В химии кремниевая кислота ( / s ɪ ˈ l ɪ s ɪ k / ) — это любое химическое соединение , содержащее элемент кремний, присоединенный к оксидным ( =O ) и гидроксильным ( −OH ) группам, с общей формулой [H 2 x SiO x +2 ] n или, что эквивалентно, [SiO x (OH) 4−2 x ] n . [1] [2] Ортокремниевая кислота является типичным примером. Кремниевые кислоты редко наблюдаются в изоляции, но, как полагают, существуют в водных растворах , включая морскую воду , и играют роль в биоминерализации . [3] Обычно они представляют собой бесцветные слабые кислоты, которые трудно растворимы в воде. Подобно силикатным анионам, которые являются их более известными сопряженными основаниями , кремниевые кислоты предположительно являются олигомерными или полимерными . Простая кремниевая кислота никогда не была идентифицирована, поскольку эти виды в первую очередь представляют теоретический интерес.
В зависимости от количества присутствующих атомов кремния различают моно- и поликремниевые (ди-, три-, тетракремниевые и т. д.) кислоты. Хорошо определенные кремниевые кислоты не были получены в форме, которая была бы охарактеризована рентгеновской кристаллографией .
Кремниевые кислоты можно рассматривать как гидратированные формы кремния, а именно 2 H 2 x SiO x +2 = SiO 2 ·(H 2 O) x . Действительно, в концентрированных растворах кремниевые кислоты обычно полимеризуются и конденсируются, и в конечном итоге разлагаются на диоксид кремния и воду . Промежуточные стадии могут быть очень густыми жидкостями или гелеобразными твердыми веществами. [4] [5] [6] Дегидратация последних дает твердую полупрозрачную форму кремния с порами атомного масштаба, называемую силикагелем , которая широко используется в качестве абсорбента воды и осушающего агента .
Кремний растворяется в воде очень экономно [ требуется ссылка ] и присутствует в морской воде в концентрациях ниже 100 частей на миллион . В таких разбавленных растворах кремний, как предполагается, существует в виде ортокремниевой кислоты. Теоретические расчеты показывают, что растворение кремния в воде происходит через образование комплекса SiO 2 ·2H 2 O , а затем ортокремниевой кислоты. [7]
Двойная связь кремний–кислород метакремниевой кислоты, подразумеваемая формулой H 2 SiO 3 , является гипотетической или крайне нестабильной. Такие двойные связи могут быть гидратированы до пары гидроксильных ( −OH ) групп: [4]
Например,
или
Альтернативно, метакремниевая кислота склонна образовывать циклические полимеры [−SiO(OH) 2 −] n , которые могут быть раскрыты гидратацией в цепные полимеры HO[−SiO(OH) 2 −] n H . Аналогично, дисиликовая кислота склонна образовывать сложные полимеры с четырехвалентной единицей, [=Si 2 O 3 (OH) 2 =] n . Наоборот, олигомерные и полимерные кислоты могут деполимеризоваться путем гидролиза мостиков Si−O−Si , или такие мостики могут быть созданы путем конденсации :
Подобно органическим силанолам , кремниевые кислоты являются слабыми кислотами. Ортокремниевая кислота имеет расчетные 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 комплексы кремниймолибдата. Эта реакция использовалась для титрования содержания кремния в водных растворах и определения их природы. В типичном препарате было обнаружено, что мономерная ортокремниевая кислота полностью реагирует за 75 секунд, димерная пиросилициевая кислота — за 10 минут, а высшие олигомеры — за значительно более длительное время. Реакция не наблюдается с коллоидным кремнеземом . [8]
Степень полимеризации кремниевых кислот в водном растворе можно определить по ее влиянию на температуру замерзания раствора ( криоскопия ). [8]
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 :
На основе кривых давления паров для силикагеля Рейнаут Виллем Ван Беммелен утверждал, что не существует гидратов кремнезема , а есть только силикагель. С другой стороны, Густав Чермак фон Сейзенегг считал , что он наблюдал различные кремниевые кислоты как продукты разложения природных силикатных гелей. [9]
Первая кристаллическая кремниевая кислота была получена из филлосиликата натросилита ( Na 2 Si 2 O 5 ) в 1924 году. Известно более 15 кристаллических кислот, которые включают по крайней мере шесть модификаций H 2 Si 2 O 5 . Некоторые кислоты могут адсорбировать и интеркалировать органические молекулы, и поэтому являются интересными альтернативами кремнию. [10]
Кристаллические кремниевые кислоты можно получить путем удаления катионов натрия из растворов силикатов натрия с помощью ионообменной смолы или путем обработки силикатов натрия концентрированной серной кислотой . [10]
