Kwasy krzemowe

Kwasy krzemowe (tlenowe kwasy krzemu) – nieorganiczne związki chemiczne powstałe z połączenia krzemu, tlenu i wodoru o ogólnym wzorze chemicznym [SiO
x(OH)
4−2x]
n. Kwasy tlenowe krzemu otrzymuje się w reakcjach hydrolizy krzemianów.

Zestawienie niższych kwasów krzemowych^[1]

• kwas metakrzemowy, H
  2SiO
  3, CAS 7699-41-4
• kwas ortokrzemowy (lub kwas krzemowy), H
  4SiO
  4, CAS 10193-36-9
• kwas metadikrzemowy, H
  2Si
  2O
  5
• kwas dikrzemowy (lub kwas pirokrzemowy), H
  6Si
  2O
  7, CAS 20638-18-0

Otrzymywanie

Ditlenek krzemu jest bezwodnikiem kwasowym, jednakże nie ulega bezpośredniej reakcji z wodą. Uwodnienie SiO
2 udaje się przeprowadzić tylko okrężną drogą, np. przez stapianie go z NaOH w celu otrzymania dobrze rozpuszczalnych krzemianów sodu (np. ortokrzemianów sodu Na
4SiO
4). Produktem reakcji protolitycznych są kwasy krzemowe i polikrzemowe o różnym składzie, trudne do rozdzielenia. Pierwszym produktem jest kwas ortokrzemowy (H
4SiO
4), który wykazuje tendencję do odszczepiana cząsteczek wody i kondensowania z utworzeniem kwasów polikrzemowych.

Proces kondensacji

Kondensacja kwasu ortokrzemowego prowadzi nie tylko do wytworzenia prostych, ale także i rozgałęzionych łańcuchów. Przez wielokrotne powtórzenie tego procesu mogą się tworzyć nawet struktury trójwymiarowe. Procesowi kondensacji towarzyszy zatem tworzenie się coraz większych cząsteczek. Szybkość procesu kondensacji w bardzo dużym stopniu zależy od pH. Jest ona największa, gdy pH wynosi około 6-7 i wyraźnie maleje, jeśli kwasowość wzrasta lub się zmniejsza. Galaretowaty żel wydzielający się z roztworu w wyniku procesu kondensacji jest skomplikowaną mieszaniną kwasów polikrzemowych. Nie udaje się wydzielenie poszczególnych czystych kwasów krzemowych o określonym składzie chemicznym. Suszenie żelu kwasów polikrzemowych w powietrzu prowadzi do otrzymania żelu krzemionkowego – silikażelu

Rozpuszczalność kwasów krzemowych

Tylko najprostsze kwasy krzemowe tworzą roztwory rzeczywiste. Wyższe dają tylko roztwory koloidalne. Jeszcze wyższe wydzielają się w postaci galaretowatego osadu, przy czym cały roztwór może zakrzepnąć w żel.

Kwas krzemowy w żywności

Kwas krzemowy naturalnie występuje w żywności: zbożach, warzywach, owocach, piwie oraz wodach mineralnych^[2]. Kwas krzemowy cechuje się wysoką biodostępnością – ok. 43% zostaje przyswojone przez organizm człowieka^[3]. Kwas krzemowy uważany jest za najlepsze źródło krzemu dla człowieka^[4]. Fakt, że krzem jest pierwiastkiem niezbędnym do prawidłowego funkcjonowania organizmu (np. wpływa na utrzymanie odpowiedniego poziomu gęstości mineralnej kości^[5]), a zawartość krzemu we współczesnej diecie się zmniejsza^[2], opracowywane są suplementy diety wzbogacone w krzem. Jednak zastosowanie kwasu krzemowego do ich produkcji ogranicza efekt polimeryzacji. Przy stężeniu powyżej 0,1% molekuły kwasu krzemowego łączą się, tworząc kwas polikrzemowy o znacznie mniejszej przyswajalności. W celu zapobiegania polimeryzacji monomerów kwasu krzemowego opracowano kilka metod stabilizacji:

• metylosilanotriol, MeSi(OH)
  3 (MMST, tzw. „krzem organiczny”) jest pochodną kwasu krzemowego, do której wprowadzono grupę metylową^[6]
• kwas krzemowy stabilizowany choliną (ch-OSA, choline-stabilised orthosilicic acid)^[7]
• kompleks kwasu krzemowego z waniliną (OSA-VC, orthosilicic acid-vanillin complex)^[8]

Wszystkie trzy rodzaje są dopuszczone do stosowania w suplementach diety.

Przypisy

1. Baza Reaxys.
2. RavinR. Jugdaohsingh RavinR. i inni, Dietary silicon intake and absorption, „The American Journal of Clinical Nutrition”, 75 (5), 2002, s. 887–893, DOI: 10.1093/ajcn/75.5.887, PMID: 11976163 (ang.).
3. Forrest H.F.H. Nielsen Forrest H.F.H., Update on the possible nutritional importance of silicon, „Journal of Trace Elements in Medicine and Biology”, 28 (4), 2014, s. 379–382, DOI: 10.1016/j.jtemb.2014.06.024 (ang.).
4. K. VanK.V. Dyck K. VanK.V. i inni, Bioavailability of silicon from food and food supplements, „Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry”, 363 (5–6), 1999, s. 541–544, DOI: 10.1007/s002160051243.
5. RavinR. Jugdaohsingh RavinR. i inni, Dietary silicon intake is positively associated with bone mineral density in men and premenopausal women of the Framingham Offspring cohort, „Journal of Bone and Mineral Research: The Official Journal of the American Society for Bone and Mineral Research”, 19 (2), 2004, s. 297–307, DOI: 10.1359/JBMR.0301225, PMID: 14969400 (ang.).
6. Safety of organic silicon (monomethylsilanetriol, MMST) as a novel food ingredient for use as a source of silicon in food supplements and bioavailability of orthosilicic acid from the source, „EFSA Journal”, 14 (4), 2016, s. 4436, DOI: 10.2903/j.efsa.2016.4436 (ang.).
7. Choline-stabilised orthosilicic acid added for nutritional purposes to food supplements, „EFSA Journal”, 7 (2), 2009, art. nr 948, DOI: 10.2903/j.efsa.2009.948.
8. MagedM. Younes MagedM. i inni, Safety of orthosilicic acid-vanillin complex (OSA-VC) as a novel food ingredient to be used in food supplements as a source of silicon and bioavailability of silicon from the source, „EFSA Journal”, 16 (1), 2018, art. nr e05086, DOI: 10.2903/j.efsa.2018.5086 (ang.).

Bibliografia

• AdamA. Bielański AdamA., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2007, ISBN 978-83-01-13816-5. Brak numerów stron w książce* John DavidJ.D. Lee John DavidJ.D., Zwięzła chemia nieorganiczna, wyd. 4, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1997, ISBN 83-01-12352-4.

Encyklopedie internetowe (związek chemiczny):

• Catalana: 0210831
• DSDE: kiselsyre