ケイ酸塩

ケイ酸塩は、ケイ素と酸素からなる多原子陰イオンの一種であり、通常、一般式[SiO^{(4-2 x )−}
_{4− x}]
_ん0 ≤ x < 2である。このファミリーにはオルトケイ酸塩 SiOが含まれる。4−4( x = 0 )、メタケイ酸塩 SiO2−3（x = 1）、およびピロケイ酸塩 Si ₂ O6−7( x = 0.5、n = 2 )。この名前は、メタケイ酸ナトリウムなどのそのような陰イオンの塩、またはテトラメチルオルトケイ酸などの対応する化学基を含むエステルにも使用されます。^[1]「ケイ酸塩」という名前は、一般式に当てはまらなかったり、酸素以外の原子を含んでいたりする場合でも、ケイ素を含む陰イオンすべてに拡張されることがあります。たとえば、ヘキサフルオロケイ酸[SiF ₆ ] ²⁻などです。最も一般的には、ケイ酸塩はケイ酸塩鉱物として見られます。

ケイ酸塩は、製造、技術、芸術の多様なニーズに対応する多目的材料であり、天然（花崗岩、砂利、ガーネットなど）と人工（ポートランドセメント、セラミック、ガラス、水ガラスなど）の両方に使用できます。

ほとんどのケイ酸塩では、ケイ素原子は理想的な四面体の中心を占めており、その頂点には4つの酸素原子があり、オクテット則に従って単一の共有結合でつながっています。^[1]いくらかの負電荷を持つ酸素原子は、他の陽イオン（M ⁿ⁺）と結合しています。このSi-OMO-Si結合は強くて堅固で、この特性は岩のようなケイ酸塩に現れています。ケイ酸塩は、ケイ酸アニオンの長さと架橋によって分類できます。

孤立したオルトケイ酸アニオンの化学式はSiO⁴⁻⁴
₄このグループによく見られる鉱物はオリビン（（Mg,Fe）_{2SiO4 ）}です 。

2つ以上のシリコン原子は様々な方法で酸素原子を共有し、より複雑な陰イオン（例えば、ピロケイ酸 Si）を形成する。
₂お⁶⁻⁷
_7歳。

2つの共有酸化物がそれぞれのシリコンに結合しているため、環状またはポリマー構造が生じる可能性があります。環状メタケイ酸塩リングSi
₆お¹²⁻¹⁸
_歳SiO ₃ ^2-の六量体です。 高分子ケイ酸アニオンは長鎖としても存在できます。

イノケイ酸塩の一種である単鎖ケイ酸塩では、四面体がそれぞれ 2 つの酸素原子を共有して鎖を形成します。このグループによく見られる鉱物は輝石です。

イノケイ酸塩のもう 1 つのカテゴリである二重鎖ケイ酸塩は、四面体がそれぞれ 2 つまたは 3 つの酸素原子を共有して二重鎖を形成する (常にではないが大抵の場合) 場合に発生します。このグループによく見られる鉱物は、角閃石です。

フィロケイ酸塩として知られるこのグループでは、四面体はすべて 3 つの酸素原子を共有し、2 次元のシートを形成するように結合します。この構造により、このグループの鉱物は 1 つの強力な劈開面を持ちます。雲母はこのグループに分類されます。白雲母と黒雲母はどちらも非常に弱い層を持ち、シート状に剥がすことができます。

テクトケイ酸塩として知られる骨格ケイ酸塩では、各四面体が隣接する四面体と 4 つの酸素原子すべてを共有し、3D 構造を形成します。石英と長石はこのグループに属します。

四面体はケイ素(IV)化合物の一般的な配位構造であるが、ケイ素はより高い配位数で存在することもある。例えば、六フッ化ケイ素酸アニオン SiF²⁻⁶
₂₋₆シリコン原子は6つのフッ素原子に囲まれて八面体状に配列している。この構造はヘキサヒドロキシケイ酸アニオンSi(OH)にも見られる。²⁻⁶
₂₋₆これはソーマサイトに含まれる鉱物で、自然界ではほとんど見られないが、酸化黄鉄鉱を含む粘土質地盤中の激しい硫酸塩攻撃を受けたセメントやコンクリート構造物中に人工的に形成された他のケイ酸カルシウム水和物の中に時々見られる。^{[2] [3] [4] [5] [6]}

地球の地殻の大部分に存在するような非常に高い圧力下では、SiO _{2でさえ、地球の}下部マントルに見られ、隕石衝突の衝撃によっても形成される高密度シリカ多形である鉱物スティショバイト内で、6配位の八面体形状をとります。

オルトケイ酸ナトリウムやメタケイ酸ナトリウムなどのアルカリ陽イオンと小さなまたは鎖状の陰イオンを持つケイ酸塩は、水にかなり溶けます。溶液から結晶化すると、いくつかの固体水和物を形成します。水ガラスとして知られる可溶性ケイ酸ナトリウムとその混合物は、重要な工業用および家庭用の化学物質です。非アルカリ陽イオンのケイ酸塩、またはシート状および三次元ポリマー陰イオンを持つケイ酸塩は、通常、通常の状態では水への溶解度が無視できるほどです。

ケイ酸塩は一般に化学的に不活性です。そのため、一般的な鉱物です。また、その弾力性から建築材料としても使用されます。

酸化カルシウムと水で処理すると、ケイ酸塩鉱物がポルトランドセメントを形成します。

ケイ酸塩鉱物の加水分解に関わる平衡を研究することは困難である。主な課題は、SiO ₄ ^4-とそのさまざまなプロトン化形態の溶解度が非常に低いことである。このような平衡は、地質学的時間スケールで発生するプロセスに関連している。^{[7] [8]一部の植物は、}バイオミネラリゼーション のステップとして、ケイ酸塩を溶解するリガンドを排出する。

溶液中のケイ酸アニオンはモリブデン酸アニオンと反応して黄色のケイモリブデン錯体を生成する。典型的な調製では、モノマーオルトケイ酸は75秒で完全に反応し、ダイマーピロケイ酸は10分で、より高次のオリゴマーはかなり長い時間で反応することがわかった。特に、コロイドシリカの懸濁液では反応は観察されない。^[8]

可溶性ケイ酸塩の性質は、バイオミネラリゼーションや、ゼオライトと呼ばれる工業的に重要な触媒などのアルミノケイ酸塩の合成を理解する上で重要です。^[7]アルミネートアニオンとともに、可溶性ケイ酸塩アニオンもジオポリマーの重合メカニズムで重要な役割を果たします。ジオポリマーは非晶質のアルミノケイ酸塩で、その製造には通常のポルトランドセメントよりも少ないエネルギーしか必要としません_。そのため、ジオポリマーセメントは、地球の大気中へのCO2排出量と、この温室効果ガスによって引き起こされる地球温暖化の抑制に貢献できる可能性があります。

• アルカリシリカ反応
• 炭素循環
• 炭酸塩-ケイ酸塩サイクル
• 海洋酸性化