Natri silicat

Natri silicat
Natri silicat
	Structural formula of polymeric sodium silicate
	Ball and stick model of polymeric sodium silicate
Danh pháp IUPAC	Sodium metasilicate
Tên khác	Liquid glass; Waterglass
Nhận dạng
Viết tắt	E550
Số CAS	6834-92-0
PubChem	23266
Số EINECS	229-912-9
MeSH	Sodium+metasilicate
ChEBI	60720
Số RTECS	VV9275000
Ảnh Jmol-3D	ảnh
SMILES	đầy đủ [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O ;
InChI	đầy đủ 1/2Na.O3Si/c;;1-4(2)3/q2*+1;-2;
Thuộc tính
Công thức phân tử	Na2SiO3
Bề ngoài	White to greenish opaque crystals
Khối lượng riêng	2.61 g/cm³
Điểm nóng chảy	1.088 °C (1.361 K; 1.990 °F)
Điểm sôi
Độ hòa tan trong nước	22.2 g/100 ml (25 °C) ; 160.6 g/100 ml (80 °C)
Độ hòa tan	không hòa tan trong alcohol
Chiết suất (nD)	1.52
Nhiệt hóa học
Enthalpy; hình thành ΔfHo298	−1561.43 kJ/mol
Entropy mol tiêu chuẩn So298	113.71 J/(K·mol)
Nhiệt dung	111.8 J/(K·mol)
Các nguy hiểm
Phân loại của EU	C
NFPA 704	0 2 0
Chỉ dẫn R	R34, R37
Chỉ dẫn S	(S1/2), S13, S24/25, S36/37/39, S45
LD50	1153[cần giải thích] (đường miệng, chuột)
Các hợp chất liên quan
Anion khác	Natri cacbonat
Cation khác	Kali silicat
	Trừ khi có ghi chú khác, dữ liệu được cung cấp cho các vật liệu trong trạng thái tiêu chuẩn của chúng (ở 25 °C [77 °F], 100 kPa). kiểm chứng (cái gì ?) Tham khảo hộp thông tin

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.^[1] 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.^[2] Các tài liệu tham khảo khác về hợp chất silicat của kim loại kiềm được Basil Valentine đưa ra vào năm 1520,^[3] 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.^[4]

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.^[5] 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).^[6]

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.^[7] 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".^[8]

Thuật ngữ "thủy tinh nước" và "thủy tinh hòa tan" được Leopold Wolff sử dụng năm 1846^[9], bởi Émile Kopp năm 1857^[10] và bởi Hermann Krätzer năm 1887^[11].

Tính chất

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.^[12]

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 1100^oC.

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.

${\ce {2x NaOH + SiO2 -> (Na2O)x.SiO2 + x H2O}}$

Natri silicat cũng có thể thu được bằng cách hòa tan SiO₂ (nhiệt độ nóng chảy là 1713^oC) trong natri cacbonat nóng chảy (nóng chảy ở 851^oC).^[13]

${\ce {x Na2CO3 + SiO2 -> (Na2O)x.SiO2 + x CO2}}$

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

${\ce {2x Na2SO4 + x C + 2SiO2 -> 2(Na2O)x.SiO2 + 2x SO2 + x CO2}}$

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.^[14]

${\ce {2NaOH + Si + H2O -> Na2SiO3 + 2H2}}$

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.^[1]

Tham khảo

^ ^a ^b Gerard Lagaly, Werner Tufar, A. Minihan, A. Lovell "Silicates" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2005. doi:10.1002/14356007.a23_661
^ 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)]
^ 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.
^ 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.)
^ 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).
^ (Glauber, 1647), p. 138
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ Emile 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.
^ 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.
^ Christopher Gelpi; Peter Feaver; Jason Reifler (2005). Replication data for: Success Matters: Casualty Sensitivity and the War in Iraq. OCLC 795918959.
^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.
^ 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.

Đọc thêm

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

Liên kết ngoài

[Ullmann-1] Gerard Lagaly, Werner Tufar, A. Minihan, A. Lovell "Silicates" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2005. doi:10.1002/14356007.a23_661

[2] 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)]

[3] 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.

[4] 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.)

[5] 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).

[6] (Glauber, 1647), p. 138

[7] 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.

[8] 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.

[9] 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.

[10] Emile 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.

[11] 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.

[12] Christopher Gelpi; Peter Feaver; Jason Reifler (2005). Replication data for: Success Matters: Casualty Sensitivity and the War in Iraq. OCLC 795918959.

[13] Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

[14] 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.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]