Sticlă solubilă

Sticla solubilă ( sticlă de apă în engleză) este denumirea comună a unei serii de materiale amorfe care au aspectul unui sticlă transparentă, dar care se dizolvă în apă pentru a forma soluții vâscoase și alcaline . Din punct de vedere chimic, aceștia sunt silicați ai metalelor alcaline cu formula generală M ₂ O x n SiO ₂ (M = Na, K, Li), unde n este între 1,5 și 4; sunt deci compuși non-stoichiometrici . Cele mai frecvente și mai utilizate sunt silicații de sodiu alcalini. Sunt vândute ca o soluție concentrată, obținută de obicei prin dizolvarea silicaților sticloși în apă sau prin dizolvarea directă a nisipului de silice în NaOH . Silicații alcali au multe aplicații comerciale. De exemplu, acestea sunt utilizate în detergenți , adezivi , etanșanți , vopsele , cimenturi și pentru sinteza altor substanțe chimice, cum ar fi silicagel și zeoliți .

fundal

Posibilitatea materialelor obținute prin topire silice dizolvare (SiO ₂₎ și carbonații alcalini (M ₂ CO _3, M = Na sau K) în apă a fost descrisă pentru prima dată de Jean Baptiste van Helmont (1577-1644), chimist belgian și doctor. Ulterior, chimistul german Johann Rudolph Glauber (1604-1670) a studiat proprietățile acestor soluții dense, pe care le-a numit Liquor silicum , propunând câteva aplicații. De asemenea, Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832) a devenit interesat de aceste materiale în timpul studiilor sale alchimice din 1768. Prin urmare, s-au cunoscut silicații solubili, dar au găsit puține aplicații până în 1825, când chimistul și mineralogul german Johann Nepomuk von Fuchs (1774 -1856) a studiat modul de producere industrială a silicaților solubili de potasiu și sodiu. El a inventat termenul de sticlă de apă (din sticlă solubilă în apă) și a propus utilizarea acestor materiale în adezivi, etanșanți și lianți pentru vopsele umede. Industrialul și chimistul francez Charles Frédéric Kuhlmann (1803-1881) a început producția de sticlă solubilă în Franța în 1841, iar industriile similare s-au răspândit ulterior în Anglia și Statele Unite.

Proprietăți și structură

Prin termenul de sticlă solubilă ne referim la silicați cu formula generală M ₂ O x n SiO ₂ (M = Na, K, Li) unde n este între 1,5 și 4. Structural sunt materiale care se solidifică din paharele care formează topitura; sunt deci amorfe și nu stoichiometrice . La nivel molecular, unirea SiO ₄ tetraedre conectat la formele vârfuri dezordonate lanțuri polimerice siliciu-oxigen, de complexitate diferite , în funcție de compoziție.

Când materialul se dizolvă în apă, se obțin soluții vâscoase datorită prezenței acestor anioni polisilicati cu polimerizare tridimensională. Vâscozitatea soluțiilor crește pe măsură ce crește concentrația și crește raportul SiO ₂ / MO ₂ . Adăugarea de hidroxizi alcalini depolimerizează structura și reduce vâscozitatea. Același efect poate fi obținut prin diluarea cu apă.

Soluțiile acestor silicați sunt puternic alcaline . Prin adăugarea de acizi sau săruri acide anioni de silicat sunt transformate în dioxid de siliciu , SiO _2; în acest fel se produc silicagel și alți silicați cristalini precum zeoliți .

În plus față de aceste materiale amorfe, există și silicați alcalini care se solidifică într-o formă cristalină, adesea cu apă de cristalizare. Cele mai cunoscute sunt ortosilicatul (Na ₂ O x 0,5 SiO ₂ sau Na ₄ SiO ₄ ), metasilicat (Na ₂ O x 1,0 SiO ₂ sau Na ₂ SiO ₃ ) și disilicat de sodiu (Na ₂ O x 2,0 SiO ₂ sau Na ₂ Si ₂ O ₅ ). Din punct de vedere comercial, este important doar metasilicat de sodiu, cu formula generală Na ₂ SiO ₃ x m H ₂ O, unde m poate fi 0, 5, 8 sau 9.

Fiecare dintre aceste materiale este clasificat cu propriul număr CAS și numărul EINECS :

Sinteză

Sticlă solubilă solidă este realizat din cuarț scăzut de fier (SiO ₂₎ pulbere, care este spălat pentru a îndepărta argila și alte impurități. Materialul este apoi amestecat în proporția necesară cu carbonat de sodiu sau potasiu și topit în cuptoare la aproximativ 1500 ° C. După reacție, CO ₂ este eliberat; de exemplu:

_{Na2 CO3} + 4SiO ₂ = Na ₂ O x 4SiO ₂ + CO ₂

Materialul topit este turnat în forme unde se solidifică în blocuri transparente. Acest material este incolor atunci când este foarte pur; în prezența impurităților de fier, se obține o culoare verde-albastru (datorită ionului Fe ²⁺ ) sau galben-maroniu (datorită ionului Fe ³⁺ ).

Soluțiile de silicați alcalini se obțin prin dizolvarea materialului solid în apă sub presiune la aproximativ 150 ° C. Soluțiile rezultate sunt cu atât mai vâscoase cu cât concentrația de material dizolvat este mai mare. Alternativ, este mai eficient din punct de vedere energetic să dizolvați nisipul de cuarț direct într-o soluție de hidroxid de sodiu sub presiune la aproximativ 150 ° C.

Utilizări

Silicații solubili se pretează, în general, la numeroase aplicații, profitând de faptul că nu sunt dăunători mediului înconjurător, sunt netoxici ( vezi ), sunt neinflamabili, inodor, rezistenți la ulei, grăsimi și căldură și au proprietăți antimicrobiene. . Unele câmpuri de aplicare sunt următoarele:

Detergenți

Silicații solubili sunt utilizați pe scară largă în formulările de detergenți solizi și lichizi în mașinile de spălat și mașinile de spălat vase , atât în ​​domeniul industrial, cât și în cel casnic. În această aplicație au funcția de a menține un pH ridicat (9-12) cu puterea lor de tamponare , de a emulsiona și saponifica uleiurile și grăsimile animale și vegetale, de a înmuia apa tare prin complexarea cationilor de calciu și magneziu și de a proteja metalul piese din coroziune.

Adezivi și lianți

Silicații solubili sunt folosiți pe scară largă în producerea de produse din hârtie și carton, cum ar fi tuburi, laminate și carton ondulat. În tuburile de hârtie și carton înfășurate cu tambur, se obțin produse rigide și foarte rezistente. În general, se utilizează soluții diluate de silicați solubili care pot fi ușor absorbiți în materialul de hârtie. Apa este mai întâi absorbită de substrat și apoi se evaporă; silicații devin lipicioși la început și în cele din urmă se usucă formând o legătură puternică, sticloasă. Silicații solubili sunt utilizați și la fabricarea brichetelor, a peletelor și a altor forme de produse agregate. Ca și în cazul hârtiei, silicatul aplicat ca soluție se deshidratează și formează un adeziv care leagă materialul. Silicații pot fi folosiți și cu alți aditivi pentru a obține o întărire mai rapidă și o rezistență la umiditate.

Vopsele și acoperiri de suprafață

Silicații solubili sunt folosiți ca purtători pentru legarea pigmenților și a altor materiale sub formă de pulbere de suprafețe. Ca acoperire de suprafață, acestea măresc rezistența suprafeței și formează pelicule rezistente la căldură și intumescente. Silicații de potasiu sunt în general utilizați, deoarece silicații de sodiu pot reacționa cu dioxidul de carbon atmosferic pentru a forma depuneri superficiale de carbonat.

Tratarea apei și a apelor uzate

Silicații solubili, în special sodiul, sunt substanțe chimice ieftine, ecologice utilizate de mai bine de 70 de ani în tratarea apei. Aceștia acționează ca inhibitori de coroziune atât pentru că cresc pH-ul, cât și pentru că acoperă suprafețele țevilor metalice cu un film care le protejează de atacuri ulterioare. Ele sunt, de asemenea, utilizate ca agenți de complexare pentru îndepărtarea fierului și manganului din apele subterane și ca floculanți pentru a ajuta la stabilizarea cationilor și a policațiilor.

Ciment și materiale de construcție

Silații sunt folosiți atât pentru a accelera setarea betonului, cât și pentru a-l face mai durabil și impermeabil agenților atmosferici. Silații sunt adăugați ca lianți la compoziția multor materiale care trebuie să fie refractare sau rezistente chimic, de exemplu pentru construcția de cuptoare , canalizare , coșuri de fum , celule electrolitice și altele asemenea.

Industria hârtiei

Silicații solubili sunt folosiți pe scară largă în industria hârtiei atunci când albirea fibrelor virgine și reciclate cu apă oxigenată . Funcția silicaților este de a complexa metale de tranziție, cum ar fi fierul , cuprul și manganul , care altfel ar cataliza descompunerea oxigenului peroxidului de hidrogen. Mai mult, silicații tamponează mediul de reacție la pH, unde acțiunea peroxidului este cea mai eficientă. În reciclarea hârtiei, ele au și funcția de a facilita detașarea particulelor de cerneală.

Toxicitate

Chiar dacă silicații solubili sunt clasificați ca substanțe periculoase, în esență datorită alcalinității lor, atunci când sunt utilizați corect, sunt în general substanțe cu un risc toxicologic scăzut. De fapt, există numeroase reglementări internaționale care reglementează utilizarea acesteia în domenii precum tratarea apei potabile, industriile alimentare, ambalarea alimentelor, produsele cosmetice etc.

Silicații solubili sunt substanțe total anorganice și, odată diluați, nu au impact asupra mediului. Din punct de vedere chimic, acestea sunt deja complet oxidate și, prin urmare, nu au nici COD (cerere chimică de oxigen), nici BOD (cerere biochimică de oxigen). În soluție concentrată au un pH ridicat, dar dispersate în apele de suprafață sunt diluate rapid și reacționează cu cationi metalici naturali (de exemplu Ca, Mg, Al, Fe) formând silicați insolubili sau silice amorfă, care sunt produse deja prezente în natură în stânci.și pe uscat.

Bibliografie

• W. Büchner, R. Schliebs, G. Winter, KH Büchel, Chimie anorganică industrială , Padova, Piccin, 1996, ISBN 88-299-1348-0 .
• NN Greenwood, A. Earnshaw, Chimia elementelor , ediția a II-a, Oxford, Butterworth-Heinemann, 1997, ISBN 0-7506-3365-4 .
• G. Lagaly, W. Tufar, A. Minihan, A. Lovell, Silicates , în enciclopedia Ullmann de chimie industrială , ediția a VII-a, Wiley-VCH, 2004.

Elemente conexe

• Silicat de sodiu

linkuri externe

• Istoricul silicatului de sodiu , pe ingessil.com . Adus 28-05-2009 (arhivat din original la 3 august 2010) .
• ( EN ) Site-ul Centrului Européen d'Etude des Silicates , pe cees-silicates.eu . Adus 09-07-2009 (arhivat din original la 12 septembrie 2011) .

Portalul chimiei

Portalul de materiale