硅酸钠
硅酸钠（钠 Silicates），一种常见的无机化合物，可溶性无机硅酸盐，其分子结构可以写为Na₂O·nSiO₂，其中n为模数。其水溶液俗称水玻璃和泡花碱。。硅酸钠是一种以粉末状或片状形式存在的可溶性硅酸盐，是由碱金属氧化物与二氧化硅（SiO₂）组合成的金属硅酸盐物质，具有较高的热稳定性，可承受高达1100 ℃的高温。
硅酸钠无毒、不易燃、不易挥发，易硬化、碱性强、具有腐蚀性。工业硅酸钠的常用制备方法有干法和湿法两种。其作为基材、中间体或载体可应用于化工、食品、冶金、油田钻井、机械铸造、纺织、建筑和农业等诸多行业领域。
发现及研究历史
硅酸钠矿物最初通过在近地平线中蒸发高碱性间接盐水形成，最常见的原始硅酸钠是麦羟硅钠石（magadiite）、水羟硅钠石（kenyaite）和水硅钠石（kanemite），其分子结构式分别为NaSi₇O₁₃(OH)₃·3H₂O、NaHSi₂O₄(OH)₂·2H₂O和NaSi₁₁O₂₀.₅(OH)₄·3H₂O。
硅酸钠的工业发展始于19世纪初，德国率先使用原料为碳酸钠与石英砂，经熔化、冷却及粉碎工艺后生产出可溶于水的硅酸钠。当时的欧洲利用硅酸钠的三个主要用途是：对窗帘加工处理以降低其可燃性；土工织物制造中作为粪便代替物以及生产条形肥皂。到19世纪中叶时期，德国研究员瓦克尔（Walcker）、法国研究员库尔曼（Kuhlmann）和英国研究员哥萨奇（Gossage）研究并成功生产了数种硅酸盐。在美国，进口的硅酸盐也被用作大炮和处理木制码头的防腐涂层。
南北战争期间，为使用硅酸钠替代洗衣皂中的松香，北美地区开始进行硅酸钠的大规模商业生产。硅酸钠是强碱弱酸的无定形聚合物盐，提供了高碱性溶液，使其成为制作棒皂和生产后来的洗涤剂的主要成分。硅酸钠商业可用性的增加主要基于其物理性质，即高浓度硅酸钠溶液的玻璃性质使其成为有效的粘合剂。后来硅酸钠还用于制造硅质材料的可溶性硅酸盐，包括碱性合成颜料、填料、凝胶、粘土和沸石。彼时，硅酸盐原料被视为增值砂。
目前使用现代分析技术，含有聚合硅酸钠物质的溶液的结构和化学性质得到了更好的表征，这种对硅酸钠专业知识的进一步了解有助于在当前硅酸钠市场的进一步发展以及开发新的市场。
物质结构
分子结构
在形成可溶性硅酸钠时，Na⁺和O²⁻被引入石英网络中，破坏硅氧烷键硅\u0004\u0004O-\u0004\u0004Si，形成SiO\u0004⁻位点，即非桥接氧原子。Na⁺被认为不均匀地分布在无规则的二氧化硅网络的间隙中。它们产生富含SiO₂聚合物的区域和其他富含阳离子的区域。SiO₂/Na₂O比例为1的熔体或玻璃，即偏硅酸钠，具有高比例的（SiO₂³⁻）n链。
Si与O在原子结合成键时，Si原子外层3S电子受激发跃迁到3P空轨道上进行等性杂化，形成四个键能、键角及电子自旋方向都相等的SP³杂化轨道。将杂化轨道和未杂化轨道进行比较，电子云在空间的伸展方向发生了变化，相应的电子云分布会更集中，更有利于满足轨道最大程度的重叠。所以，杂化轨道的成键能力强于未杂化的各类原子轨道的成键能力，这是水溶液硅酸钠分子结构的特殊性之一。
四个SP³杂化轨道与四个O原子的未成对电子以δ键的形式相结合形成共价键，同时因为O原子的电负性很大，所形成的Si-O键为极性共价键，氧原子的一边带负电荷，与Na⁺以离子键的形式相结合。
空间几何构型
硅酸钠由单硅酸（正硅酸）离子SiO₄⁴⁻组成，Si-O键的成键特性决定了其空间几何构型为正四面体结构。四个O原子占据正四面体的各个顶点，Si原子位于正四面体中心，形成正四面体的基本结构单元SiO₄⁴⁻。该基本结构单元能够以不同方式结合成链状、环状、层状和立方网格结构的阴离子。
硅酸阴离子有单硅酸（SiO₄⁴⁻）、二硅酸、三硅酸、四硅酸、环四硅酸、环六硅酸、立方八硅酸等低聚合度的硅酸以及立方八硅酸的缩聚产物（高聚硅酸）。几种简单的SiO₄⁴⁻空间几何构型如图所示：
单硅酸（正硅酸）（SiO₄⁴⁻）的空间几何构型
二硅酸（Si₂O₇²⁻）的空间几何构型
阴离子通过金属Na⁺连接，SiO₄⁴⁻正四面体通过共用不同的O原子数而形成不同的硅氧基团的阴离子。
硅酸聚合时一般不生成长直链的聚合物，而更倾向于生长聚合为环状或双环笼状聚合物，其聚合度介于15～150之间。
理化性质
物理性质
硅酸钠为粉末状或片状的透明或略带颜色的固体，其物理性质受物质内SiO₂与Na₂O的摩尔数比影响，每摩尔硅酸钠中SiO₂与Na₂O的摩尔数比称为模数，记为M。模数（M）是硅酸钠最重要的特性参数，与其碱性和溶解度成反比。模数增大，SiO₂的比例增高，即Si含量增多，硅酸钠粘度增大，更易发生分解反应和硬化。此外，模数变化会使硅酸钠聚合度也产生改变，其水解产物中硅酸钠组分也相应改变，因此不同模数的硅酸钠的实际应用及商业价值差异很大。商业硅酸钠产品的模数（M）通常在0.5~4.0之间变化，最常见的可溶性硅酸盐的模数值为3.3。
常见的硅酸钠水合物，即偏硅酸钠系，其化学通式为Na₂SiO₃·nH₂O。常见的硅酸钠水合物有：无水硅酸钠（Na₂SiO₃）、五水硅酸钠（Na₂SiO₃·5H₂O）、六水硅酸钠（Na₂SiO₃·6H₂O）、九水硅酸钠（Na₂SiO₃·9H₂O）。硅酸钠水溶液表现为碱性，不溶于乙醇，但乙醇可使硅酸钠从其水溶液中析出。水合硅酸钠具有斜方、三斜晶系和单斜晶系，易溶于水且在热水中溶解速度更快。
几种常见硅酸钠的物理性质如下表所示：
化学性质
热稳定性
固体硅酸钠加热极难分解，即使在高温条件下使其熔融也很难分解成其它物质。由于正离子的极化力和阴离子的变形性以及含氧酸根的性质使得固体硅酸钠在高温下难以分解。
水解
硅酸钠为弱酸强碱盐，与水发生反应可水解生成氢氧化钠，因此使得硅酸钠溶液呈碱性。模数与浓度会影响硅酸钠的水解，其水解产物大多难以电离，故水解反应较强烈。硅酸钠溶液为胶体溶液,其胶粒带负电。
反应式如下：
与酸碱的反应
因硅酸钠溶液呈碱性，加酸（有机酸或无机酸）易发生分解沉淀析出无定形二氧化硅（SiO₂）凝胶体。
与硫酸反应式如下：
硅酸钠与碱土金属离子反应发生絮凝,生成白色凝胶沉淀,最终生成的水合硅酸盐为凝胶体。
与氢氧化钙反应式如下：
金属离子置换反应
硅酸盐的沉淀是硅酸盐分子通过多价阳离子（主要是）的交联，多价金属阳离子可与硅酸钠发生置换反应，生成在较宽pH范围内不易溶解的金属硅酸盐沉淀。
与氯化钙反应式如下：
硬化
液体硅酸钠与空气中的CO₂反应,生成无定形硅酸,随后缓慢干燥即硬化。即使硬化过程较为缓慢，但液体硅酸钠仍应该进行密封存储。
硬化反应式如下：
如需使液体硅酸钠发生硬化，通常可进行加热或加入氟硅酸钠使硬化过程加速，硅酸钠的模数、密度和环境的温湿度会对液体硅酸钠的硬化速度产生影响。
制备方法
干法
碳酸盐法
原料：石英砂和纯碱
制备方法：将原料磨细后按一定比例均匀混合，在高温（约1400 ℃~1500 ℃）下硅砂被纯碱大量熔解制得熔融态硅酸钠,出料后使之定型制备为块状或水为灰色或绿色的颗粒状产物。如果制备液体硅酸钠产物，则还要常压蒸煮或高压溶解。
反应式如下：
制备流程如下：
硫酸钠法
原料：芒硝、煤粉（或碳粉）和石英砂
制备方法：将原料均匀混合，在高温下制得熔融态硅酸钠，出料后经淬冷、溶解、沉淀、浓缩后制得硅酸钠产物。
反应式如下:
该生产工艺制备简单，所用的原料价格低廉、易获取，因此该生产工艺有部分生产企业使用。但由于该方法的生产过程中，会有大量二氧化硫排出，导致污染严重，因此该方法已被淘汰。
制备流程如下：
湿法
制备方法：将原料置于加压釜中，在蒸汽加热条件下进行搅拌混合，使其于2-3个大气压下发生反应生成硅酸钠液体。
反应式如下:
湿法工艺反应进程慢，最大的缺陷是无法制备高模数液体硅酸钠，因此该工艺的实际应用受到一定限制。
应用领域
根据硅酸钠的物理化学性质，可作为硅化合物的基本原材料。无论是直接作为基材、中间体还是载体，均具有很大的应用空间。其应用领域十分广泛，在化工、食品行业、冶金、机械铸造行业、纺织工业、建筑及建材行业、农业等领域均有应用。
洗涤剂
洗涤剂和清洁产品曾经是硅酸钠的最大市场，碱性硅酸盐在阴离子表面活性剂的有效范围内起缓冲作用，并通过其碱度帮助油脂皂化，硅酸钠具有极强的pH值缓冲能力，因此在酸性污垢洗涤过程中不会因污垢进入而导致洗涤液pH值的明显下降，从而保证洗涤液的去污垢性能，提高复洗能力。
石油钻井
硅酸钠通常被用作化学灌浆材料，尤其用于高渗透地层的钻探，当硅酸钠和等活性剂的水混合物注入地下时，硅酸盐溶液会反应形成胶体，胶体进一步聚合形成凝胶。该特性已用于水基钻井液系统，以防止在钻探高渗透地层时流体流失，特别是在钻井和竣工作业中常为使用。
建筑行业
无定形硅酸钠是最早用作建筑商的化合物之一，此外液体硅酸钠也可用于建筑行业，目前混凝土材料的养生及修补、砖墙裂缝修补、加速混凝土硬化、建筑材料表面涂层、软土地基加固和人工块石生产都可见到液体硅酸钠的存在。此外，液体硅酸钠还可制造很多建筑制品，例如：多孔性硅酸盐保温材料，耐酸性水泥以及用于不同场合的灰泥等。可溶性硅酸盐也可以与化硅或二氧化硅反应，以生产低收缩和接近钢的热膨胀的耐酸水泥。
粘合剂
在铸造行业制造砂模时，硅酸钠粘合剂通常因其高强度、热稳定性良好、低成本和低污染而受到广泛使用。硅酸钠粘合剂主要是应用于制作瓦楞纸箱，木材粘合，金属材料粘合到各种基材上，玻璃材料粘合于瓷器、皮革等组件上等。
水处理
对于水厂混凝—沉淀—过滤—消毒的常规水处理工艺中，活化硅酸钠可用作助凝剂，此外，硅酸钠还可用于改性净水污泥吸附剂，用于去除水中的氨氮。
耐火材料
硅酸钠胶泥是一种无机胶泥材料，是不定型耐火材料中的一类。硅酸钠型胶泥所用原料来源广、成本低，可用于胶泥用量大的建筑物，既满足技术要求，又能降低构筑物成本。
其他
硅酸钠还可用于光学玻璃应用以及防碎玻璃制造；作为一种安全的化合物可直接接触食品成分，可用作清洗水果、蔬菜和坚果的加工助剂；在造纸行业，硅酸钠可用于废纸脱墨助剂、过氧化氢漂白和造纸微粒助留剂以及水处理中的絮凝剂等。
安全事宜
运输事宜
运输部（DOT）规定，只有高碱性形式的可溶性硅酸盐才是危险的运输材料，液态硅酸盐以桶或散装的形式进行运输。散装货物通过卡车、铁路或油轮运输；大体积通过重力或泵送输送。
由于粉状硅酸盐的吸湿性，应控制储存箱的湿度，并尽量减少CO₂的吸收。如果预期湿度过高或储存时间过长，可能需要额外的保护。
储存
硅酸钠应与其他碱贮存在阴凉、干燥、通风良好的地方，并与酸分离。
火灾处理
小火：干粉、二氧化碳或水喷雾灭火。
大火：干粉、二氧化碳、抗酒精泡沫或水喷雾灭火。在安全的情况下，将未损坏的容器移动远离火源周围区域。
涉及汽车/拖车负载的火灾：从最大距离灭火或使用无人设备或监视喷嘴，用大量的水冷却容器直到大火熄灭。当排气安全装置发出上升声音或储罐变色时，应立即撤离。
泄漏处理
将泄漏的硅酸钠清理至塑料容器中，首先对泄漏区域进行润湿防止扬尘，再用稀酸（最好为冰醋）小心中和残余的硅酸钠物质，然后用大量水冲净。清理时需使用个人防护用具：适用于有害颗粒物的P2过滤呼吸器。
参考资料
Sodium silicate[Z].pubchem.ncbi.nlm.nih.2023-04-16
国际化学品安全卡, 硅酸钠.icsc.brici.ac.2023-04-16