silicato de sodio

El silicato de sodio se puede producir como parte de la producción de hidrógeno disolviendo ferrosilicio en una solución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH·H _{2 O):} ^{[ 4 ]}

2NaOH + Si + H ₂ O → Na ₂ SiO ₃ + 2H ₂

Aunque no es rentable, el Na ₂ SiO ₃ es un subproducto del proceso Bayer que a menudo se convierte en silicato de calcio (Ca ₂ SiO ₄ ).

Las propiedades adhesivas del silicato de sodio se observaron ya en la década de 1850 ^{[ 5 ]} y se han utilizado ampliamente al menos desde la Primera Guerra Mundial . ^{[ 6 ]} La principal aplicación de las soluciones de silicato de sodio es como cemento para la producción de cartón . ^{[ 1 ]} Cuando se utiliza como cemento para papel, la unión de silicato de sodio tiende a agrietarse en pocos años, momento en el que deja de mantener unidas las superficies de papel.

Las soluciones de silicato de sodio también pueden usarse como una capa adhesiva de centrifugación para unir vidrio con vidrio ^{[ 7 ]} o una oblea de silicio cubierta con dióxido de silicio entre sí. ^{[ 8 ]} La unión de vidrio con vidrio mediante silicato de sodio tiene la ventaja de ser una técnica de unión a baja temperatura, a diferencia de la unión por fusión. ^{[ 7 ]} También requiere menos procesamiento que la unión anódica de vidrio con vidrio, ^{[ 9 ]} que requiere una capa intermedia como el nitruro de silicio (SiN) para actuar como barrera de difusión para los iones de sodio. ^{[ 9 ]} La deposición de dicha capa requiere un paso de deposición química en fase vapor a baja presión. ^{[ 9 ]} Sin embargo, una desventaja de la unión con silicato de sodio es que es muy difícil eliminar las burbujas de aire. ^{[ 8 ]} Esto se debe en parte a que la técnica no requiere vacío y tampoco utiliza asistencia de campo como en la unión anódica. ^{[ 10 ]} Esta falta de asistencia de campo a veces puede ser beneficiosa, porque la asistencia de campo puede proporcionar una atracción tan alta entre las obleas que dobla una oblea más delgada y colapsa ^{[ 10 ]} sobre la cavidad nanofluídica o los elementos MEMS.

El silicato de sodio se puede utilizar para diversas pinturas y recubrimientos, como los que se usan en varillas de soldadura . Estos recubrimientos se pueden curar de dos maneras. Un método consiste en calentar una capa delgada de silicato de sodio hasta convertirla en gel y luego en una película dura. Para que el recubrimiento sea resistente al agua, se necesitan altas temperaturas de 100 °C (212 °F; 373 K) . ^{[ 2 ]} La temperatura se eleva lentamente a 150 °C (302 °F; 423 K) para deshidratar la película y evitar la formación de vapor y ampollas. El proceso debe ser relativamente lento, pero se pueden usar lámparas infrarrojas al principio. ^{[ 2 ]} En el otro método, cuando las altas temperaturas no son prácticas, la resistencia al agua se puede lograr mediante productos químicos (o ésteres ), como ácido bórico , ácido fosfórico , fluorosilicato de sodio y fosfato de aluminio . ^{[ 2 ]} Antes de la aplicación, se mezcla una solución acuosa de silicato de sodio con un agente de curado. ^{[ 2 ]}      

Se utiliza en auxiliares de detergentes como el disilicato de sodio complejo y el disilicato de sodio modificado. Los gránulos de detergente adquieren su robustez gracias a un recubrimiento de silicatos. ^{[ 1 ]}

El silicato de sodio se utiliza como coagulante de alumbre y floculante de hierro en plantas de tratamiento de aguas residuales . El silicato de sodio se une a las moléculas coloidales , creando agregados más grandes que se depositan en el fondo de la columna de agua. Las partículas microscópicas con carga negativa suspendidas en el agua interactúan con el silicato de sodio. Su doble capa eléctrica colapsa debido al aumento de la fuerza iónica causado por la adición de silicato de sodio (un anión con doble carga negativa acompañado de dos cationes de sodio) y posteriormente se agregan. Este proceso se denomina coagulación . ^{[ 1 ]}

Se utiliza como aglutinante de la arena en la fundición en arena de todos los metales comunes. Permite la producción rápida de un molde o núcleo resistente mediante tres métodos principales.

• El método 1 requiere hacer pasar dióxido de carbono a través de la mezcla de arena y silicato de sodio en la caja de moldeo o caja de machos. El dióxido de carbono reacciona con el silicato de sodio para formar gel de sílice sólido y carbonato de sodio. Esto proporciona la resistencia adecuada para retirar la pieza de arena endurecida del molde. Se obtiene resistencia adicional a medida que el silicato de sodio que no ha reaccionado en la pieza de arena se deshidrata.
• El método 2 requiere añadir un éster (producto de la reacción de un ácido y un alcohol) a la mezcla de arena y silicato de sodio antes de introducirla en la caja de moldeo o caja de machos. Al hidrolizarse el éster del agua presente en el silicato de sodio líquido, se libera un ácido que provoca la gelificación del silicato. Una vez formado el gel, se deshidrata hasta convertirse en una fase vítrea por sinéresis . Entre los ésteres más utilizados se encuentran los ésteres de acetato de glicerol y etilenglicol, así como los ésteres de carbonato de propilenglicol y etilenglicol. Cuanto mayor sea la solubilidad en agua del éster, más rápido se endurecerá la arena.
• El método 3 requiere energía de microondas para calentar y deshidratar la mezcla de arena y silicato de sodio en la caja de moldeo o caja de machos. Para que funcione correctamente, las herramientas de conformado deben pasar por microondas. Debido a su alta constante dieléctrica, el silicato de sodio absorbe la energía de microondas con gran rapidez. Se pueden producir piezas de arena completamente deshidratadas en un minuto de exposición a las microondas. Este método produce piezas de arena unidas con silicato de sodio de máxima resistencia.

Dado que el silicato de sodio no se quema durante el vertido (de hecho, puede fundirse a temperaturas superiores a  982  °C), es común añadir materiales orgánicos para facilitar la descomposición de la arena tras el vertido. Entre estos aditivos se incluyen azúcar, almidón, carbones, harina de madera y resinas fenólicas.

El silicato de sodio es un aglutinante útil para sólidos como la vermiculita y la perlita . Al mezclarse con esta última fracción ligera, el silicato de sodio se puede utilizar para fabricar paneles aislantes duros de alta temperatura, empleados en refractarios, protección pasiva contra incendios y aislamientos térmicos, como en aplicaciones de aislamiento de tuberías moldeadas. Al mezclarse con polvos minerales finamente divididos, como el polvo de vermiculita (un residuo común del proceso de exfoliación), se pueden producir adhesivos de alta temperatura. La intumescencia desaparece en presencia de polvo mineral finamente dividido, convirtiéndose el silicato de sodio en una simple matriz. El silicato de sodio es económico y abundante, lo que lo hace popular en numerosas aplicaciones refractarias.

El silicato de sodio se utiliza como defloculante en barbotinas, ayudando a reducir la viscosidad y la necesidad de grandes cantidades de agua para licuar la arcilla. También se emplea para crear un efecto craquelado en cerámica, generalmente torneada. Se moldea un jarrón o botella en el torno, de forma estrecha y con paredes gruesas. Se aplica silicato de sodio con un pincel sobre una sección de la pieza. Tras cinco minutos, se estira la pared hacia afuera con una espátula o con la mano. El resultado es un aspecto arrugado o agrietado.

También es el agente principal del "agua mágica", que se utiliza para unir piezas de arcilla, especialmente si el nivel de humedad de ambas difiere. ^{[ 11 ]}

La solución de silicato de sodio se utiliza como fijador para el teñido a mano con tintes reactivos que requieren un pH elevado para reaccionar con la fibra textil. Después de aplicar el tinte a un tejido a base de celulosa, como algodón o rayón, o a la seda, se deja secar. Posteriormente, se aplica el silicato de sodio sobre el tejido teñido, se cubre con plástico para retener la humedad y se deja reaccionar durante una hora a temperatura ambiente. ^{[ 12 ]}

El silicato de sodio se utiliza, junto con el silicato de magnesio , en la pasta de reparación y montaje de silenciadores . El silicato de magnesio se puede mezclar con una solución de silicato de sodio para formar una pasta espesa y fácil de aplicar. Cuando el sistema de escape de un motor de combustión interna alcanza su temperatura de funcionamiento , el calor expulsa el exceso de agua de la pasta. Los compuestos de silicato restantes tienen propiedades vítreas, lo que permite una reparación temporal y frágil que puede reforzarse con fibra de vidrio.

El silicato de sodio se puede usar para rellenar huecos en la junta de culata de un motor. Esto es especialmente útil para las culatas de aleación de aluminio , que son sensibles a la deformación superficial inducida térmicamente. El silicato de sodio se añade al sistema de refrigeración a través del radiador y se deja circular. Cuando el silicato de sodio alcanza su temperatura de "conversión" de 100–105 °C (212–221 °F) , pierde moléculas de agua y forma un sello de vidrio con una temperatura de refundición superior a 810 °C (1490 °F) . Esta reparación puede durar dos años o más, y los síntomas desaparecen instantáneamente. Sin embargo, esta reparación solo funciona cuando el silicato de sodio alcanza su temperatura de "conversión". Además, la contaminación de los lubricantes con silicato de sodio (partículas de vidrio) es perjudicial para su funcionamiento, y la contaminación del aceite del motor es una posibilidad grave en situaciones en las que existe una fuga de refrigerante al aceite.    

La solución de silicato de sodio se utiliza para inutilizar motores de automóviles de forma económica, rápida y permanente. Hacer funcionar un motor con medio galón estadounidense (o aproximadamente dos litros) de solución de silicato de sodio en lugar de aceite de motor provoca la precipitación de la solución , dañando catastróficamente los cojinetes y pistones del motor en cuestión de minutos. ^{[ 13 ]} En Estados Unidos, este procedimiento se utilizó para cumplir con los requisitos del programa CARS (Car Allowance Rebate System) . ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Se ha utilizado una mezcla de silicato de sodio y serrín entre las dos capas de la doble pared de ciertas cajas fuertes . Esto no solo las hace más resistentes al fuego , sino que también dificulta enormemente abrirlas con un soplete de oxiacetileno debido al humo que emiten.

El silicato de sodio se usa frecuentemente en fluidos de perforación para estabilizar las paredes de los pozos y evitar su colapso . Es particularmente útil cuando los pozos atraviesan formaciones arcillosas que contienen minerales de arcilla expansivos como la esmectita o la montmorillonita .

El hormigón tratado con una solución de silicato de sodio ayuda a reducir la porosidad en la mayoría de los productos de mampostería , como hormigón , estuco y yeso . Este efecto contribuye a reducir la penetración del agua, pero no tiene ningún efecto conocido sobre la reducción de la transmisión y emisión de vapor de agua. ^{[ 15 ]} Se produce una reacción química con el exceso de Ca(OH) _₂ ( portlandita ) presente en el hormigón que une permanentemente los silicatos a la superficie, haciéndolos mucho más duraderos e hidrófugos. Este tratamiento generalmente se aplica solo después de que se haya producido el curado inicial (aproximadamente siete días, dependiendo de las condiciones). Estos recubrimientos se conocen como pintura mineral de silicato . A continuación se muestra un ejemplo de la reacción del silicato de sodio con el hidróxido de calcio presente en el hormigón para formar gel de silicato de calcio hidratado (CSH), el producto principal del cemento Portland hidratado. ^{[ 16 ]}

N / A₂ SiO₃ +y H₂ O+x Ca(OH)₂ →x CaO.SiO_2.y H₂ O+2NaOH

Cuando se dejan caer cristales de diversas sales metálicas en una solución de silicato de sodio, se forman estalagmitas simples o ramificadas de silicatos metálicos de colores. Este fenómeno ha sido utilizado por fabricantes de juguetes y kits de química para brindar entretenimiento educativo a muchas generaciones de niños desde principios del siglo XX hasta la actualidad. Una de las primeras menciones de cristales de sales metálicas que forman un " jardín químico " en silicato de sodio se encuentra en la revista Modern Mechanix de 1946. ^{[ 17 ]} Las sales metálicas utilizadas incluían sulfatos y/o cloruros de cobre, cobalto, hierro, níquel y manganeso.

Se inyectó silicato de sodio con aditivos en el suelo para endurecerlo y así evitar más fugas de agua altamente radiactiva de la central nuclear de Fukushima Daiichi en Japón en abril de 2011. ^{[ 18 ]} El calor residual transportado por el agua utilizada para enfriar los reactores dañados aceleró el fraguado de la mezcla inyectada.

El 3 de junio de 1958, el USS Nautilus , el primer submarino nuclear del mundo, visitó Everett y Seattle. En Seattle, se envió a tripulantes vestidos de civil a comprar en secreto 140 cuartos (160 litros) de un producto automotriz que contenía silicato de sodio (originalmente identificado como Stop Leak) para reparar una fuga en el sistema del condensador. El Nautilus se dirigía al Polo Norte en una misión ultrasecreta para cruzarlo sumergido. ^{[ 19 ]}

Un uso histórico de las propiedades adhesivas de los silicatos de sodio es la producción de cartuchos de papel para revólveres de pólvora negra fabricados por Colt's Manufacturing Company entre 1851 y 1873, especialmente durante la Guerra Civil Estadounidense . El silicato de sodio se utilizaba para sellar papel nitrado combustible y formar un cartucho cónico que contenía la pólvora negra, así como para cementar la bala de plomo o el proyectil cónico en el extremo abierto del cartucho. Estos cartuchos de papel cementados con silicato de sodio se insertaban en los cilindros de los revólveres, acelerando así la recarga de los revólveres de pólvora negra de percusión. Este uso terminó en gran medida con la introducción de los revólveres Colt que empleaban cartuchos con casquillo de latón a partir de 1873. ^{[ 20 ] [ 21 ]} De manera similar, el silicato de sodio también se utilizaba para cementar el taco superior de los cartuchos de escopeta de latón , eliminando así la necesidad de un engaste en la parte superior del cartucho para mantenerlo unido. La recarga de cartuchos de escopeta de latón era una práctica común entre los agricultores estadounidenses autosuficientes durante la década de 1870, quienes utilizaban el mismo material de silicato de sodio que se empleaba para conservar huevos. Para fijar el taco superior al cartucho, se aplicaban de tres a cinco gotas de silicato de sodio sobre este para asegurarlo a la vaina de latón. Las vainas de latón para cartuchos de escopeta fueron reemplazadas por vainas de papel alrededor de 1877. Los nuevos cartuchos de papel utilizaban un engaste enrollado en lugar de una unión con silicato de sodio para sujetar el taco superior. Sin embargo, mientras que los cartuchos de latón con tacos superiores cementados con silicato de sodio podían recargarse casi indefinidamente (siempre que se dispusiera de pólvora, taco y perdigones), las vainas de papel que reemplazaron a las de latón solo podían recargarse unas pocas veces.

El silicato de sodio y otros silicatos son los componentes principales de las cremas antiarrugas de efecto inmediato, que tensan temporalmente la piel para minimizar la apariencia de arrugas y bolsas debajo de los ojos. Estas cremas, al aplicarse en una capa fina y dejar secar durante unos minutos, pueden ofrecer resultados espectaculares. Este efecto no es permanente, sino que dura desde unos minutos hasta un par de horas. Funciona como un cemento líquido: una vez que el músculo comienza a moverse, se agrieta y deja residuos blancos en la piel.

El silicato de sodio (vidrio soluble) se ha utilizado con gran éxito como conservante de huevos, principalmente cuando no se dispone de refrigeración. Los huevos recién puestos se sumergen en una solución de silicato de sodio. Tras la inmersión, se retiran y se dejan secar. Queda una capa hermética permanente sobre los huevos. Si se almacenan en un ambiente adecuado, se evita la entrada de la mayoría de las bacterias que, de otro modo, causarían su deterioro, y se conserva su humedad. Según la fuente citada, los huevos tratados con este método pueden mantenerse frescos hasta cinco meses. Al hervir los huevos conservados de esta manera, la cáscara deja de ser permeable al aire y el huevo tiende a agrietarse a menos que se haga un agujero en la cáscara (por ejemplo, con un alfiler) para permitir la salida del vapor. ^{[ 22 ]}

Las propiedades floculantes del silicato de sodio también se utilizan para clarificar el vino y la cerveza mediante la precipitación de partículas coloidales. Sin embargo, como agente clarificante, el silicato de sodio a veces se confunde con la cola de pescado , que se prepara a partir del colágeno extraído de las vejigas natatorias secas del esturión y otros peces. ^{[ 23 ]}

El gel de silicato de sodio también se utiliza como sustrato para el crecimiento de algas en criaderos de acuicultura . ^{[ 24 ]}