• View
• Edit
• History
• Print

Waterglas

Waterglas, silica, en de chemische tuin

(Ben Dijkhuis, 2006)

1. Waterglas

Waterglas is een verzamelnaam van silicaten op basis van de alkalimetalen, natrium (natronwaterglas) en kalium (kaliwaterglas). Het belangrijkste kenmerk is, dat al deze zouten in water oplosbaar zijn. De oplossing wordt eveneens onder de handelsnaam ‘waterglas’ verkocht. In de meeste gevallen wordt met waterglas, natronwaterglas bedoeld. De oplossing is bruikbaar voor de conservering van eieren en het brandwerend maken van poreuze materialen, zoals kleding, papier en hout. Het is eveneens toepasbaar als lijm voor papier en karton. Het dient tevens als grondstof voor het bekende droogmiddel ‘silicagel’.

2. Samenstelling en bereiding

Natriumsilicaat komt in een aantal vormen voor:

3. Bereiding en gegevens

Al deze stoffen hebben een smeltpunt van >800°C en zijn in water oplosbaar. De bereiding vindt plaats in de smelt door verhitting van zand, dat voor het grootste deel uit kwarts, SiO₂, bestaat en natriumcarbonaat (soda):

De mengverhouding natriumcarbonaat-siliciumoxide bepaald de samenstelling van het uiteindelijke produkt. Tijdens de reactie ontstaat feitelijk een mengsel van alle typen. Dit is de reden waarom het gehalte in een handelsoplossing van waterglas als een gemiddelde wordt uitgedrukt, in gehaltes aan aan Na₂O en SiO₂.

In het Handbook of Chemistry and Physics vinden we de volgende gegevens, wat betreft natrium- en kaliumsilicaten:

Hieronder staat wat produktinformatie voor oplossingen van diverse leveranciers:

4. Silica en silicagel

Een plak gepolijst agaat. Bron:Wikipedia (nl). Foto: Tomomarusan. Copyright: Creative Commons 2.5

Als het natuurlijk mineraal chalcedoon, komt silica (of kiezelzuur) voor als: vuursteen (flint), jaspis, hoornkiezel, opaal, agaat en maansteen. Verontreinigingen in het mineraal kunnen zorgen voor de meest prachtige kleuren, zodat het vaak in één of andere vorm bekend staat als halfedelsteen. Silica is een amorfe vorm van siliciumoxide (SiO₂) en kan een bepaald hoeveelheid gebonden water bevatten met als algemene formule SiO₂.nH_2O.

Synthetisch silica is te maken door natriumsilicaat (waterglas) te laten reageren met een zuur. Hierbij ontstaat een transparante gel-achtig neerslag, dat silicagel (‘gel van silica’) wordt genoemd, deze substantie bevat veel gebonden water.

Als dit water door verhitting wordt verwijderd, fungeert het watervrije silica uitstekend als droogmiddel. Vaak vind je zakjes, die gevuld zijn met gedroogd silica, om als droogmiddel allerlei zaken te beschermen tegen vocht^*).

Overigens wordt silica, als fijn poeder, ook toepasbaar als slijpmiddel in tandpasta’s.

5. De chemische tuin

De chemische tuin is een leuk experiment ‘te lering en vermaak’. Als in waterglas korreltjes of kristallen van bepaalde oplosbare metaalzouten worden toegevoegd, ontstaan opvallende groeisels in allerlei vormen (stalagmieten, vertakkingen, draden, klontjes) en kleuren. De kleuren zijn afhankelijk van het metaalion dat zich in de korreltjes bevinden. De groeisels ontstaan, doordat het korreltje in oplossing gaat, waardoor de metaalionen vrijwel direct reageren met silicaationen (onderstaande reactie met kobalt(II)ionen):

De wijze waarop deze vormen ontstaan is als volgt te verklaren. Het korreltje metaalzout lost op en reageert ter plekke met de aanwezige silicaationen. Hierbij ontstaat het slecht oplosbare silicaat, dat als het ware een gesloten manteltje om het zoutkorreltje vormt. De wand van het manteltje is semi-permeambel. Dat wil zeggen, dat wel watermoleculen van buiten naar binnen kunnen bewegen, maar geen metaalionen van binnen naar buiten. Binnen het manteltje bevinden zich geen silicaationen meer, waardoor meer van het zout in oplossing kan gaan, zonder dat het reageert. Als de ionenconcentratie van het opgeloste zout groot genoeg is geworden, zal door de zgn. ‘osmotische druk’ het silicaatmanteltje gaan barsten, zodat de metaalionen kunnen ‘ontsnappen’, waarna zij direct weer zullen reageren met de silicaationen. Zo begint het proces weer opnieuw. Er wordt, naast het oude, weer een nieuw silicaatmanteltje gevormd. Meer zout lost op en de mantel scheurt weer open enz. Tijdens dit proces lijkt het of de gevormde structuur groeit. Hoe de vorm van het ‘groeisel’ eruit ziet hangt af van het soort metaalzout dat voor dit experiment is gebruikt.

Een chemische tuin van, in de handel verkrijgbaar, waterglas verdund met demiwater tot een dichtheid van 1,1 g.ml−1. Dit komt neer om een volumeverhouding waterglas/demiwater van 1:1. De volgende zouten zijn gebruikt: kobalt(II)chloride (donker blauw), koper(II)sulfaat (lichtblauw), koper(II)chloride (groen), nikkel(II)nitraat (groen), ijzer(III)chloride (bruin), ijzer(II)sulfaat (donkergroen-zwart), magnesiumsulfaat (wit), calciumnitraat (wit), mangaan(II)chloride (wit).

Meer over de bereiding van een chemische tuin, vind je op de website van Experimenten Online!

6.Voetnoten

^*)Soms wordt een kobalt(II)zout toegevoegd om als vochtindicator te dienen. Als het silica droog genoeg is, om als droogmiddel te dienen, dan is de kleur blauw (de kleur van een dehydrateerd kobalt(II)zout). Als het silica verzadigd is met water, waardoor het dus niet meer als droogmiddel kan dienen, is de kleur roze (de kleur van een gehydrateerd kobalt(II)zout).

7. Bronnen

• Handbook of Chemistry and Physics, 64th edition; R.C. Weast, M.J. Astle, W.H. Beyer (eds.); CRC Press, Boca Raton, Florida, USA; 1983–84; section B, Physical properties of inorganic compounds.
  
• Nieuw repetitorium der elementaire scheikunde; H.Ph. Baudet, C. Boeree; Nijgh & van Ditmar; ‘s Gravenhage, Rotterdam; 1967; p.82,87
• Wikipedia (en):Sodium silicate; 2006; 13–09–2006; http://en.wikipedia.org/wiki/Water_glass
• Wikipedia (nl):Agaat; 2006; 13–09–2006; http://nl.wikipedia.org/wiki/Agaat
• ChemicalLand21: Sodium silicates; 2000; 13–09–2006; Zuid-Korea; http://www.chemicalland21.com/industrialchem/inorganic/SODIUM%20SILICATE.htm

8. Verwante onderwerpen

• Natuurlijke silicaten (Ben Dijkhuis 1996)
• Silicaten en zeolieten (Arie Hamaker, 2006)
• Glas