Кремниевые кислоты

Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде кислоты общей формулы ${\displaystyle n{\textrm {SiO}}_{2}\cdot m{\textrm {H}}_{2}{\textrm {O}}}$.

Метакремниевая кислота

Номенклатура

Из кремниевых кислот известны:

• метакремниевая H₂SiO₃,
• ортокремниевая H₄SiO₄,
• дикремниевые:
  • метадикремниевая^[1] H₂Si₂O₅,
  • диметакремниевая^[1] H₄Si₂O₆,
  • пирокремниевая (ортодикремниевая^[1]) H₆Si₂O₇,
  • пентагидрокремниевая^[2] H₁₀Si₂O₉,
• поликремниевые nSiO₂⋅mH₂O.

Соответствующие соли называют силикатами (метасиликаты, ортосиликаты и др.).

Строение

Метакремниевая кислота состоит из структурных звеньев, имеющих тетраэдрическое строение. Звенья соединяются в цепи, образуя поликремниевые кислоты.

Физические и химические свойства

Все поликремниевые кислоты малорастворимы в воде. В воде образуют коллоидные растворы по общей схеме реакции

${\displaystyle {\ce {(SiO2)_{x}{}+ 2 H2O <=> H4SiO4 + (SiO2)_{x-1}}}}$

Образовавшаяся неустойчивая ортокремниевая кислота вступает в реакции поликонденсации:

${\displaystyle {\ce {2 H4SiO4 -> (HO)3SiOSi(OH)3 + H2O}}}$

в результате чего образуются сложные линейные, разветвлённые и смешанные структуры.

Изоэлектрическая точка поликремниевых кислот находится в интервале pH 2,0—3,0, в котором поликонденсация идёт с минимальной скоростью.

Кремниевые кислоты являются слабыми. Для метакремниевой кислоты H₂SiO₃ константы диссоциации K₁ = 1,3⋅10⁻¹⁰, K₂ = 1,6⋅10⁻¹², для ортокремниевой H₄SiO₄ K₁ = 2⋅10⁻¹⁰, K₂ = K₃ = K₄ = 2⋅10⁻¹².

Кремниевые кислоты растворяются в растворах и расплавах щелочей, образуя силикаты, например:

${\displaystyle {\ce {H2SiO3 + 2 KOH -> K2SiO3 + 2 H2O}}}$

Кремниевые кислоты могут взаимодействовать с плавиковой кислотой (HF) с образованием газообразного фторида кремния:

${\displaystyle {\ce {H2SiO3 + 6 HF -> H2SiF6 + 3 H2O -> SiF4 ^ + (2 HF + 3 H2O)}}}$

Ортокремниевая кислота в присутствии катализаторов на основе щёлочи (чаще NaOH) способна образовывать ортосиликаты-эфиры^[3] в общем случае имеющие вид R¹R²R³R⁴SiO₄, где R^1—4 — органические радикалы, как правило, являющиеся спиртовыми остатками. Известным массовым продуктом является тетраэтилортосиликат состава Si(C₂H₅O)₄

Получение

Растворы кремниевых кислот получают:

• действием сильных кислот на растворимые силикаты натрия или калия:

  ${\displaystyle {\ce {Na2SiO3 + 2 HCl -> H2SiO3 v + 2 NaCl}}}$

• гидролизом хлорсиланов:

  ${\displaystyle {\ce {SiH2Cl2 + 3 H2O -> H2SiO3 + 2 HCl + 2 H2}}}$

• гидролизом солей кремниевых кислот. Гидролиз идёт ступенчато:

  1-я ступень:

  ${\displaystyle {\ce {K2SiO3 + HOH -> KHSiO3 + KOH}}}$

  2-я ступень:

  ${\displaystyle {\ce {KHSiO3 + HOH -> H2SiO3 + KOH}}}$

  общее молекулярное уравнение:

  ${\displaystyle {\ce {K2SiO3 + 2 H2O -> H2SiO3 + 2 KOH}}}$

• а также методами электродиализа и ионного обмена.

Применение

Гидрозоли кремниевых кислот используются как наполнители и связующие материалы в производстве керамических изделий, различных покрытий. Они используются как носители катализаторов и светочувствительных слоёв в фотоматериалах. Они служат сырьём для получения кварцевого стекла, различных адсорбентов, поглотителей паров воды и газов, фильтров очистки воды и масел.

Примечания

1. Frank Wigglesworth Clarke. The constitution of the natural silicates (англ.). — Washington: Govt. Print. Off., 1914. — P. 11. — (United States Geological Survey). — doi:10.3133/b588.
2. Norman Neill Greenwood, Alan Earnshaw. Chemistry of the elements. — 2nd ed. — Oxford Boston: Butterworth-Heinemann, 1997. — С. 346. — ISBN 978-0-7506-3365-9.
3. В промышленности для синтеза ортосиликатов-эфиров вместо ортокремниевой кислоты используют галогениды кремния.

Литература

• Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2 (Даф-Мед). — 671 с. — ISBN 5-82270-035-5.
• Капуцкий Ф. Н., Тикавый В. Ф. Пособие по химии для поступающих в вузы. — Минск: Выш. школа, 1979. — С. 384.
• Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы. — М.: Высшая школа, 1994. — С. 447.