矽酸鈉
矽酸鈉 (Sodium Silicate)
臺北市立第一女子高級中學三年級高穎全/臺北市立第一女子高級中學化學科周芳妃
從十九世紀初期開始，矽酸鈉就開始被應用到許多工業用途，舉凡清潔劑、膠黏劑水泥、陶瓷等材料的添加物或抗腐蝕配方，處處都有矽酸鈉存在。以下簡介矽酸鈉的結構、性質以及目前常見的應用：
（一）矽酸鈉的簡介：
含鈉矽酸鹽通稱矽酸鈉，通式為 $$\mathrm{Na_2(SiO_2)_nO}$$，偏矽酸鈉（sodium mestasilicate，$$\mathrm{Na_2SiO_3}$$）是其中一種常見的化合物，俗稱水玻璃或液態玻璃，有水溶液和固體兩種型態，偏矽酸鈉的純物質呈無色或白色，但是商用樣品會根據所含含鐵雜質的含量而呈綠色或藍色。
矽酸鈉是一種白色粉末，易溶於水、溶於水呈鹼性。與矽酸鈉相關的化合物包括正矽酸鈉 $$(\mathrm{Na_4SiO_4})$$、焦矽酸鈉 $$(\mathrm{Na_6Si_2O_7})$$ 等都是玻璃狀、無色、可溶於水的化合物。
矽酸鈉在鹼性和中性的溶液中較安定；在酸性的溶液中矽酸根離子會和氫離子反應形成矽酸膠體（膠體又稱膠狀分散體，是一種非勻相的均勻混合物），矽酸膠體加熱烘烤後會形成矽膠（白色或透明的多孔狀固體，可作為乾燥劑）。
矽酸鈉可用於加工水泥、製造被動消防設施、紡織品染劑固定劑、耐火磚及木材的加工等。
（二）製造矽酸鈉的反應通式：碳酸鈉和二氧化矽混合加熱
$$\mathrm{Na_2CO_3+x~SiO_2\rightarrow (Na_2O)\cdot(SiO_2)_x+CO_2}$$
例：偏矽酸鈉
$$\mathrm{Na_2CO_3+SiO_2\rightarrow Na_2SiO_3+CO_2}$$
（三）無水矽酸鈉與水合矽酸鈉的比較：
$$(1)$$ 無水的矽酸鈉 $$\mathrm{(Na_2SiO_3)}$$ 包含由 $$\mathrm{[SiO_4]^{4-}}$$ 四面體陰離子單元所組成的鏈狀聚合物，並非由離散的 $$\mathrm{{SiO_3}^{2-}}$$ 離子所組成。
圖一、四面體結構
$$(2)$$ 水合狀態的矽酸鈉 $$\mathrm{(Na_2SiO_3\cdot nH_2O)}$$ 則是由離散的離子、水合水分子所組成
例：商用的五水矽酸鈉 $$\mathrm{(Na_2SiO_3\cdot 5H_2O)}$$ 九水矽酸鈉 $$\mathrm{(Na_2SiO_3\cdot 9H_2O)}$$
圖二、九水矽酸鈉 $$\mathrm{(Na_2SiO_3\cdot 9H_2O)}$$
（四）矽酸鈉的分類：
工業上的矽酸鈉依照成分中二氧化矽和氧化鈉的重量比 $$\mathrm{(SiO_2:Na_2O)}$$ 分類，二氧化矽和氧化鈉的重量比通常介於 $$2:1$$ 到 $$3.75:1$$ 之間，期中比例低於 $$2.85:1$$ 的矽酸鈉稱為鹼性矽酸鈉；高於 $$2.85:1$$ 的矽酸鈉則稱為中性矽酸鈉。
（五）商用矽酸鈉的生產：
- 液相反應
由氫氧化鈉、石英砂和水組成的混合物被放置在混料曹中送入反應器(引入蒸氣)，反應式如下。
$$\mathrm{n~SiO_2+2NaOH\rightarrow Na_2O\cdot nSiO_2+H_2O}$$ - 固相反應(熱加工)
固相反應的原料為石英砂及任何碳酸鈉或硫酸鈉，將原料送入反射爐加熱，反應式如下。(反射爐為一種室式火焰爐，主要藉助爐頂、爐壁和熾熱氣體的輻射傳熱。)
$$\mathrm{Na_2CO_3+x~SiO_2\rightarrow (Na_2O)\cdot(SiO_2)_x+CO_2}$$
$$\mathrm{2Na_2SO_4+C+2SiO_2\rightarrow 2Na_2SiO_3+2SO_2+CO_2}$$
（六）矽酸鈉的用途：
- 混凝土加工：
用矽酸鈉溶液處理混凝土能夠有效降低磚石產品的孔隙率，且混凝土中所含的過量氫氧化鈉將與矽酸鈉發生化學反應、使其永久與混凝土的表面結合，讓混凝土更佳耐用及防水。加工後形成的該塗層稱為矽酸鹽礦物顏料。 - 汙水處理：
偏矽酸鈉藉由結合膠體分子、形成較大的聚集體沉澱到水體底部，在汙水處理廠中做為凝固劑使用。 - 耐火材料：
偏矽酸鈉是很好的固體黏著劑，可用於黏合蛭石、珍珠岩等材料，製造高溫絕熱建材。若將偏矽酸鈉與蛭石粉末混合，則可以製造高溫黏著劑。偏矽酸鈉的價格低廉且方便取得，所以廣泛地被運用在製造耐火材料。 - 食品保鮮：
當新鮮的雞蛋被浸泡在矽酸鈉水溶液中，矽酸鈉水溶液將隔絕會使雞但腐壞的細菌同時留住雞蛋的水份，這個做法可以讓雞蛋保鮮長達五個月左右，而在烹煮被以此種方式保存的雞蛋前，必須先用針將蛋殼戳破、使蒸氣逸出，因為浸泡過矽酸鈉水溶液的蛋殼不具有透氣的小孔。
參考資料
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