Metasilicat de sodi

Metasilicat de sodi

Substància química	tipus d'entitat química
Massa molecular	121,941 Da
Estructura química
Fórmula química	Na₂O₃Si
SMILES canònic	Model 2D [O-][Si](=O)[O-].[Na+].[Na+]
Identificador InChI	Model 3D
NFPA 704: Standard System for the Identification of the Hazards of Materials for Emergency Response ()

El metasilicat de sodi és un compost inorgànic constituït per cations sodi ${\displaystyle {\ce {Na+}}}$ i anions metasilicat ${\displaystyle {\ce {SiO3^2-}}}$, la qual fórmula química és ${\displaystyle {\ce {Na2SiO3}}}$. El metasilicat de sodi és una substància sòlida en pols o en escates, incolora, soluble en aigua. Solidifica en forma de cristalls o en forma de sòlid amorf soluble en aigua a alta temperatura i pressió. És irritant fort per a la pell, els ulls i les mucoses. Pot ser tòxic per ingestió. Les seves dissolucions aquoses concentrades són utilitzades com a cola.

Els silicats solubles alcalins (vidre soluble), entre els quals hi ha el metasilicat de sodi, són actualment uns dels composts químics amb major volum de producció mundial. Ja eren coneguts des de l'antiguitat i algunes fonts informen que ja podrien haver estat produïdes pels antics egipcis fa més de 5 000 anys a través de la fusió de sorra de sílice (diòxid de silici ${\displaystyle \mathrm {SiO_{2}} }$) i sosa natural (carbonat de sodi ${\displaystyle \mathrm {Na_{2}CO_{3}} }$). Famosa és una anècdota recollida a la Naturalis Historia de Plini el Vell (24-79) en què s'explica la producció accidental d'un got soluble per part d'uns mariners fenicis. Aquests desembarcaren en una costa de sorra de diòxid de silici del riu Belus (ara Na'aman), al nord de l'actual Israel, i van utilitzar un bloc de carbonat de sodi dels que transportaven com a suport per cuinar el menjar. La calor del foc va provocar la reacció entre el carbonat de sodi i la sorra silícica i la consegüent formació del vidre. Tanmateix, no hi ha proves que aquest fet fos el del descobriment del vidre.^[1][2]

Els silicats solubles també foren identificats i explotats per alguns alquimistes del segle xvii, tal com es descriu en els treballs de Georgius Agricola (1490-1555) i de Johann Rudolph Glauber (1604-1670). Però només amb els estudis i la producció industrial del segle xix es desenvolupà aquesta categoria de compostos nombroses aplicacions que encara impliquen pràcticament tots els objectes de la nostra vida quotidiana. Les primeres aplicacions industrials del silicat de sodi van començar a la segona meitat del 1800 tant a Europa com als Estats Units d'Amèrica, basant-se en estudis realitzats sistemàticament des de 1818 per Johann Nepomuk von Fuchs (1774-1856), professor de mineralogia a Múnic.^[2]

El metasilicat de sodi es pot obtenir fent reaccionar fusos carbonat de sodi ${\displaystyle {\ce {Na2CO3}}}$ i diòxid de silici ${\displaystyle {\ce {SiO2}}}$ a una temperatura d'uns 1 400 °C i en les proporcions estequiomètriques.^[3] Es desprèn diòxid de carboni. La reacció és:^[4]

$${\displaystyle {\ce {Na2CO3 + SiO2 -> Na2SiO3 + CO2}}}$$

En aquest mètode es preparen quantitats estequiomètriques d'hidròxid de sodi ${\displaystyle {\textrm {NaOH}}}$ en dissolució i de silicat de tetraetil ${\displaystyle \mathrm {Si(OC_{2}H_{5})_{4}} }$. La reacció que té lloc es pot representar com:

$${\displaystyle {\ce {2NaOH + Si(OC2H5)4 + 12 O2 -> Na2SiO3 + 8 CO2 + 11 H2O}}}$$

Seguidament, s'ha d'escalfar per evaporar l'aigua i obtenir el metasilicat de sodi.^[4]

El metasilicat de sodi és un compost sòlid incolor, higroscòpic, que cristal·litza en el sistema ortoròmbic. La seva densitat és 2,614 g/cm³ i punt de fusió de 1 089 °C. És molt soluble en aigua (210 g/L a 20 °C), però no en alcohols ni àcids. La seva solució aquosa és alcalina (pH = 12,7 per a una dissolució de l'1 % en pes).^[5] Té dos hidrats, el pentahidrat ${\displaystyle {\ce {Na2SiO3.5H2O}}}$ és de color blanc, una densitat d'1,75 g/cm³, un punt de fusió de 72,2 °C i una solubilitat en aigua de 610 g/L a 30 °C; i el nonahidrat ${\displaystyle {\ce {Na2SiO3.9H2O}}}$, que cristal·litza en el sistema ortoròmbic, fon a 47,8 °C en l'aigua de cristal·lització i bull a 100 °C.^[6]

El metasilicat de sodi solidifica com un vidre de la massa fosa. Aquests sòlids amorfs són essencialment anhidres i es diferencien dels vidres normals pel fet que són solubles en aigua a temperatura i pressió elevades que condueixen a solucions de silicat. L'estructura cristal·lina del metasilicat de sodi es basa en cadenes paral·leles. El lligam entre les cadenes és proporcionat per àtoms de sodi que estan envoltats per cinc anions d'oxigen en forma de bipiràmides trigonals distorsionades. Hi ha una transició de fase a 850 K amb un canvi del sistema ortoròmbic, grup espacial Cmc2₁, al monoclínic. El ${\displaystyle {\ce {Na2SiO3}}}$ és un dels rars exemples en què la modificació a alta temperatura té una simetria inferior en comparació amb la fase estable a temperatures ambientals.^[7]

El mercat mundial de metasilicat de sodi anhidre se situà al voltant de 900 mil tones el 2021 i s'espera que creixi a una taxa de creixement anual composta (CAGR) del 4,92 % en el període de previsió fins al 2035. Segons el consum per regions, la regió Àsia-Pacífic té la major part de la demanda mundial de metasilicat de sodi anhidre, seguida de la regió Orient Mitjà i Àfrica. El 2021, la regió Àsia-Pacífic va consumir aproximadament el 50 % del mercat mundial. Es preveu que el creixement dels detergents per a la roba amb la disminució de la preocupació per la higiene en països en desenvolupament com l'Índia i la Xina augmenti la demanda de metasilicat de sodi anhidre en els anys vinents. A més, la Xina lidera com a productora d'aquest producte químic a causa de la presència de nombroses plantes de fabricació ubicades en aquesta regió.^[8]

Segons la indústria de l'usuari final, el mercat global de metasilicat de sodi anhidre està segmentat en detergents, ceràmica, tèxtils, producció de paper, tractament d'aigua i altres. Entre aquests, la indústria dels detergents domina el mercat de metasilicat de sodi anhidre. El 2021, aquesta indústria va mostrar un consum de gairebé el 40 % del mercat global. La demanda de metasilicat de sodi anhidre ha augmentat com a resultat del seu ús extensiu en la formulació de detergents que s'utilitzen amb freqüència en la neteja comercial, el rentatge de tèxtils, el blanqueig de pasta de paper i el blanqueig de cotó. A més, les indústries ceràmica i tèxtil també tenen quotes de mercat considerables, la primera del 15 % i la segona del 10 %.^[8]

A causa de la combinació d'excel·lents propietats, incloses les bones propietats emulsionants i de suspensió, juntament amb l'alcalinitat de reserva, el metasilicat de sodi troba usos en sabons i detergents, inclosos els emprats als rentaplats.^[9]

Un dels usos principals del metasilicat de sodi és a la indústria de la pasta de cel·lulosa i del paper. El 2021 representà un 10 % del consum de metasilicat de sodi.^[8] S'utilitza en el dimensionament i el revestiment del paper. També es fa servir, juntament amb peròxid d'hidrogen, en el procés de blanqueig de la cel·lulosa, en el qual actua com a agent amortidor i estabilitzador.^[9]

Amb la pèrdua d'una mica d'aigua, el metasilicat de sodi es converteix en un excel·lent ciment o unió, especialment per a aplicacions a temperatures més altes o aplicacions que impliquin exposició a aigua o àcids.^[9]

La temperatura elevada és la clau de la utilitat del metasilicat de sodi en aplicacions automotrius. Les fuites de les juntes del cap es poden reparar posant metasilicat de sodi a l'aigua del refrigerant. L'aigua circula i algunes passen pel forat de la junta. La temperatura elevada de la junta canvia el metasilicat de sodi a la superfície del metall, produint una pel·lícula que segella la fuita. El metasilicat de sodi també s'utilitza per fer petites reparacions en els silenciadors.^[9]

Històricament, els ous s'han conservat per immersió en una solució de silicat de sodi. Aquesta solució segella els ous, preservant-los així dels bacteris, cosa que provoca el deteriorament. El revestiment conserva els ous durant diversos mesos.^[10]

El 1646, el químic Johann Rudolph Glauber (1604-1670) publicà Furni Novi Philosophici 'Nous forns filosòfics', un llibre de text de la nova ciència de la química. En ell, entre moltes altres tècniques experimentals, parla que si es posa un metall dins d'una dissolució aquosa de metasilicat de sodi comença a créixer en forma de plantes i arbres, cada metall segons el seu color i propietats. Anomena a aquestes vegetacions metàl·liques arbres filosòfics. Un bon grapat de científics realitzaren posteriorment estudis d'aquestes formacions. Durant el segle xx, els anomenats jardins químics, que contenen diversos ions de metalls de transició i metasilicat de sodi s'empraven a les llars amb finalitats d'oci i decoració.^[11]

En molts experiments de jardineria química, l'estructura es forma quan una «llavor» sòlida d'un compost iònic soluble es dissol en una solució que conté un altre ió reactiu. La llavor sòlida pot ser un monocristall, però igualment pot ser un agregat policristal·lí amb qualsevol mida de cristalls constituents.^[11]

En les primeres etapes de la dissolució de les llavors, els cations metàl·lics (M) reaccionen fàcilment amb el metasilicat de sodi en dissolució formant els corresponents metasilicats d'aquests cations. Això condueix a la formació d'una membrana col·loïdal al voltant de la llavor.^[11]

$${\displaystyle {\ce {M^{2\!+}(aq) + Na2SiO3(aq) -> 2Na+(aq) + MSiO3(s)}}}$$

La membrana semipermeable restringeix l'intercanvi d'ions i molècules entre el metasilicat circumdant i la llavor. Així, es forma una membrana semipermeable entre la solució interna i la solució externa. Cal tenir en compte que aquesta semipermeabilitat generalment no és absoluta; una membrana real gairebé mai és perfectament semipermeable. Com que la solució interna manté la seva alta concentració fins que la llavor es dissol completament, s'imposa una pressió osmòtica a través de la membrana que s'allibera per ruptura, i la membrana es cura constantment a través del front entre els diferents fluids. Les forces de flotabilitat fan que la solució interna flueixi cap amunt, i la membrana es trenca i torna a precipitar contínuament en aquesta interfície de fluid.^[11]

La solució interna té un pH més baix que la solució externa. Aleshores, quan ambdues solucions estan en contacte, el metasilicat de la solució externa precipita quan es troba amb el medi de pH més baix. Els cations metàl·lics (M) de la solució interna precipitaran a la part interna de la paret quan es trobin amb el pH alt de la solució externa, formant, per exemple, hidròxids metàl·lics:

$${\displaystyle {\ce {M^{2\!+}(aq) + 2 OH^{-}(aq) -> M(OH)2(s)}}}$$

Juntament amb els processos esmentats anteriorment, els passos de reacció anteriors condueixen a gradients de concentració pronunciats i possiblement fins i tot a una capificació dels constituents de la paret dins de l'estructura tubular. A mesura que creix, la membrana adquireix una morfologia clàssica de jardí químic; l'estructura s'estén cap amunt (amb algunes desviacions laterals) des de la llavor de sal metàl·lica amb un gradient composicional característic: una capa més rica en silicats a l'exterior i una capa més rica en metalls a l'interior. Els jardins químics es poden generar d'aquesta manera utilitzant una varietat de sòlids o fluids diferents.^[11]

Els metasilicats de sodi són alcalins, és a dir, tenen un pH elevat, que normalment oscil·la entre 12,4 i 12,7. Aquesta propietat fa que el metasilicat de sodi irriti la pell, les mucoses i els ulls. El contacte amb els ulls pot causar irritació severa, dolor i cremades corneals que poden provocar ceguesa. El contacte directe amb la pell pot causar irritació. La inhalació de pols de metasilicats de sodi pot provocar irritació de les vies respiratòries amb símptomes com tos, asfixia i dolor. La ingestió de metasilicat de sodi és poc probable; tanmateix, si s'ingereix, pot causar dolor i cremades de l'esòfag i del tracte gastrointestinal amb vòmits, nàusees i diarrea. No es coneixen riscos crònics associats als metasilicats de sodi. No està classificat com a cancerigen.^[12]

Si s'allibera a l'aigua, el metasilicat de sodi inicialment s'enfonsarà i es barrejarà amb aigua. Com que els metasilicats de sodi tenen un pH elevat, poden ser tòxics aguts. Els metasilicats de sodi han mostrat una toxicitat moderada per als organismes aquàtics i una lleu toxicitat per als organismes terrestres. El material diluït es descompondrà per convertir-se en sílice que no és diferent de la sílice dissolta natural. La sílice no es bioconcentra a la cadena alimentària.