Основные свойства и области применения силиката калия

В данной статье ознакомимся со строением, свойствами и применением силиката калия. Силикат калия — соль, которая нашла широкое применение в машиностроении и металлургии. Пользуется популярностью в лакокрасочной и электрических промышленностях. Остановимся поподробнее на определении.

Определение силиката калия

Определение: Силикат калия (K2SiO3) — соль, состоящая из двух катионов калия (K) и аниона слабой метакремниевой кислоты (H2SiO3).

Имеет несколько тривиальных и научных названий:

• калий кремнекислый;
• калиевая силикат-глыба;
• метасиликат калия.

Общие свойства и химическая формула

Кремниевая кислота крайне неустойчива. Чаще она существует в виде воды и оксида кремния (IV). В молекуле кремневой кислоты есть две гидроксильной группы, у которых водород замещается на катионы калия. Так получается силикат калия.

Кремний находиться в высшей степени окисления (+4). Связывается с двумя гидроксильными группировками (-OH) и с атомом кислорода (O) посредством двойной связи (Si = O).

Процессы получения

Рассмотрим лабораторную и промышленную методики получения силиката калия.

Лабораторная методика

Основывается на взаимодействии расплавленных гидроксида или карбоната калия с оксидом кремния (IV). Получить соль из кислоты практически невозможно, так как она не существует в свободном виде.

Промышленная методика

Первый способ получения силиката калия в промышленности завязано на массовом сплавлении едкого кали (KOH) с кварцевым песком (SiO2). Выдерживается высокая температура около 950–1000°С.

Во втором способе с кварцевым песком сплавляют поташ, карбонат калия (K2CO3). Также необходима высокая температура до 1050°С.

Дальше полученную соль растворяют в воде. Получается вязкая субстанция «жидкого стекла».

Физические и химические свойства

Данное строение силиката калия стало условием для его физических свойств и химической активности.

Физические свойства

В нормальном состоянии данная соль представлена белым порошком, крупинки которого иногда выглядят как хлопья. Обладает высокими гигроскопичными свойствами – впитывает быстро влагу на воздухе. Гидролизуется водой до образования коллоидного раствора «жидкого стекла».

Взглянем на физические характеристики данного вещества:

• молярная масса: 154 г/моль;
• температура плавления: выше 300°C;
• растворимость: хорошо растворяется в воде при повышенной температуре и давлении, однако плохо растворяется в спиртовых растворах;
• плотность: 1.203-1.209 г/см3.

Химические свойства

Силикат калия характеризуется достаточно хорошей химической активностью из-за активного катиона калия. Перечислим основные реакции данной соли:

• Ионный обмен — реакция, в ходе которой соль обменивается ионным набором и образуются газ или осадок. Рассмотрим на примере соляной кислоты:

Таким образом, силикат калия в реакции с любой кислотой на выходе дает нерастворимый осадок кремневой кислоты.

• Гидролиз (обратимый) — контакт соли с водой, в ходе которого образуется кислая соль и сильное основание. В данном случае получается гидрометасиликат калия и гидроксид калия.
• Гидролиз (необратимый) — взаимодействие с полным замещением катионов калия на катионы водорода. Образуется осадок метакремниевой кислоты и две молекулы воды. Для проведения реакции необходимо нагреть раствор.

• Контакт с плавиковой кислотой — особый момент из химических свойств силиката калия. Образуется комплекс гексафторсиликат калия и три молекулы воды. Комплекс выпадает в виде осадка.

• Реакция с углекислым газом. Углекислый газ, как более активный, вытесняет оксид кремния из соли. Образуется карбонат калия и оксид кремния (IV).

Применение

Рассмотрим основные области использования силиката калия.

В качестве сырья

Силикат калия служит исходным материалом для изготовления канцелярского клея. Также из него изготавливается строительный клей, который склеивает стекла, древесные и металлические материалы.

Данная соль в лучшей загущенной форме используется для создания литейных формочек. 

Силикат калия широко используется в изготовлении красочных материалов. Из него получаются огнеупорные краски, которые повышают пожарную безопасность конструкции. Художники пользуются кремниевыми красками при написании картин-фресок.

Строительство

Силикатом калия обрабатывается земля вокруг вставленных свай при создании фундаментов. Может добавляться в некоторые строительные смеси для лучшей укладки материала.

Сельское хозяйство

Используется в качестве кремниевого удобрения. Повышает способность растений бороться с болезнями, увеличивает урожайность.

Пищевая промышленность

Использование силиката кремния в качестве пищевой добавки (Е560) продолжалось в Российской Федерации вплоть до 2010 года. Считалось, что данная соль не позволяет пище слеживаться. Добавлялся в сыпучие продукты: сахар, соль, порошковое молоко.

Выяснилось, что силикат калия обладает неблагоприятным воздействием на окружающую среду. Так инициатива прекратилась. Позже гастроэнтерологи узнал о возможном вреде соли на пищеварительный тракт. На данный момент исследования воздействия силиката калия на организм продолжаются.

Медицина

Используется для предупреждения возможности слеживания порошковых медикаментов. Часть препаратов содержит данную соль как вспомогательный элемент.

Безопасность и экологические аспекты

Необходимо рассмотреть также влияние данного вещества на организм человека и окружающую среду.

Для организма человека

Исследования в области влияния на желудок и кишечник продолжаются. Считается, что безопасная дозировка силиката калия не более 30 мг в сутки. В пищевой промышленности нынче не используется.

Для окружающей среды

Может иметь негативное влияние на окружающую среду. Однако до конца этот вопрос остается нерешенным.

Пример решения задачи

Давайте решим пример задачи на силикат калия. Раствор 20%-й силиката подвергли нагреванию до 60°C. Необходимо рассчитать значение осмотического давления. Учтите плотность раствора равна 1,2г/мл.

Решение:

• Возьмем раствор объемом в 1000 мл. Рассчитаем массу такого раствора: 

m = 1,2·1000 = 1200 г 

• Находим молярную массу силиката калия: М = 154,28 г/моль.
• Составим соотношения таким образом:

в 100 г раствора – 20 г K2SiO3, 

в 1200 г раствора – х г K2SiO3. 

Дальше находим х:

х = 1200 · 20 / 100 = 240 г. 

• Необходимо записать уравнение диссоциации соли:

K2SiO3 = 2K+ + SiO32- 

Число частиц при этом равно трем (i).

• Рассчитаем молярную концентрацию раствора:

С = 240 / 154,28 = 1,556 моль/л; или 1556 моль/м3 

• Переходим к осмотическому давлению (π):

π = i· СМ ·R· T = 3·1556 ·8.314 · (60+273) = 1,29·107 Па;

Переведем из Паскалей в атмосферы: 1,29·107 / 1,013·105 = 127,5 атм.

Ответ в атмосферах равен 127,5.