقباً تجمع می‌یابند. ریخته‌گری، مواد نسوز و سفالگری این ماده به عنوان چسبِ ماسه در هنگام انجام ریخته‌گری ماسه‌ای تمام فلزات رایج استفاده می‌شود. این اجازه می‌دهد تا تولید سریع یک قالب یا پایه‌ی قوی با سه روش اصلی انجام شود: روش ۱: نیاز به عبور دادن گاز دی‌اکسید کربن از میان مخلوط ماسه و سدیم سیلیکات در درجه ریخته‌گری یا جعبه ماهیچه (Core box) دارد. دی‌اکسید کربن با سدیم سیلیکات واکنش می‌دهد تا سیلیکا ژل جامد و سدیم کربنات تشکیل دهد. این امر استحکام کافی را برای خارج کردن شکل ماسه‌ای سخت‌شده از ابزار فرم‌دهی فراهم می‌کند. استحکام اضافی با دهیدراته شدن (از دست دادن آب) هر مقدار سدیم سیلیکات واکنش‌نکرده در شکل ماسه‌ای ایجاد می‌شود. روش ۲: نیاز به افزودن یک استر (محصول واکنش یک اسید و یک الکل) به مخلوط ماسه و سدیم سیلیکات قبل از قرار دادن آن در درجه یا جعبه ماهیچه دارد. با هیدرولیز شدن استر توسط آب موجود در سدیم سیلیکات مایع، اسیدی آزاد می‌شود که باعث ژله‌ای شدن سدیم سیلیکات مایع می‌گردد. هنگامی که ژل تشکیل شد، در نتیجه پدیده سینرسیس (آب‌اندازی) به یک فاز شیشه‌ای دهیدراته می‌شود. استرهای رایج شامل استرهای استاتِ گلیسرول و اتیلن گلیکول و همچنین استرهای کربناتِ پروپیلن و اتیلن گلیکول هستند. روش ۳: نیاز به انرژی مایکروویو برای گرم کردن و دهیدراته کردن مخلوط ماسه و سدیم سیلیکات در درجه یا جعبه ماهیچه دارد. برای اینکه این روش به خوبی کار کند، ابزارهای فرم‌دهی باید امواج مایکروویو را از خود عبور دهند. از آنجا که سدیم سیلیکات ثابت دی‌الکتریک بالایی دارد، انرژی مایکروویو را بسیار سریع جذب می‌کند. اشکال ماسه‌ای کاملاً دهیدراته شده می‌توانند ظرف یک دقیقه در معرض مایکروویو تولید شوند. این روش بالاترین استحکام را در اشکال ماسه‌ایِ متصل‌شده با سدیم سیلیکات ایجاد می‌کند. از آنجا که سدیم سیلیکات در حین ریخته‌گری نمی‌سوزد (در واقع می‌تواند در دماهای ریزش بالای ۱۸۰۰ درجه فارنهایت ذوب شود)، افزودن مواد آلی برای کمک به فروپاشی بهتر ماسه پس از ریخته‌گری معمول است. هنگامی که با اجزای سبک‌وزنِ پرلیت مخلوط می‌شود، می‌توان از آب‌شیشه برای ساخت تخته‌های عایق سخت و با دمای بالا استفاده کرد که در مواد دیرگداز، محافظت غیرعامل در برابر آتش و عایق‌های حرارتی بالا، مانند عایق‌های لوله‌ای قالب‌گیری شده کاربرد دارند. هنگامی که با پودرهای معدنی ریز تقسیم شده، مانند گرد و غبار ورمیکولیت (که ضایعات رایج فرایند لایه‌لایه شدن است) مخلوط شود، می‌توان چسب‌های دما بالا تولید کرد. آب‌شیشه ارزان و به وفور در دسترس است، که استفاده از آن را در بسیاری از کاربردهای دیرگداز محبوب می‌کند. سدیم سیلیکات به عنوان یک روان‌ساز (دِفلوکولانت) در دوغاب‌های ریخته‌گری استفاده می‌شود و به کاهش ویسکوزیته و نیاز به مقادیر زیاد آب برای مایع کردن بدنه رسی کمک می‌کند. این ماده همچنین عامل اصلی در "آب جادویی" (Magic water) است که هنگام اتصال قطعات رسی، به ویژه اگر سطح رطوبت دو قطعه متفاوت باشد، استفاده می‌شود. پس از اینکه رنگ روی پارچه بر پایه سلولز (مانند پنبه یا ابریشم مصنوعی) یا روی ابریشم اعمال شد و خشک گردید، سدیم سیلیکات روی پارچه رنگ‌شده نقاشی می‌شود، با پلاستیک پوشانده می‌شود تا رطوبت حفظ شود و به مدت یک ساعت در دمای اتاق رها می‌شود تا واکنش دهد. کارهای تعمیراتی سدیم سیلیکات، همراه با منیزیم سیلیکات، در خمیر تعمیر و اتصال اگزوز استفاده می‌شود. منیزیم سیلیکات می‌تواند با محلول سدیم سیلیکات مخلوط شود تا خمیر غلیظی تشکیل دهد که اعمال آن آسان است. هنگامی که سیستم اگزوز یک موتور احتراق داخلی تا دمای عملیاتی خود گرم می‌شود، گرما تمام آب اضافی خمیر را خارج می‌کند. ترکیبات سیلیکات باقی‌مانده دارای خواص شیشه‌مانند هستند و یک تعمیر موقت و شکننده ایجاد می‌کنند که می‌تواند با الیاف شیشه تقویت شود. این کاربرد به ویژه برای سرسیلندرهای آلیاژ آلومینیوم که به انحراف سطح ناشی از حرارت حساس هستند، مفید است. سدیم سیلیکات از طریق رادیاتور به سیستم خنک‌کننده اضافه می‌شود و اجازه گردش می‌یابد. هنگامی که سدیم سیلیکات به دمای "تبدیل" خود یعنی ۱۰۰–۱۰۵ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، مولکول‌های آب را از دست می‌دهد و یک درزگیر شیشه‌ای با دمای ذوب مجدد بالای ۸۱۰ درجه سانتی‌گراد تشکیل می‌دهد. | ## بخش 3: سدیم سیلیکات | با این حال، این تعمیر تنها زمانی کار می‌کند که سدیم سیلیکات به دمای "تبدیل" خود برسد. همچنین، آلودگی روان‌کارها با سدیم سیلیکات (ذرات شیشه) برای عملکرد آن‌ها مضر است و آلودگی روغن موتور در شرایطی که نشت مایع خنک‌کننده به روغن وجود دارد، یک احتمال جدی است. محلول سدیم سیلیکات برای از کار انداختن ارزان، سریع و دائمی موتورهای خودرو استفاده می‌شود. روشن گذاشتن موتور با نیمی از گالون (یا حدود دو لیتر) محلول سدیم سیلیکات به جای روغن موتور باعث می‌شود محلول رسوب کند و یاتاقان‌ها و پیستون‌های موتور را در عرض چند دقیقه به طور فاجعه‌باری خراب کند.Helliker, Kevin. در ایالات متحده، این روش برای رعایت الزامات برنامه سیستم بازپرداخت کمک‌هزینه خودرو (CARS) مورد استفاده قرار گرفت. ساخت و ساز مخلوطی از سدیم سیلیکات و خاک‌اره در بین دیواره دوجداره برخی از گاوصندوقها استفاده شده است. این کار نه تنها آن‌ها را در برابر آتش مقاوم‌تر می‌کند، بلکه برش دادن آن‌ها با مشعل اکسی‌استیلن را به دلیل دود متصاعد شده بسیار دشوار می‌سازد. سدیم سیلیکات اغلب در سیالات حفاری برای تثبیت و جلوگیری از ریزش دیواره‌های چاه استفاده می‌شود. این ماده به ویژه زمانی مفید است که مته‌ها از میان سازندهای رسی عبور می‌کنند که حاوی کانی‌های رس متورم‌شونده مانند اسمکتیت یا مونتموریلونیت هستند. بتن تیمار شده با محلول سدیم سیلیکات به کاهش تخلخل در اکثر محصولات بنایی مانند بتن، استوکو و گچ کمک می‌کند. این اثر به کاهش نفوذ آب کمک می‌کند، اما تأثیر شناخته‌شده‌ای بر کاهش انتقال و انتشار بخار آب ندارد. یک واکنش شیمیایی با Ca(OH)2 اضافی (پرتلندیت) موجود در بتن رخ می‌دهد که سیلیکات‌ها را به طور دائم با سطح پیوند می‌دهد و آن‌ها را بسیار با دوام‌تر و آب‌گریزتر می‌کند. این درمان معمولاً تنها پس از انجام عمل‌آوری اولیه (تقریباً هفت روز بسته به شرایط) اعمال می‌شود. 10 1997 باغ‌های کریستالی هنگامی که کریستال‌هایی از تعدادی از نمک‌های فلزی در محلولی از آب‌شیشه انداخته می‌شوند، استالاگمیتهای ساده یا شاخه‌دار از سیلیکات‌های فلزی رنگی تشکیل می‌شوند. این پدیده توسط تولیدکنندگان اسباب‌بازی و ست‌های شیمی برای فراهم کردن سرگرمی آموزنده برای نسل‌های بسیاری از کودکان از اوایل قرن بیستم تا کنون استفاده شده است. اشاره اولیه‌ای به کریستال‌های نمک‌های فلزی که یک "باغ شیمیایی" را در سدیم سیلیکات تشکیل می‌دهند، در مجله مدرن مکانیکس سال ۱۹۴۶ یافت می‌شود. نمک‌های فلزی مورد استفاده شامل سولفات‌ها و/یا کلریدهای مس، کبالت، آهن، نیکل و منگنز بودند. درزگیرها سدیم سیلیکات همراه با مواد افزودنی به زمین تزریق شد تا آن را سخت کند و بدین وسیله از نشت بیشتر آب بسیار رادیواکتیو از نیروگاه هسته‌ای فوکوشیما دایچی در ژاپن در آوریل ۲۰۱۱ جلوگیری کند.Press Release (TEPCO:2011.4.6) گرمای باقی‌مانده توسط آبی که برای خنک کردن راکتورهای آسیب‌دیده استفاده می‌شد، گیرش مخلوط تزریق‌شده را تسریع کرد. در ۳ ژوئن ۱۹۵۸، یو‌اس‌اس ناتیلوس، اولین زیردریایی اتمی جهان، از اورت و سیاتل بازدید کرد. در سیاتل، خدمه با لباس غیرنظامی فرستاده شدند تا مخفیانه ۱۴۰ کوارت (۱۶۰ لیتر) از یک محصول خودرویی حاوی سدیم سیلیکات (که در ابتدا با نام Stop Leak شناسایی شده بود) را برای تعمیر سیستم کندانسور نشت‌کننده خریداری کنند. ناتیلوس در مسیر قطب شمال برای انجام یک مأموریت فوق محرمانه جهت عبور از قطب شمال در حالت غوطه‌ور بود. سلاح‌های گرم یک کاربرد تاریخی از خواص چسبندگی سدیم سیلیکات‌ها، تولید فشنگ‌های کاغذی برای رولورهای باروت سیاه تولید شده توسط شرکت تولیدی کلت بین سال‌های ۱۸۵۱ تا ۱۸۷۳، به ویژه در طول جنگ داخلی آمریکا است. سدیم سیلیکات برای مهر و موم کردن کاغذ نیتراته قابل احتراق به یکدیگر برای تشکیل یک فشنگ کاغذی مخروطی جهت نگه داشتن باروت سیاه، و همچنین برای چسباندن گلوله سربی یا مخروطی به انتهای باز فشنگ کاغذی استفاده می‌شد. این استفاده با معرفی رولورهای کلت که از فشنگ‌های با پوکه برنجی استفاده می‌کردند و از سال ۱۸۷۳ شروع شد، تا حد زیادی پایان یافت. به طور مشابه، سدیم سیلیکات همچنین برای چسباندن نمد بالایی در فشنگ‌های ساچمه‌زنی برنجی استفاده می‌شد، و بدین ترتیب نیاز به پرچ کردن (Crimp) بالای پوکه برنجی برای نگه داشتن اجزای فشنگ را از بین می‌برد. این کرم‌ها وقتی به صورت لایه نازک اعمال می‌شوند و اجازه داده می‌شود برای چند دقیقه خشک شوند، می‌توانند نتایج چشمگیری ارائه دهند. مانند سیمانِ آبی عمل می‌کند؛ وقتی عضله شروع به حرکت می‌کند، ترک می‌خورد و باقیمانده‌های سفیدی روی پوست به جا می‌گذارد. آب‌شیشه با موفقیت زیاد به عنوان نگهدارنده تخم‌مرغ استفاده شده است، عمدتاً زمانی که یخچال در دسترس نیست. اگر آن‌ها سپس در محیط مناسب نگهداری شوند، اکثر باکتری‌هایی که در غیر این صورت باعث فساد آن‌ها می‌شدند بیرون نگه داشته می‌شوند و رطوبت آن‌ها حفظ می‌شود. طبق منبع ذکر شده، تخم‌مرغ‌های تیمار شده با این روش می‌توانند تا پنج ماه تازه نگه داشته شوند. با این حال، به عنوان یک عامل شفاف‌کننده، سدیم سیلیکات گاهی با سریشم ماهی (Isinglass) اشتباه گرفته می‌شود که از کلاژن استخراج شده از کیسه شنای خشک‌شده ماهی خاویاری و سایر ماهیان تهیه می‌شود. | ## جمع‌بندی | ژل سدیم سیلیکات همچنین به عنوان بستر (سوبسترا) برای رشد جلبک در هچری‌های آبزی‌پروری استفاده می‌شود.