Szkło wodne to powszechna nazwa wodnego roztworu krzemianu sodu lub krzemianu potasu. Nazywane jest ono również “szkłem płynnym”. Swoją nazwę zawdzięcza temu, że w wodzie jest to zasadniczo szkło (dwutlenek krzemu). Gdy woda odparowuje, roztwór zestala się w szkliste ciało stałe.
Jakaj fest formuła chemiczna szkła wodnego? Najczęściej stosowanym wzorem jest Na2(SiO2)nO, chociaż K2(SiO2)nO jest również formą szkła wodnego.
Szkło wodne jest sprzedawane w postaci stałych brył lub proszków albo w postaci przezroczystej, syropowatej cieczy. Stosowane jest jako wygodne źródło sodu dla wielu produktów przemysłowych, jako substancja budowlana w detergentach piorących, jako spoiwo i klej, jako flokulant w zakładach uzdatniania wody i w wielu innych zastosowaniach.
Właściwości szkła wodnego
- IUPAC ID: Metasilikat sodu lub metasilikat potasu
- Formuła: Na2O3Si
- Bezbarwny, gdy czysty, pospolity bladozielony lub niebieski od zanieczyszczeń zawierających żelazo. Ciało stałe jest zazwyczaj białym proszkiem, który rozpuszcza się w wodzie, dając roztwór alkaliczny.
- Gęstość: 2,40-2,61 g/cm3.
- Masa cząsteczkowa: 122,06 g/mol
- Temperatura topnienia: 1,088°C
- Rozpuszczalność: Rozpuszczalny w wodzie, nierozpuszczalny w alkoholu.
- Odkrycie: Około 1940 roku Jean Baptist van Helmont zaobserwował szkło wodne jako płyn powstający w wyniku stopienia się piasku i nadmiaru zasad. Substancja ta została zdefiniowana w 1892 r. w tłumaczeniu podręcznika technologii chemicznej Von Wagnera.
- Produkcja: piasek kwarcowy i zasady kwarcowe reagują w fazie ciekłej lub stałej, wytwarzając szkło wodne. Węglan sodu lub soda kaustyczna są powszechnie stosowanymi materiałami alkalicznymi stosowanymi w tym procesie.
Szkło wodne – produkcja
Szkło wodne produkowane jest od XIX wieku, a podstawowe zasady wytwarzania “krzemianu sody” nie zmieniły się od tego czasu. Jest ono powszechnie wytwarzane poprzez wypalanie różnych ilości sody kalcynowanej (węglanu sodu, Na2CO3) i piasku krzemionkowego (wszechobecne źródło SiO2) w piecu w temperaturze od około 1000 do 1400 °C, w procesie, w którym wydziela się dwutlenek węgla (CO2) i powstaje krzemian sodu (Na2SiO3; zwykle reprezentowany przez dwa składniki, Na2O i SiO2):
Na2CO3 + SiO2→ Na2O∙SiO2 + CO2
W wyniku tego procesu prażenia powstają stapiane bryły szklane zwane stłuczką szklaną, które mogą być chłodzone i sprzedawane w takiej formie lub mielone i sprzedawane w postaci proszku. Z kolei szkło w postaci grudek lub zmielonej wody szklanej może być podawane do reaktorów ciśnieniowych w celu rozpuszczenia w gorącej wodzie. Roztwór jest schładzany do lepkiej cieczy i sprzedawany w pojemnikach o różnej wielkości, od małych słoików do dużych beczek lub zbiorników.
Ciecz krzemianu sodu może być również przygotowana bezpośrednio przez rozpuszczenie piasku krzemionkowego pod ciśnieniem w podgrzanym wodnym roztworze sody kaustycznej (wodorotlenek sodu, NaOH):
2NaOH + SiO2 → Na2O∙SiO2 + H2O
W obu kierunkach produkcji, im wyższy jest stosunek SiO2 do Na2O i im wyższe jest stężenie obu składników, tym roztwór jest bardziej lepki. Lepkość jest produktem powstawania polimerów krzemianowych, przy czym atomy krzemu (Si) i tlenu (O) są łączone przez wiązania kowalencyjne w duże ujemnie naładowane struktury łańcuchowe lub pierścieniowe, które zawierają dodatnio naładowane jony sodu, jak również cząsteczki wody. Roztwory o wysokiej lepkości mogą być suszone rozpryskowo, tworząc podobne do szkła kulki z uwodnionego krzemianu sodu. Koraliki mogą być pakowane do sprzedaży dla użytkowników komercyjnych, podobnie jak stłuczka szklana, ale rozpuszczają się łatwiej niż bezwodna forma szkła wodnego.
Zastosowania krzemianu sodu
- Jako substancja koherentna – największym zastosowaniem tej substancji jest cement do produkcji tektury. W przypadku zastosowania jako cement papierowy, spoina krzemianowa ma tendencję do pękania w ciągu kilku lat. W tym momencie nie wiąże ona już powierzchni papieru do spoinowania.
- Detergent uzupełniający – stosuje się go w detergentach pomocniczych, takich jak kompleksowy dwukrzemian sodu i zmodyfikowany dwukrzemian sodu. Cząsteczki detergentu uzyskują swoją wytrzymałość dzięki powłoce z krzemianów.
- Oczyszczanie wody – substancja stosowana jest w oczyszczalniach ścieków jako koagulant z tlenku glinu i flokulant żelaza. Krzemian sodu zatrzymuje cząsteczki koloidalne, tworząc większe kruszywa, które opadają na dno słupa wody.
- Płyny wiertnicze – przydatny w płynach wiertniczych do stabilizacji ścian otworu i unikania zapadania się ścianek otworu. Przydatny podczas wiercenia otworów przechodzących przez kruche formacje zawierające pęczniejące minerały ilaste, takie jak smektyt czy montmorylonit.
- W przemyśle motoryzacyjnym naprawa – krzemian sodu skutecznie pomaga w naprawie tłumików, rezonatorów, rur wydechowych i innych elementów układu wydechowego, z taśmami wzmacniającymi z włókna szklanego i bez nich.
- Bezpieczna konstrukcja – mieszanina krzemianu sodu i trocin (lub wiórów drzewnych) jest przydatna pomiędzy podwójną warstwą niektórych sejfów. Dzięki temu są one nie tylko bardziej ognioodporne, ale również trudne do przecięcia palnikiem oksyacetylenowym.
- Garncarstwo – krzemian sodu jest związkiem, który pomaga w odlewaniu slipsów w celu zmniejszenia lepkości i potrzeby dużych ilości wody do upłynnienia gliny. Jest również skuteczny w tworzeniu efektu trzeszczenia w garncarstwie, zwykle wyrzucanym na koła.
- Szkło wodne służy do produkcji kulek lub paczek z żelem krzemionkowym, które służą do ochrony odzieży i elektroniki przed wilgocią.
- Umieszczenie świeżo zniesionych jaj w roztworze szkła wodnego uszczelnia pory jaj przed bakteriami i gazami, dzięki czemu można je stosować do konserwacji jaj, gdy chłodzenie nie jest możliwe.
- Płynne szkło używane jest również do utwardzania sztucznego kamienia. Jest to substancja chemiczna występująca naturalnie w niektórych łaźniach mineralnych, takich jak słynna islandzka Błękitna Laguna.
Jakie jest pH krzemianu sodu?
Wszystkie roztwory krzemianu są alkaliczne. Co więcej, pH dostępnych w handlu roztworów krzemianu waha się od około 10 do 13. Wartość pH spada wraz ze wzrostem zawartości krzemionki. Wartość pH wpływa na stabilność roztworu krzemianu sodu.
W którym kraju produkowana jest największa ilość krzemianu sodu?
Według szacunków Chiny mają być wiodącym rynkiem dla krzemianu sodu w regionie Azji i Pacyfiku. Inne duże kraje, takie jak Indie, Japonia i Korea Południowa również przyczyniają się do wzrostu produkcji na rynku krzemianu sodu.