Кремниевые кислоты

Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде кислоты общей формулы [math]\displaystyle{ n\textrm{SiO}_2\cdot m\textrm{H}_2\textrm{O} }[/math].

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

[math]\ce{ (SiO2)_{x}{} + 2 H2O <=> H4SiO4 + (SiO2)_{x-1} }[/math]

Образовавшаяся неустойчивая ортокремниевая кислота вступает в реакции поликонденсации:

[math]\ce{ 2 H4SiO4 -> (HO)3SiOSi(OH)3 + H2O }[/math]

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:

[math]\ce{ H2SiO3 + 2 KOH -> K2SiO3 + 2 H2O }[/math]

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

[math]\ce{ H2SiO3 + 6 HF -> H2SiF6 + 3 H2O -> SiF4 ^ + (2 HF + 3 H2O) }[/math]

Ортокремниевая кислота в присутствии катализаторов на основе щёлочи (чаще NaOH) способна образовывать ортосиликаты-эфиры^[1] 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:
[math]\ce{ Na2SiO3 + 2 HCl -> H2SiO3 v + 2 NaCl }[/math]
гидролизом хлорсиланов:
[math]\ce{ SiH2Cl2 + 3 H2O -> H2SiO3 + 2 HCl + 2 H2O }[/math]
гидролизом солей кремниевых кислот. Гидролиз идёт ступенчато:
1-я ступень:
[math]\ce{ K2SiO3 + HOH -> KHSiO3 + KOH }[/math]

2-я ступень:
[math]\ce{ KHSiO3 + HOH -> H2SiO3 + KOH }[/math]

общее молекулярное уравнение:
[math]\ce{ K2SiO3 + 2 H2O -> H2SiO3 + 2 KOH }[/math]
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

↑ 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.

[1] В промышленности для синтеза ортосиликатов-эфиров вместо ортокремниевой кислоты используют галогениды кремния.

[1]