Кремниевая кислота

Кремниевая кислота (H₂SiO₃) – это двухосновная кислородсодержащая слабая кислота (является одной из самых слабых минеральных кислот). В чистом виде кремниевая кислота является твёрдым веществом. В Н₂О растворяется плохо, поэтому может находиться только в разбавленных растворах, которые получают действием сильных кислот на растворы солей кремниевой кислоты:

Na₂SiO₃ + 2HCl = 2NaCl + Н₂SiO₃↓

При этом в осадок выпадают поликремниевые кислоты, а в растворе образуется небольшое количество метакремниевой кислоты Н₂SiO₃, которая быстро превращается в орто-форму:

H₂SiO₃ + H₂O → H₄SiO₄

В водных растворах кремниевая кислота диссоциирует крайне незначительно уже по первой стадии. Диссоциация по второй стадии протекает еще хуже:

Н₂SiO₃ H⁺ + HSiO₃⁻ K_{1 дисс.} = 2,2 ∙ 10^-10

НSiO₃⁻ H⁺ + SiO₃²⁻

Кремниевая кислота неустойчива и самопроизвольно может разрушаться уже при обычных условиях (необратимо):

H₂SiO₃ = H₂O + SiO₂

При слабом нагревании этот процесс значительно ускоряется. В водных растворах кремниевая кислота со временем полимеризуется:

Состав полимерных кремниевых кислот в общем виде можно выразить следующей формулой:

mSiO₂ ∙ nH₂O,

где m и n – целые числа.

Причем эти кислоты (а также и их соли) могут иметь как линейное, так и разветвленное строение.

Растворы кремниевой кислоты не имеют кислого вкуса, не окрашивают индикатор лакмус, т.к. концентрация ионов H⁺ в них ничтожно мала. Они не разъедают текстильные ткани, при попадании на кожу не вызывают ожогов.

Химические свойства

Переход кремниевой кислоты в полимерную формулу сопровождается превращением истинного раствора в коллоидный раствор – золь, который, в свою очередь, либо застудневает, т.е. превращается в гель, либо выпадает в виде объемистого осадка, включающего большое количество воды. Нагревая осадки поликремниевых кислот можно, постепенно их обезвоживая, получить тонкодисперсный SiO₂ – силикагель, который применяется в качестве адсорбента.

Растворы кремниевой кислоты могут реагировать только с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода. Но эта реакция протекает с очень малой скоростью (т.к. H₂SiO₃ слабая кислота) и только на поверхности металлов (т.к. соли кремниевой кислоты нерастворимы в Н₂О), поэтому ее можно не принимать во внимание. Ускорить реакцию за счёт повышения температуры нельзя, т.к. кислота при этом разрушится.

Реакции кремниевой кислоты с оксидами металлов также протекают очень медленно, только на поверхности оксидов и практического значения не имеют.

C нерастворимыми основаниями кремниевая кислота не реагирует, а с растворами щелочей реакция идет в 2 стадии:

Вначале образуется кислая соль:

NaOH +H₂SiO₃ = NaHSiO₃ + H₂O

А затем, если щёлочь взята в избытке, образуется средняя соль:

NaHSiO₃ + NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

C NH₃ кремниевая кислота может образовывать две соли NH₄HSiO₃ и (NH₄)₂SiO₃. Но т.к. эти соли образованы одновременно и слабой кислотой, и слабым основанием, то они в водном растворе уже в момент образования тут же подвергаются полному гидролизу. Поэтому выделить их не удаётся:

(NH₄)₂SiO₃ + 2H₂O = 2NH₃ ∙ H₂O + H₂SiO₃↓

Т.к. кремниевая кислота является одной из самых слабых минеральных кислот, то она не может вытеснить другие кислоты из растворов их солей, но сама вытесняется не только сильными кислотами, но и слабыми, например, угольной кислотой:

Na₂SiO₃ + H₂O + СO₂ = Na₂СO₃ + H₂SiO₃

Соли кремниевой кислоты называются силикатами. Все они, кроме солей, образованных щелочными металлами, нерастворимы в Н₂О.

Получают их сплавлением SiO₂ с оксидами металлов или со щелочами. Полимерные силикаты натрия и калия называют растворимым стеклом, а их водные растворы жидким стеклом. Жидкое стекло используется для укрепления грунтов при строительных работах и в ряде отраслей промышленности, поэтому его производство достигает нескольких сотен тысяч тонн ежегодно.

На практике растворимые стекла обычно получают путем сплавления SiO₂ с соответствующими карбонатами:

SiO₂ + Na₂СO₃ Na₂SiO₃ (Na₂O ∙ SiO₂) + СO₂ ↑

Растворимые силикаты подвергаются гидролизу и их водные растворы имеют щелочную среду:

Na₂SiO₃ + H₂O NaHSiO₃ + NaOH

SiO₃^2- + HOH HSiO₃^- + OH^-