Силикатами (с латинского языка слово «silex» переводится как «камень») называются соли метакремниевой кислоты H2SiO3. Например, силикат натрия, химическая формула которого записывается так: Na2SiO3. Другое название соли — натрий метасиликат. Молярная масса вещества равняется 122,06 г/моль. Внешний вид — белые непрозрачные кристаллы, имеющие зеленоватый оттенок. Плотность равняется 2,4 г/см3. Степень чистоты характеризуется показателем преломления, который равняется 1,52. Температура плавления — плюс 1088 °C. Вещество растворимо в воде и нерастворимо в спирте. Разбавленный водный раствор обладает уникальными свойствами: погруженные в него свежие яйца могут до девяти месяцев сохраняться при комнатной температуре. Силикат натрия стабилен в нейтральной и щелочной среде, а в кислой анион SiO3- реагирует с катионами H+ с образованием кремниевой кислоты.
Двуокись кремния (называется еще кремниевым ангидридом или кремнеземом) является наиболее устойчивым соединением, которое встречается в природе в виде кварца. На его долю приходится 12 % массы всей земной коры. Кварц, загрязненный примесями, представляет собой обычный песок, который образуется из-за разрушения горных пород. Под действием щелочи на двуокись кремния протекает химическая реакция: NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O. В результате образуется соль кремниевой кислоты — силикат натрия. Гидролиз соли (разложение ее водой) идет по схеме: 2Na2SiO3 + H2O → Na2SiO5 + 2NaOH, и образуется двуметасиликат натрия. С понижением концентрации раствора, гидролиз протекает интенсивнее. В 1 н. растворе гидролизуется 14 % соли, в 0,1 н. — 28 %, в 0,001 % — 32 %. Гидролиз двуметасиликата натрия протекает уже слабее.
Силикат натрия образуется в результате взаимодействия кремния со щелочью: Si +H2O + 2NaOH → Na2SiO3 + 2H2. Подобная реакция может протекать со слабыми щелочами, а также очень легко идет с водой в присутствии даже незначительного количества анионов OH-: достаточно следов щелочей, извлеченных из стекла. Так как образующийся метасиликат натрия является солью слабой метакремневой кислоты, то в разбавленном растворе она почти полностью гидролизуется, концентрация ионов OH- в ходе реакции не уменьшается, поэтому все сводится к разложению кремнием воды. Присутствующие следы щелочи являются катализатором. Из 0,63 кг кремния таким способом получается 1 м3 водорода, тогда как железа потребовалось бы почти в 4 раза больше.
В промышленности различные марки силиката натрия характеризуются соотношением количества SiO2 и Na2O. Оно может меняться от 2:1 до 3,75:1. Сорта с соотношением 2,85:1 и ниже считаются щелочными. Те, у которых более высокое соотношение характеризуются, как «нейтральные». Силикат натрия в виде водных концентрированных растворов представляют собой жидкое или растворимое стекло. Но наряду с Na2SiO3 в жидком стекле присутствуют и другие силикаты натрия, поэтому его обычный состав выражается формулой, которая является приближенной, Na2O • nSiO2, где n = 2÷4. Постепенное отщепление SiO2 (обычно при длительном хранении) приводит к помутнению жидкого стекла или к превращению иногда в студнеобразную массу. Поэтому в лаборатории его держат в сосудах, закрытых резиновыми пробками, так как корковые или стеклянные к горлышку просто приклеиваются.
Силикат натрия применяется в производстве стиральных порошков. Ежегодное производство жидкого стекла составляет сотни тысяч тонн. Его используют для укрепления грунтов при проведении строительных работ (например, защита бетонной стяжки пола против истирания), а также, как и другие реагенты, например, триполифосфат натрия, применяется во многих отраслях (обе соли, например, используются для умягчения воды). Пропитка Na2SiO3 автомобильных бетонных дорог в значительной мере сокращает их истирание.
Обработка дерева или других материалов защищает от возгорания (например, постройки или театральные декорации). Часто служит в качестве основы для огнеупорных замазок или канцелярского клея. Простые по составу замазки пригодны для склеивания фарфора и стекла. Их можно получить, смешивая (до консистенции теста) мел с жидким стеклом. Смесь быстро затвердевает и превращается в белую и очень прочную массу.
Из цемента, замешанного на жидком стекле, делают быстро твердеющую замазку, которую используют для склеивания камней. Смесь силиката натрия с опилками используют для заполнения пространства между двойными стенками у некоторых сейфов. Это делает их более огнестойкими, а также служит дополнительной защитой от вскрытия с помощью ацетиленовой горелки из-за сильного задымления и срабатывания сигнализации.
