Кремниевые кислоты

Метакремниевая кислота

Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде кислоты общей формулы $n{\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">SiO</mrow>}}_2\cdot m{\text{H}}_2\text{O}$.

Номенклатура

Из кремниевых кислот известны: метакремниевая H₂SiO₃, ортокремниевая H₄SiO₄, дикремниевые H₂Si₂O₅ и H₁₀Si₂O₉, пирокремниевая H₆Si₂O₇ и 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

$(\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_x+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+(\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_{x-1}$

Образовавшаяся неустойчивая ортокремниевая кислота вступает в реакции поликонденсации:

$2\mathrm{H}{\phantom{A}}_4\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶(\mathrm{H}\mathrm{O}){\phantom{A}}_3\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}\mathrm{S}\mathrm{i}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

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:

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}⟶\mathrm{K}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

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

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+6\mathrm{H}\mathrm{F}⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{F}{\phantom{A}}_6+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{F}{\phantom{A}}_4\uparrow +(2\mathrm{H}\mathrm{F}+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O})$

Ортокремниевая кислота в присутствии катализаторов на основе щёлочи (чаще NaOH) способна образовывать ортосиликаты-эфиры 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:

  $\mathrm{N}\mathrm{a}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\downarrow +2\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}$

• гидролизом хлорсиланов:

  $\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

• гидролизом солей кремниевых кислот. Гидролиз идёт ступенчато:

  1-я ступень:

  $\mathrm{K}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{H}⟶\mathrm{K}\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}$

  2-я ступень:

  $\mathrm{K}\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{H}⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}$

  общее молекулярное уравнение:

  $\mathrm{K}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}$

• 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.

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.