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 R1—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]
- 1-я ступень:
- 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.