Кремниевая кислота

В химии ( кремниевая кислота / s ɪ ˈ l ɪ s ɪ k / ) — любое химическое соединение , содержащее элемент кремний, присоединенный к оксиду ( =O ) и гидроксил ( −OH ) группы с общей формулой [H _{2 x} SiO _{x +2} ] _n или, что то же самое, [SiO _x (OH) _{4-2 x} ] _n . Ортокремниевая кислота является характерным примером. Кремниевые кислоты редко наблюдаются изолированно, но считается, что они существуют в водных растворах , включая морскую воду , и играют роль в биоминерализации . Обычно это бесцветные слабые кислоты, плохо растворимые в воде. Подобно силикатным анионам, которые являются их более известными сопряженными основаниями , кремниевые кислоты предположительно являются олигомерными или полимерными . кремниевая кислота так и не Простая была идентифицирована, поскольку эти виды представляют прежде всего теоретический интерес.

В зависимости от числа присутствующих атомов кремния различают моно- и поликремниевые (ди-, три-, тетракремниевые и др.) кислоты. Точно определенные кремниевые кислоты не были получены в форме, охарактеризованной рентгеновской кристаллографией .

Примеры

Формула	Имя	Вычисленная структура
ЧАС 4 SiO 4 или Si(OH) 4	ортокремниевая кислота
ЧАС 2 СиО 3 или SiO(OH) 2	метакремниевая кислота
ЧАС 6 Си 22О 7 или O(Si(OH) 3 ) 2	пиросиликатная кислота
ЧАС 2 Си 22О 5 или Си 22О 3 (О) 2	дискремниевая кислота

Реакции

Кремниевые кислоты можно рассматривать как гидратированные формы кремнезема, а именно 2 ЧАС _{2 х} SiO _{х +2} = SiO ₂ ·(H ₂ O) _x . Действительно, в концентрированных растворах кремниевые кислоты обычно полимеризуются и конденсируются и в конечном итоге разлагаются до диоксида кремния и воды . Промежуточные стадии могут представлять собой очень густые жидкости или гелеобразные твердые вещества. В результате обезвоживания последнего образуется твердая полупрозрачная форма кремнезема с порами атомного масштаба, называемая силикагелем , которая широко используется в качестве водопоглотителя и осушителя .

Кремнезем очень умеренно растворяется в воде. и присутствует в морской воде в концентрациях ниже 100 частей на миллион . Предполагается, что в таких разбавленных растворах кремнезем существует в виде ортокремниевой кислоты. Теоретические расчеты показывают, что растворение кремнезема в воде происходит через образование SiO ₂ ·2H ₂ O , а затем ортокремниевая кислота. Комплекс

Двойная связь кремний-кислород метакремниевой кислоты, подразумеваемая формулой H ₂ SiO ₃ является гипотетическим или крайне нестабильным. Такие двойные связи могут гидратироваться до пары гидроксилов ( −OH ) группы:

${\ce {=Si=O + H2O <-> =Si(-OH)2}}$

Например,

${\ce {{\overset {metasilicic\ acid}{H2SiO3}}+H2O<->{\overset {orthosilicic\ acid}{H4SiO4}}}}$

или

${\ce {{\overset {disilicic\ acid}{H2Si2O5}}+2H2O<->{\overset {pyrosilicic\ acid}{(HO)3Si-O-Si(OH)3}}}}$

Альтернативно, метакремниевая кислота способна образовывать циклические полимеры. [-SiO(OH) ₂ -] _n , который при гидратации может расщепляться до цепных полимеров. HO[-SiO(OH) ₂ -] _n H . Аналогичным образом, дискремниевая кислота способна образовывать сложные полимеры с четырехвалентным звеном. [=Si ₂ O ₃ (OH) ₂ =] _n . И наоборот, олигомерные и полимерные кислоты могут деполимеризоваться за гидролиза счет Мосты Si-O-Si или такие мосты могут быть созданы путем конденсации :

${\ce {#Si-O-Si# + H2O <-> #Si-OH + HO-Si#}}$

Как и органические силанолы , кремниевые кислоты являются слабыми кислотами. Для ортокремниевой кислоты рассчитаны потенциалы диссоциации p K _{a 1} = 9,84, p K _{a 2} = 13,2 при 25 °C.

Кремниевые кислоты и силикаты в растворе реагируют с молибдат- анионами, образуя желтые силикомолибдатные комплексы. Эту реакцию использовали для титрования содержания кремния в водных растворах и определения их природы. Было обнаружено , что при типичном приготовлении мономерная ортокремниевая кислота полностью реагирует за 75 секунд, димерная пирокремниевая кислота - за 10 минут, а высшие олигомеры - за значительно более длительное время. Реакция не наблюдается с коллоидным кремнеземом .

Степень полимеризации кремниевых кислот в водном растворе можно определить по ее влиянию на температуру замерзания раствора ( криоскопия ).

История

Кремниевая кислота была использована Йенсом Якобом Берцелиусом в начале 19 века для объяснения растворения диоксида кремния (кремнезема, кварца) в воде, а именно посредством реакции гидратации :

${\ce {{\overset {silica}{SiO2}}+{\overset {water}{H2O}}<->{\overset {silicic\ acid}{H2SiO3}}}}$

Основываясь на давления паров кривых силикагеля , Рейнаут Виллем Ван Беммелен утверждал, что гидратов кремнезема не существует, а есть только силикагель. С другой стороны, Густав Чермак фон Зейсенегг считал, что он наблюдал различные кремниевые кислоты как продукты разложения природных силикатных гелей.

Первая кристаллическая кремниевая кислота была получена из слоистого силиката натросилита ( Na ₂ Si ₂ O ₅ ) в 1924 году. Известно более 15 кристаллических кислот, включающих не менее шести модификаций Н ₂ Si ₂ O ₅ . Некоторые кислоты могут адсорбировать и интеркалировать органические молекулы и поэтому являются интересной альтернативой кремнезему.

Подготовка

Кристаллические кремниевые кислоты можно получить удалением катионов натрия из растворов силикатов натрия или ионообменной смолой обработкой силикатов натрия концентрированной серной кислотой .

См. также

• Борная кислота