Natri silicat

Natri silicat (tiếng Anh: Sodium silicate) hay thủy tinh lỏng là tên phổ biến cho các hợp chất có công thức (Na2O)(SiO2)n, chẳng hạn như natri metasilicat Na2SiO3, natri orthosilicat Na4SiO4, natri pyrosilicat Na6Si2O7. Các hợp chất này thường là chất rắn trong suốt hay chất bột màu trắng được hòa tan trong nước, nhưng đối với sản phẩm thương mại thường có màu xanh do lẫn tạp chất.

Trong ngành công nghiệp, các loại natri silicat khác nhau đặc trưng bởi tỷ lệ khối lượng SiO2:Na2O (có thể chuyển thành tỷ lệ mol bằng cách nhân với 1,032). Tỷ lệ này có thể thay đổi từ 1:2 đến 3,75:1.Gerard Lagaly, Werner Tufar, A. Minihan, A. Lovell "Silicates" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2005.   Các loại có tỷ lệ dưới 2.85:1 có tính kiềm, còn những loại có tỷ lệ SiO2:Na2O cao hơn được coi là trung tính.

Natri silicat được sử dụng trong xi măng, chống cháy thụ động, công nghiệp dệt may và chế biến gỗ, vật liệu chịu lửa, và silica gel.

 Lịch sử 
Các hợp chất silicat của kim loại kiềm đã được các nhà giả kim châu Âu quan sát thấy từ những năm 1500. Giambattista della Porta đã quan sát vào năm 1567 rằng tartari salis (kem tartar, kali bitartrat) khiến thạch anh tan chảy ở nhiệt độ thấp hơn.della Porta, Giambattista (1569). Magia naturalis sive de miraculis rerum naturalium, libri iiii [Natural magic or on the miracles of nature, in four books] (in Latin). Lyon (Lugdunum), France: Guillaume Rouillé (Gulielmum Rovillium). pp. 290–291. See pp. 290–291, "Crystallus, ut fusilis fiat" (Quartz, so made molten)] Các tài liệu tham khảo khác về hợp chất silicat của kim loại kiềm được Basil Valentine đưa ra vào năm 1520,Kohn, C. (1862). "Die Erfindung des Wasserglas im Jahre 1520" [The invention of waterglass in the year 1520]. Zeitschrift des Oesterreichischen Ingenieur-Vereins [Journal of the Austrian Engineer Association] (in German). 14: 229–230. và bởi Georgius Agricola vào năm 1550. Vào khoảng năm 1640, Jean Baptist van Helmont đã tìm ra sự hình thành các hợp chất silicat của kim loại kiềm bằng cách nấu chảy cát với lượng kiềm dư và quan sát thấy rằng SiO2 có thể được kết tủa bằng cách thêm axit vào dung dịch.van Helmont, Johannes (1644). Opuscula medica inaudita (in Latin). Cologne, Germany: Jost Kalckhoven (Jodocum Kalcoven). p. 53. In Part I: De Lithiasi, page 53, van Helmont mentions that alkalis dissolve silicates: "Porro lapides, gemmae, arenae, marmora, silices, &c. adjuncto alcali, vitrificantur: sin autem plure alcali coquantur, resolvuntur in humido quidem: ac resoluta, facili negotio acidorum spirituum, separantur ab alcali, pondere pristini pulveris lapidum." (Furthermore, stone, gems, sand, marble, silica, etc., become glassy by the addition of alkali: but if roasted with more alkali, they are dissolved in moisture: and the former weight of the stone powder is separated from the alkali and released by simply adding acid.)

Năm 1646, Glauber tạo ra kali silicat, mà ông gọi là rượu silicum, bằng cách nấu chảy kali cacbonat (thu được bằng cách nung kem tartar) và cát trong nồi nấu kim loại cho đến khi ngừng sủi bọt khí (do giải phóng carbon dioxide). Hỗn hợp sau đó được để nguội và được nghiền thành bột mịn.Glauber, Johann Rudolf (1647). Furni Novi Philosophici [New Philosophical Furnace] (in German). Vol. 2. Amsterdam, Netherlands: Johann Fabel. pp. 136–137. See: "Wie durch Hülff eines reinen Sandes oder Kißlings auß Sale Tartari ein kräfftiger Spiritus kan erlanget werden." (How with the help of a pure sand or silica a powerful solution can be gotten from cream of tartar). Khi bột tiếp xúc với không khí ẩm dần tạo thành một chất lỏng nhớt, mà Glauber gọi là "Oleum oder Liquor Silicum, Arenæ, vel Crystallorum" (dầu hoặc chất lỏng chứa silic, cát hoặc tinh thể).(Glauber, 1647), p. 138

Tuy nhiên, người ta khẳng định rằng những chất do các nhà giả kim đó điều chế không phải là thủy tinh như ngày nay.Anon. (1863). "Die Erfindung des Wasserglases im Jahre 1520" [The invention of waterglass in the year 1520]. Kunst- und Gewerbe-Blatt (in German). 49: 228–230.

● Reprinted in: Anon. (1863). "Die Erfindung des Wasserglases im Jahre 1520" [The invention of waterglass in the year 1520]. Polytechnisches Journal (in German). 168: 394–395.

● Reprinted in: Anon. (1863). "Die angebliche Erfindung des Wasserglases im Jahre 1520" [The alleged invention of waterglass in the year 1520]. Neues Repertorium für Pharmacie (in German). 12: 271–273. Điều đó lẽ ra đã được Johann Nepomuk von Fuchs tìm ra vào năm 1818, bằng cách xử lý axit silicic với kim loại kiềm; sản phẩm thu được tan trong nước, "nhưng không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi khí quyển".Nepomuk von Fuchs, Johann (1825). "Ueber ein neues Produkt aus Kieselerde und Kali" [On a new product from silica and potash]. Archiv für die gesammte Naturlehre (in German). 5 (4): 385–412. From page 386: "Ich erhielt es zuerst, vor ungefähr 7 Jahren" (I first obtained it about 7 years ago).

● Reprinted in: Nepomuk Fuchs, Joh. (1825). "Ueber ein neues Produkt aus Kieselerde und Kali; und dessen nüzliche Anwendung als Schuzmittel gegen schnelle Verbreitung des Feuers in Theatern, als Bindemittel, firnißartigen Anstrichen u.s.w." [On a new product from silica and potash; and its useful application as a protection against the rapid spread of fire in theaters, as a glue, varnish, etc.]. Polytechnisches Journal (in German). 17: 465–481.

Thuật ngữ "thủy tinh nước" và "thủy tinh hòa tan" được Leopold Wolff sử dụng năm 1846,Wolff, Leopold (1846). Das Wasserglas: Seine Darstellung, Eigenschaften und seine mannichfache Anwendung in den technischen Gewerben [Water-glass: its preparation, properties, and its manifold uses in technical commerce] (in German). Quedlinburg and Leipzig, Germany: Gottfried Basse. bởi Émile Kopp năm 1857Emile Kopp (1857): "Sur la préparation et les propriétés du verre soluble ou des silicates de potasse et de soude; analyse de tous les travaux publiés jusqu'a ce jour sur ce sujet" (On the preparation and properties of soluble glass or the silicates of potash and soda; analysis of all works published until today on this subject). Le Moniteur scientifique, volume 1, 337–349, pages 366–391. và bởi Hermann Krätzer năm 1887.Krätzer, Hermann (1887). Wasserglas und Infusorienerde, deren Natur und Bedeutung für Industrie, Technik und die Gewerbe [Water-glass and soluble earths, their nature and significance for industry, technology, and commerce] (in German). Vienna, Austria: Hartleben.

 Tính chất 
nhỏ|Bột natri silicat.
Natri silicat là chất rắn không màu hoặc bột màu trắng, dễ hòa tan trong nước, nhưng không tan trong alcohol.

Natri silicat ổn định trong dung dịch trung tính và kiềm. Trong dung dịch axit, các ion silicat phản ứng với các ion hydro tạo thành axit silicic, có xu hướng phân hủy thành gel silic dioxide ngậm nước.Christopher Gelpi; Peter Feaver; Jason Reifler (2005). Replication data for: Success Matters: Casualty Sensitivity and the War in Iraq. OCLC 795918959.

Khi đun nóng, thu được một chất rắn trong suốt gọi là silica gel, được sử dụng làm chất hút ẩm. Nó có thể chịu được nhiệt độ lên tới 1100oC.

 Sản xuất 
Dung dịch natri silicat có thể được tạo ra bằng cách xử lý hỗn hợp silica (thường là cát thạch anh), xút và hơi nước nóng trong lò phản ứng.

2x NaOH + SiO2 -> (Na2O)x.SiO2 + x H2O

Natri silicat cũng có thể thu được bằng cách hòa tan SiO2 (nhiệt độ nóng chảy là 1713oC) trong natri cacbonat nóng chảy (nóng chảy ở 851oC).Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

x Na2CO3 + SiO2 -> (Na2O)x.SiO2 + x CO2

Hợp chất này cũng có thể thu được từ natri sunfat với cacbon làm chất khử.

2x Na2SO4 + x C + 2SiO2 -> 2(Na2O)x.SiO2 + 2x SO2 + x CO2

 Ferrosilicon 
Natri silicat có thể được sản xuất như một phần trong quá trình sản xuất hydro bằng cách hòa tan ferrosilicon trong dung dịch natri hydroxit.Brack, Paul; Dann, Sandie E.; Wijayantha, K. G. Upul; Adcock, Paul; Foster, Simon (November 2015). "An old solution to a new problem? Hydrogen generation by the reaction of ferrosilicon with aqueous sodium hydroxide solutions". Energy Science & Engineering. 3 (6): 535–540. doi:10.1002/ese3.94. S2CID 54929253.

2NaOH + Si + H2O -> Na2SiO3 + 2H2

 Công nghệ Bayer 
Mặc dù không mang lại lợi nhuận nhưng Na2SiO3 là sản phẩm phụ của công nghệ Bayer thường được chuyển hóa thành canxi silicat (Ca2SiO4).

 Công dụng 
Các công dụng chính của natri silicat là thành phần trong chất tẩy rửa, công nghiệp giấy, xử lý nước và vật liệu xây dựng.

Tham khảo

 Đọc thêm 
 Ashford's Dictionary of Industrial Chemicals, ấn bản thứ ba, 2011, trang 8369.

 Liên kết ngoài 
 Centre Européen d'Etudes des Silicates 
 International Chemical Safety Card 1137
 ChemSub Online: Silicic acid, sodium salt
 ChemSub Online: Sodium metasilicate

Thể loại:Xi măng
Thể loại:Bê tông
Thể loại:Công nghệ khoan
Thể loại:Hợp chất natri
Thể loại:Hợp chất thủy tinh
Thể loại:Silicat