矽酸

矽酸是一類具有[SiO_x(OH)_4-2x]_n通式的化合物，可以由可溶性矽酸鹽與酸反應製取。

矽酸
IUPAC名 Silicic acid
別名	Monosilicic acid Orthosilicic acid
識別
CAS號	10193-36-9 ?
PubChem	14942
ChemSpider	14236
SMILES	O[Si](O)(O)O
InChI	1S/H4SiO4/c1-5(2,3)4/h1-4H
InChIKey	RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N
Gmelin	2009
EINECS	233-477-0
ChEBI	266​75
性質
化學式	H4O4Si
摩爾質量	96.11 g·mol−1
pKa	9.84, 13.2
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

簡單的矽酸如偏矽酸H₂SiO₃、二矽酸H₂Si₂O₅和原矽酸H₄SiO₄等已經在稀溶液中檢測出；偏矽酸只能在0℃左右存在，室溫時縮合成二矽酸，二矽酸在150℃時轉變為無定形態。

可溶性的矽酸鹽，加任何弱酸(氫氟酸除外) ，都可以得到矽酸；游離出來的單分子矽酸，可溶於水，但它在溶液中逐漸締合而成雙分子、三分子，最後形成不溶解的多分子聚合物，所得的膠體稱為「矽酸溶膠」；如果矽酸鹽溶液濃度較大，則加酸後直接形成矽酸膠凍，脫水後得到矽酸凝膠；矽膠應用於吸收各種氣體和蒸汽、精鍊石油等，並可以用作催化劑的載體。

歷史

矽酸是由Jöns Jacob Berzelius在19世紀初援引來解釋二氧化矽（矽石，石英）在水中的溶解，即通過水化反應：

${\displaystyle {\ce {SiO2 + H2O <=> H2SiO3}}}$

根據矽膠的蒸氣壓力曲線，Van Bemellen（英語：Reinout Willem van Bemmelen）認為不存在二氧化矽水合物，只存在矽膠。另一方面，契馬克（英語：Gustav Tschermak von Seysenegg）認為他已經觀察到不同的矽酸是天然矽酸鹽凝膠的分解產物。^[1]

第一個結晶性的矽酸是由頁矽酸鹽Natrosilite(Na
2Si
2O
5)在1924年被製備出來。目前已知的結晶矽酸有15種以上，至少包括六種改性一些酸可以吸附和嵌入有機分子，因此是二氧化矽的有趣替代品。^[2]

製備

可以通過用離子交換樹脂從矽酸鈉溶液中去除鈉陽離子，或用濃硫酸處理矽酸鈉來製備結晶矽酸。^[2]

反應

矽酸可以被看作是二氧化矽的水合形式，即H
2xSiO
x+2 = (SiO
2)·(H
2O)
x。事實上，在濃縮溶液中，矽酸一般會聚合和凝結，最終降解為二氧化矽和水。中間階段可能是非常粘稠的液體或凝膠狀的固體。^[3][4][5]將後者脫水後會產生一種具有原子級孔隙的堅硬的半透明二氧化矽形式，稱為矽膠，它被廣泛用作吸水劑和乾燥劑。

矽石很少溶解在水中，在海水中的濃度低於100ppm。在這樣的稀釋溶液中，二氧化矽被認為以原矽酸的形式存在。理論計算表明，二氧化矽在水中的溶解是通過形成SiO
2·2H
2O複合物，然後是原矽酸。^[6]

偏矽酸的矽氧雙鍵，由公式H
2SiO
3，是假想的或高度不穩定的。這種雙鍵可以水化為一對羥基（OH）：^[3]

${\displaystyle {\ce {SiO + H2O <=> Si(OH)2}}}$

例如，

${\displaystyle {\ce {H2SiO3 + H2O <=> H4SiO4}}}$

或

${\displaystyle {\ce {H2Si2O5 + 2H2O <=> (HO)3SiOSi(OH)3}}}$

另外，偏矽酸有可能形成環狀聚合物[−SiO(OH)
2−]_n，可以通過水化作用打開成鏈狀聚合物HO[−SiO(OH)
2−]_nH。同樣地，二矽酸有可能形成具有四價單元的複合聚合物，[=Si
2O
3(OH)
2=]_n。 相反，低聚物和聚合酸可以通過Si−O−Si橋的水解而解聚，或者通過縮合產生這種橋。

${\displaystyle {\ce {SiOSi + H2O <=> SiOH + HOSi}}}$

像有機矽醇（英語：Silanol）一樣，矽酸被認為是弱酸。原矽酸的計算酸度係數pK_a1 = 9.84, pK_a2 = 13.2（在25℃下）。

矽酸和矽酸鹽在溶液中與鉬酸陰離子反應，產生黃色的矽鉬酸複合物。這種反應被用來滴定水溶液中的矽含量，並確定其性質。在一個典型的製備中，發現單體原矽酸在75秒內完全反應，二聚體焦矽酸在10分鐘內反應，而更高的低聚物則需要更長的時間。該反應在膠態二氧化矽（英語：Colloidal silica）中觀察不到。^[7]

矽酸在水溶液中的聚合程度可以通過其對溶液冰點的影響來確定（冷凍法）。^[7]

參考文獻

1. Robert Schwarz; Ernst Menner, Zur Kenntnis der Kieselsäuren, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1924, 57 (8): 1477–1481, doi:10.1002/cber.19240570850 （德語）.
2. Silicates, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 7th, 2007, doi:10.1002/14356007.a23_661.
3. W. E. Gye and W. J. Purdy (1922): "The Poisonous Properties of Colloidal Silica. I: The Effects of the Parenteral Administration of Large Doses". British Journal of Experimental Pathology, volume 3, issue 2, pages 75–85. .
4. Katsumi Goto (1956): "Effect of pH on Polymerization of Silicic Acid". Journal of Physical Chemistry, volume 60, issue 7, pages 1007–1008. doi:10.1021/j150541a046.
5. Hans Ramberg (1952): "Chemical Bonds and Distribution of Cations in Silicates". The Journal of Geology, volume 60, issue 4, pages 331–355. doi:10.1086/625982.
6. Bhaskar Mondal, Deepanwita Ghosh, and Abhijit K. Das (2009): "Thermochemistry for silicic acid formation reaction: Prediction of new reaction pathway". Chemical Physics Letters, volume 478, issues 4–6, pages 115–119. doi:10.1016/j.cplett.2009.07.063.
7. G. B. Alexander (1953): "The Reaction of Low Molecular Weight Silicic Acids with Molybdic Acid". Journal of the American Chemical Society, volume 75, issue 22, pages 5655–5657. doi:10.1021/ja01118a054.