硅酸鈉（鈉 Silicates），俗稱泡花堿，是一種無機(jī)化合物，化學(xué)式為Na?O·nSiO?，其水溶液俗稱水玻璃，是一種礦黏合劑。硅酸鈉是一種可溶性的無機(jī)硅酸鹽，具有廣泛的用途。其外觀為無色、略帶顏色的半透明或透明塊狀玻璃體。是由堿金屬氧化物與二氧化硅（SiO?）組合成的金屬硅酸鹽物質(zhì)，具有較高的熱穩(wěn)定性，可承受高達(dá)1100 ℃的高溫。
硅酸鈉無毒、不易燃、不易揮發(fā)，易硬化、堿性強(qiáng)、具有腐蝕性。工業(yè)硅酸鈉的常用制備方法有干法和濕法兩種。干法又包括碳酸鈉法、硫酸鈉（硫酸鈉）法、氯化鈉法；濕法以液體純堿和石英砂為原料，加溫、加壓反應(yīng)后得到液體產(chǎn)品。其作為基材、中間體或載體可應(yīng)用于化工、食品、冶金、油田鉆井、機(jī)械鑄造、紡織、建筑和農(nóng)業(yè)等諸多行業(yè)領(lǐng)域。
發(fā)現(xiàn)及研究歷史
硅酸鈉礦物最初通過在近地平線中蒸發(fā)高堿性間接鹽水形成，最常見的原始硅酸鈉是麥羥硅鈉石（magadiite）、水羥硅鈉石（kenyaite）和水硅鈉石（kanemite），其分子結(jié)構(gòu)式分別為NaSi?O??(OH)?·3H?O、NaHSi?O?(OH)?·2H?O和NaSi??O??.?(OH)?·3H?O。
硅酸鈉的工業(yè)發(fā)展始于19世紀(jì)初，德國(guó)率先使用原料為碳酸鈉與石英砂，經(jīng)熔化、冷卻及粉碎工藝后生產(chǎn)出可溶于水的硅酸鈉。當(dāng)時(shí)的歐洲利用硅酸鈉的三個(gè)主要用途是：對(duì)窗簾加工處理以降低其可燃性；土工織物制造中作為糞便代替物以及生產(chǎn)條形肥皂。到19世紀(jì)中葉時(shí)期，德國(guó)研究員瓦克爾（Walcker）、法國(guó)研究員庫(kù)爾曼（Kuhlmann）和英國(guó)研究員哥薩奇（Gossage）研究并成功生產(chǎn)了數(shù)種硅酸鹽。在美國(guó)，進(jìn)口的硅酸鹽也被用作大炮和處理木制碼頭的防腐涂層。
南北戰(zhàn)爭(zhēng)期間，為使用硅酸鈉替代洗衣皂中的松香，北美地區(qū)開始進(jìn)行硅酸鈉的大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)。硅酸鈉是強(qiáng)堿弱酸的無定形聚合物鹽，提供了高堿性溶液，使其成為制作棒皂和生產(chǎn)后來的洗滌劑的主要成分。硅酸鈉商業(yè)可用性的增加主要基于其物理性質(zhì)，即高濃度硅酸鈉溶液的玻璃性質(zhì)使其成為有效的粘合劑。后來硅酸鈉還用于制造硅質(zhì)材料的可溶性硅酸鹽，包括堿性合成顏料、填料、凝膠、粘土和沸石。彼時(shí)，硅酸鹽原料被視為增值砂。
目前使用現(xiàn)代分析技術(shù)，含有聚合硅酸鈉物質(zhì)的溶液的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)得到了更好的表征，這種對(duì)硅酸鈉專業(yè)知識(shí)的進(jìn)一步了解有助于在當(dāng)前硅酸鈉市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展以及開發(fā)新的市場(chǎng)。
物質(zhì)結(jié)構(gòu)
分子結(jié)構(gòu)
在形成可溶性硅酸鈉時(shí)，Na?和O2?被引入石英網(wǎng)絡(luò)中，破壞硅氧烷鍵硅O-Si，形成SiO?位點(diǎn)，即非橋接氧原子。Na?被認(rèn)為不均勻地分布在無規(guī)則的二氧化硅網(wǎng)絡(luò)的間隙中。它們產(chǎn)生富含SiO?聚合物的區(qū)域和其他富含陽(yáng)離子的區(qū)域。SiO?/Na?O比例為1的熔體或玻璃，即偏硅酸鈉，具有高比例的（SiO?3?）n鏈。
Si與O在原子結(jié)合成鍵時(shí)，Si原子外層3S電子受激發(fā)躍遷到3P空軌道上進(jìn)行等性雜化，形成四個(gè)鍵能、鍵角及電子自旋方向都相等的SP3雜化軌道。將雜化軌道和未雜化軌道進(jìn)行比較，電子云在空間的伸展方向發(fā)生了變化，相應(yīng)的電子云分布會(huì)更集中，更有利于滿足軌道最大程度的重疊。所以，雜化軌道的成鍵能力強(qiáng)于未雜化的各類原子軌道的成鍵能力，這是水溶液硅酸鈉分子結(jié)構(gòu)的特殊性之一。
四個(gè)SP3雜化軌道與四個(gè)O原子的未成對(duì)電子以δ鍵的形式相結(jié)合形成共價(jià)鍵，同時(shí)因?yàn)镺原子的電負(fù)性很大，所形成的Si-O鍵為極性共價(jià)鍵，氧原子的一邊帶負(fù)電荷，與Na?以離子鍵的形式相結(jié)合。
空間幾何構(gòu)型
硅酸鈉由單硅酸（正硅酸）離子SiO???組成，Si-O鍵的成鍵特性決定了其空間幾何構(gòu)型為正四面體結(jié)構(gòu)。四個(gè)O原子占據(jù)正四面體的各個(gè)頂點(diǎn)，Si原子位于正四面體中心，形成正四面體的基本結(jié)構(gòu)單元SiO???。該基本結(jié)構(gòu)單元能夠以不同方式結(jié)合成鏈狀、環(huán)狀、層狀和立方網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的陰離子。
硅酸陰離子有單硅酸（SiO???）、二硅酸、三硅酸、四硅酸、環(huán)四硅酸、環(huán)六硅酸、立方八硅酸等低聚合度的硅酸?以及立方八硅酸的縮聚產(chǎn)物（高聚硅酸）。幾種簡(jiǎn)單的SiO???空間幾何構(gòu)型如圖所示：
單硅酸（正硅酸）（SiO???）的空間幾何構(gòu)型
二硅酸（Si?O?2?）的空間幾何構(gòu)型
陰離子通過金屬Na?連接，SiO???正四面體通過共用不同的O原子數(shù)而形成不同的硅氧基團(tuán)的陰離子。
硅酸聚合時(shí)一般不生成長(zhǎng)直鏈的聚合物，?而更傾向于生長(zhǎng)聚合為環(huán)狀或雙環(huán)籠狀聚合物，?其聚合度介于15～150?之間。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
硅酸鈉為粉末狀或片狀的透明或略帶顏色的固體，其物理性質(zhì)受物質(zhì)內(nèi)SiO?與Na?O的摩爾數(shù)比影響，每摩爾硅酸鈉中SiO?與Na?O的摩爾數(shù)比稱為模數(shù)，記為M。模數(shù)（M）是硅酸鈉最重要的特性參數(shù)，與其堿性和溶解度成反比。模數(shù)增大，SiO?的比例增高，即Si含量增多，硅酸鈉粘度增大，更易發(fā)生分解反應(yīng)和硬化。此外，模數(shù)變化會(huì)使硅酸鈉聚合度也產(chǎn)生改變，其水解產(chǎn)物中硅酸鈉組分也相應(yīng)改變，因此不同模數(shù)的硅酸鈉的實(shí)際應(yīng)用及商業(yè)價(jià)值差異很大。商業(yè)硅酸鈉產(chǎn)品的模數(shù)（M）通常在0.5~4.0之間變化，最常見的可溶性硅酸鹽的模數(shù)值為3.3。
常見的硅酸鈉水合物，即偏硅酸鈉系，其化學(xué)通式為Na?SiO?·nH?O。常見的硅酸鈉水合物有：無水硅酸鈉（Na?SiO?）、五水硅酸鈉（Na?SiO?·5H?O）、六水硅酸鈉（Na?SiO?·6H?O）、九水硅酸鈉（Na?SiO?·9H?O）。硅酸鈉水溶液表現(xiàn)為堿性，不溶于乙醇，但乙醇可使硅酸鈉從其水溶液中析出。水合硅酸鈉具有斜方、三斜晶系和單斜晶系，易溶于水且在熱水中溶解速度更快。
幾種常見硅酸鈉的物理性質(zhì)如下表所示：
化學(xué)性質(zhì)
熱穩(wěn)定性
固體硅酸鈉加熱極難分解，即使在高溫條件下使其熔融也很難分解成其它物質(zhì)。由于正離子的極化力和陰離子的變形性以及含氧酸根的性質(zhì)使得固體硅酸鈉在高溫下難以分解。
水解
硅酸鈉為弱酸強(qiáng)堿鹽，與水發(fā)生反應(yīng)可水解生成氫氧化鈉，因此使得硅酸鈉溶液呈堿性。模數(shù)與濃度會(huì)影響硅酸鈉的水解，其水解產(chǎn)物大多難以電離，故水解反應(yīng)較強(qiáng)烈。硅酸鈉溶液為膠體溶液,其膠粒帶負(fù)電。
反應(yīng)式如下：
與酸堿的反應(yīng)
因硅酸鈉溶液呈堿性，加酸（有機(jī)酸或無機(jī)酸）易發(fā)生分解沉淀析出無定形二氧化硅（SiO?）凝膠體。
與硫酸反應(yīng)式如下：
硅酸鈉與堿土金屬離子反應(yīng)發(fā)生絮凝,生成白色凝膠沉淀,最終生成的水合硅酸鹽為凝膠體。
與氫氧化鈣反應(yīng)式如下：
金屬離子置換反應(yīng)
硅酸鹽的沉淀是硅酸鹽分子通過多價(jià)陽(yáng)離子（主要是）的交聯(lián)，多價(jià)金屬陽(yáng)離子可與硅酸鈉發(fā)生置換反應(yīng)，生成在較寬pH范圍內(nèi)不易溶解的金屬硅酸鹽沉淀。
與氯化鈣反應(yīng)式如下：
硬化
液體硅酸鈉與空氣中的CO?反應(yīng),生成無定形硅酸,隨后緩慢干燥即硬化。即使硬化過程較為緩慢，但液體硅酸鈉仍應(yīng)該進(jìn)行密封存儲(chǔ)。
硬化反應(yīng)式如下：
如需使液體硅酸鈉發(fā)生硬化，通常可進(jìn)行加熱或加入氟硅酸鈉使硬化過程加速，硅酸鈉的模數(shù)、密度和環(huán)境的溫濕度會(huì)對(duì)液體硅酸鈉的硬化速度產(chǎn)生影響。
制備方法
干法
碳酸鹽法
原料：石英砂和純堿
制備方法：將原料磨細(xì)后按一定比例均勻混合，在高溫（約1400 ℃~1500 ℃）下硅砂被純堿大量熔解制得熔融態(tài)硅酸鈉,出料后使之定型制備為塊狀或呈灰色或綠色的顆粒狀產(chǎn)物。如果制備液體硅酸鈉產(chǎn)物，則還要常壓蒸煮或高壓溶解。
反應(yīng)式如下：
制備流程如下：
硫酸鈉法
原料：芒硝、煤粉（或碳粉）和石英砂
制備方法：將原料均勻混合，在高溫下制得熔融態(tài)硅酸鈉，出料后經(jīng)淬冷、溶解、沉淀、濃縮后制得硅酸鈉產(chǎn)物。
反應(yīng)式如下:
該生產(chǎn)工藝制備簡(jiǎn)單，所用的原料價(jià)格低廉、易獲取，因此該生產(chǎn)工藝有部分生產(chǎn)企業(yè)使用。但由于該方法的生產(chǎn)過程中，會(huì)有大量二氧化硫排出，導(dǎo)致污染嚴(yán)重，因此該方法已被淘汰。
制備流程如下：
濕法
制備方法：將原料置于加壓釜中，在蒸汽加熱條件下進(jìn)行攪拌混合，使其于2-3個(gè)大氣壓下發(fā)生反應(yīng)生成硅酸鈉液體。
反應(yīng)式如下:
濕法工藝反應(yīng)進(jìn)程慢，最大的缺陷是無法制備高模數(shù)液體硅酸鈉，因此該工藝的實(shí)際應(yīng)用受到一定限制。
應(yīng)用領(lǐng)域
根據(jù)硅酸鈉的物理化學(xué)性質(zhì)，可作為硅化合物的基本原材料。無論是直接作為基材、中間體還是載體，均具有很大的應(yīng)用空間。其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在化工、食品行業(yè)、冶金、機(jī)械鑄造行業(yè)、紡織工業(yè)、建筑及建材行業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均有應(yīng)用。
洗滌劑
洗滌劑和清潔產(chǎn)品曾經(jīng)是硅酸鈉的最大市場(chǎng)，堿性硅酸鹽在陰離子表面活性劑的有效范圍內(nèi)起緩沖作用，并通過其堿度幫助油脂皂化，硅酸鈉具有極強(qiáng)的pH值緩沖能力，因此在?酸性污垢洗滌過程中?不會(huì)因污垢進(jìn)入而導(dǎo)致洗滌液pH值的明顯下降?，從而保證洗滌液的去污垢性能?，提高復(fù)洗能力。
石油鉆井
硅酸鈉通常被用作化學(xué)灌漿材料，尤其用于高滲透地層的鉆探，當(dāng)硅酸鈉和等活性劑的水混合物注入地下時(shí)，硅酸鹽溶液會(huì)反應(yīng)形成膠體，膠體進(jìn)一步聚合形成凝膠。該特性已用于水基鉆井液系統(tǒng)，以防止在鉆探高滲透地層時(shí)流體流失，特別是在鉆井和竣工作業(yè)中常為使用。
建筑行業(yè)
無定形硅酸鈉是最早用作建筑商的化合物之一，此外液體硅酸鈉也可用于建筑行業(yè)，目前混凝土材料的養(yǎng)生及修補(bǔ)、磚墻裂縫修補(bǔ)、加速混凝土硬化、建筑材料表面涂層、軟土地基加固和人工塊石生產(chǎn)都可見到液體硅酸鈉的存在。此外，液體硅酸鈉還可制造很多建筑制品，例如：多孔性硅酸鹽保溫材料，耐酸性水泥以及用于不同場(chǎng)合的灰泥等。可溶性硅酸鹽也可以與化硅或二氧化硅反應(yīng)，以生產(chǎn)低收縮和接近鋼的熱膨脹的耐酸水泥。
粘合劑
在鑄造行業(yè)制造砂模時(shí)，硅酸鈉粘合劑通常因其高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性良好、低成本和低污染而受到廣泛使用。硅酸鈉粘合劑主要是應(yīng)用于制作瓦楞紙箱，木材粘合，金屬材料粘合到各種基材上，玻璃材料粘合于瓷器、皮革等組件上等。
水處理
對(duì)于水廠混凝—沉淀—過濾—消毒的常規(guī)水處理工藝中，活化硅酸鈉可用作助凝劑，此外，硅酸鈉還可用于改性凈水污泥吸附劑，用于去除水中的氨氮。
耐火材料
硅酸鈉膠泥是一種無機(jī)膠泥材料，是不定型耐火材料中的一類。硅酸鈉型膠泥所用原料來源廣、成本低，可用于膠泥用量大的建筑物，既滿足技術(shù)要求，又能降低構(gòu)筑物成本。
其他
硅酸鈉還可用于光學(xué)玻璃應(yīng)用以及防碎玻璃制造；作為一種安全的化合物可直接接觸食品成分，可用作清洗水果、蔬菜和堅(jiān)果的加工助劑；在造紙行業(yè)，硅酸鈉可用于廢紙脫墨助劑、過氧化氫漂白和造紙微粒助留劑以及水處理中的絮凝劑等。
安全事宜
運(yùn)輸事宜
運(yùn)輸部（DOT）規(guī)定，只有高堿性形式的可溶性硅酸鹽才是危險(xiǎn)的運(yùn)輸材料，液態(tài)硅酸鹽以桶或散裝的形式進(jìn)行運(yùn)輸。散裝貨物通過卡車、鐵路或油輪運(yùn)輸；大體積通過重力或泵送輸送。
由于粉狀硅酸鹽的吸濕性，應(yīng)控制儲(chǔ)存箱的濕度，并盡量減少CO?的吸收。如果預(yù)期濕度過高或儲(chǔ)存時(shí)間過長(zhǎng)，可能需要額外的保護(hù)。
儲(chǔ)存
硅酸鈉應(yīng)與其他堿貯存在陰涼、干燥、通風(fēng)良好的地方，并與酸分離。
火災(zāi)處理
小火：干粉、二氧化碳或水噴霧滅火。
大火：干粉、二氧化碳、抗酒精泡沫或水噴霧滅火。在安全的情況下，將未損壞的容器移動(dòng)遠(yuǎn)離火源周圍區(qū)域。
涉及汽車/拖車負(fù)載的火災(zāi)：從最大距離滅火或使用無人設(shè)備或監(jiān)視噴嘴，用大量的水冷卻容器直到大火熄滅。當(dāng)排氣安全裝置發(fā)出上升聲音或儲(chǔ)罐變色時(shí)，應(yīng)立即撤離。
泄漏處理
將泄漏的硅酸鈉清理至塑料容器中，首先對(duì)泄漏區(qū)域進(jìn)行潤(rùn)濕防止揚(yáng)塵，再用稀酸（最好為冰醋）小心中和殘余的硅酸鈉物質(zhì)，然后用大量水沖凈。清理時(shí)需使用個(gè)人防護(hù)用具：適用于有害顆粒物的P2過濾呼吸器。
參考資料 >
國(guó)際化學(xué)品安全卡, 硅酸鈉.icsc.brici.ac.2023-04-16
年產(chǎn) 30000 噸高純硅酸鈉(泡花堿)項(xiàng)目.洋縣人民政府.2025-06-01