Кремниевые кислоты

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.).

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

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^[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

Растворы кремниевых кислот получают:

• действием сильных кислот на растворимые силикаты натрия или калия:

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

• гидролизом хлорсиланов:

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

• 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.

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.