ケイ酸

化学において、ケイ酸（/ s ɪ ˈ l ɪ s ɪ k /）とは、酸化物（=O）と水酸基（−OH ）に結合したケイ素元素を含む化学化合物のことで、一般式は[ H _{2 x} SiO _{x +2} ] _nまたは同等に[ SiO _x (OH) _{4−2 x} ] _nです。^{[ 1 ] [ 2 ]}オルトケイ酸は代表的な例です。ケイ酸は単独では観察されませんが、海水を含む水溶液中に存在すると考えられており、生体鉱化作用に役割を果たしています。^{[ 3 ]}ケイ酸は通常、無色で水にわずかに溶ける弱酸です。ケイ素原子の数に応じて、モノケイ酸とポリケイ酸（ジケイ酸、トリケイ酸、テトラケイ酸など）があります。ケイ酸アニオン（ケイ酸アニオンはケイ酸のよりよく知られた共役塩基である）と同様に、ケイ酸もオリゴマーまたはポリマーであると考えられている。モノマーケイ酸は、X線結晶構造解析によって明確に定義された形態で同定されたことがないため、主に理論的な関心の対象となっている。

ケイ酸は、シリカの水和形態、すなわち2 H _{2 x} SiO _{x +2} = SiO ₂ · (H ₂ O) _xと見なすことができます。実際、濃縮溶液中では、ケイ酸は一般的に重合および凝縮し、最終的には二酸化ケイ素と水に分解します。中間段階は非常に粘稠な液体またはゲル状の固体である場合があります。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}後者を脱水すると、シリカゲル と呼ばれる原子スケールの細孔を持つ硬くて半透明のシリカ形態が得られ、これは吸水剤および乾燥剤として広く使用されています。

シリカは水に非常に溶けにくく、海水中の濃度は100ppm未満である。このような希薄溶液中では、シリカはオルトケイ酸として存在すると考えられている。理論計算によると、シリカの水への溶解は_、 SiO2・2H2O錯体の形成を経てオルトケイ酸へと進行_する。^{[ 7 ]}

メタケイ酸のケイ素-酸素二重結合は、式H ₂ SiO ₃で示されるように、仮説上のものか非常に不安定なものです。このような二重結合は、一対のヒドロキシル( −OH ) 基に水和することができます。 ^{[ 4 ]}

${\displaystyle {\ce {=Si=O + H2O <-> =Si(-OH)2}}}$

例えば、

${\displaystyle {\ce {{\overset {メタケイ酸\ 酸}{H2SiO3}}+H2O<->{\overset {オルトケイ酸\ 酸}{H4SiO4}}}}}$

または

${\displaystyle {\ce {{\overset {二ケイ酸\ 酸}{H2Si2O5}}+2H2O<->{\overset {ピロケイ酸\ 酸}{(HO)3Si-O-Si(OH)3}}}}}$

あるいは、メタケイ酸は環状ポリマー[ −SiO(OH) ₂ −] _nを形成しやすく、これは水和によって鎖状ポリマーHO [ −SiO(OH) ₂ −] _n Hに開環することができる。同様に、二ケイ酸は四価単位を持つ複合ポリマー[ =Si ₂ O ₃ (OH) ₂ =] _nを形成しやすい。逆に、オリゴマー酸およびポリマー酸は、 Si−O−Si架橋の加水分解によって解重合するか、または縮合によってそのような架橋が生成される可能性がある。

${\displaystyle {\ce {#Si-O-Si# + H2O <-> #Si-OH + HO-Si#}}}$

有機シラノールと同様に、ケイ酸は弱酸である。オルトケイ酸の計算_解離電位は、 25 ℃でpKa1 = _9.84、pKa2 = _{13.2である。}     

溶液中のケイ酸とケイ酸塩はモリブデン酸アニオンと反応し、黄色のケイモリブデン酸錯体を生成する。この反応は、水溶液中のケイ素含有量を滴定し、その性質を決定するために使用されてきた。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分で反応し、より高次のオリゴマーはかなり長い時間を要することがわかった。この反応はコロイドシリカでは観察されない。^{[ 8 ]}

水溶液中のケイ酸の重合度は、溶液の凝固点への影響（凝固点降下法）によって決定することができる。^{[ 8 ]}

19世紀初頭、イェンス・ヤコブ・ベルセリウスは、二酸化ケイ素（シリカ、石英）が水に溶解する現象、すなわち水和反応を説明するためにケイ酸を提唱した。

${\displaystyle {\ce {{\overset {シリカ}{SiO2}}+{\overset {水}{H2O}}<->{\overset {ケイ酸\ 酸}{H2SiO3}}}}}$

シリカゲルの蒸気圧曲線に基づいて、レインアウト・ウィレム・ファン・ベメレンはシリカ水和物は存在せず、シリカゲルのみが存在すると主張した。一方、グスタフ・チェルマク・フォン・ザイゼネッグは、天然ケイ酸塩ゲルの分解生成物としてさまざまなケイ酸を観察したと信じていた。^{[ 9 ]}

最初の結晶性ケイ酸は、 1924年にフィロケイ酸塩ナトロシライト（Na ₂ Si ₂ O ₅）から調製されました。15種類以上の結晶性酸が知られており、少なくとも6種類のH ₂ Si ₂ O ₅の変種が含まれています。一部の酸は有機分子を吸着およびインターカレーションできるため、シリカの興味深い代替品となります。^{[ 10 ]}

結晶性ケイ酸は、ケイ酸ナトリウム溶液からイオン交換樹脂を用いてナトリウムカチオンを除去するか、ケイ酸ナトリウムを濃硫酸で処理することによって調製することができる。^{[ 10 ]}

• ホウ酸