Кремниевые кислоты и их соли

Кремниевая кислота это нерастворимая и очень слабая кислота с химической формулой Н₂SiO₃.

Она может быть получена действием на растворы силикатов сильными кислотами, например на Na₂SiO₃ и соляной кислоты HCl.

Метакремниевая кислота Н₂SiO₃ состоит из структурных звеньев, имеющих тетраэдрическое строение. Звенья соединяются в цепи, образуя поликремниевые кислоты.

Кремниевые кислоты и их соли

Кремневый ангидрид является кислотным окислом, которому соответствует ортокремниевая кислота H₄SiO₄.

Эта кислота очень легко конденсируется с образованием высокомолекулярной метакремниевой кислоты (Н₂SiO₃)_x.

Упрощенную формулу метакремневой кислоты записывают так: Н₂SiO₃ или кремниевая кислота.

Соли кремневых кислот называются кремнекислыми солями, или силикатами.

Силикаты калия и натрия получаются при сплавлении кремнезема с едкими щелочами или карбонатами калия и натрия

Например:

 SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

SiO₂ + K₂CO₃ = K₂SiO₃ + CO₂

Образующиеся при этом сплавы имеют вид стекловидных масс и в отличие от всех остальных силикатов, растворяются в воде.

Поэтому силикаты калия и натрия получили название растворимого стекла. 

Приведенные выше формулы силикатов калия и натрия являются упрощенными.

В действительности эти силикаты имеют переменный состав, выражаемый общей формулой:

R₂O • SiO₂,

где R означает калий или натрий.

Растворимое стекло в виде водных растворов, называется жидким стеклом, применяется для:

1. Изготовления кислотоупорного цемента и бетона.
2. Для керосино-непроницаемых штукатурок по бетону.
3. Для пропитывания тканей.
4. Для приготовления огнезащитных красок по дереву.
5. Для химического укрепления слабых грунтов.

Метакремниевая кислота

При действии соляной или серной кислоты на раствор Na₂SiO₃ или К2SiO₃ получается свободная метакремниевая кислота, которая в зависимости от концентрации взятых растворов.

Или выделяется из раствора в виде студенистого, осадка (иногда при этом вся жидкость превращается в студень), или остается в растворе в коллоидном состоянии.

Реакцию образования кремниевой кислоты можно выразить следующим уравнением:

 Na₂SiO₃ + 2НСl = H₂SiO₃ + 2NaCl

Выделяющийся из раствора студенистый осадок кремневой кислоты содержит огромное количество воды, которая может быть удалена нагреванием.

Однако таким путем никакой определенной кислоты, состав которой можно было бы выразить формулой, получить не удается.

Осадок постепенно теряет воду, пока, наконец, при прокаливании не превратится в чистый безводный кремневый ангидриде.

Полагают, что кремневый ангидрид образует много различных кремневых кислот, отличающихся, подобно фосфорным кислотам, различным содержанием воды.

На их существование указывает большое число разнообразных солей, которым соответствуют кислоты:

H₂SiO₃(SiO₂ + H₂O),

H₄SiO₄(SiO₂ + 2H₂O) и т. д.

Состав кремневых кислот можно выразить общей формулой:

mSiO₂ • nН₂O,

где т и п — целые числа.

Кислоты, для которых m>1, называются поликремневыми кислотами.

Пока с достоверностью установлено существование трех кислот — ортокремневой H₄SiO₄, метакремневой H₂SiO₃, точнее (H₂SiO₃)_x, и двуметакремневой (H₂Si₂O₅)_x.

Когда при реакции выделяется кремневая кислота, то для выражения ее состава обычно пользуются упрощенной формулой метакремневой кислоты H₂SiO₃.

Силикагель

Если из студенистого осадка кремневой кислоты удалить большую часть воды (не доводя его, однако, до полного обезвоживания), то получается твердая, белая, слегка просвечивающая масса, пронизанная множеством тончайших пор и обладающая огромной адсорбционной способностью.

Такое вещество называется силикагелем.

Он изготовляется в больших количествах в промышленности и широко применяется для поглощения различных паров и газов, для очистки минеральных масел, как катализатор при многих реакциях и т.п.

Силикагель используется также в качестве основы для нанесения катализаторов при получении серной кислоты контактным методом.

Кремневая кислота очень слабая, поэтому Na₂SiО₃ и K₂SiO₃ в растворах сильно гидролизованы и показывают щелочную реакцию.

Соли кремневой кислоты

Силикаты

Соли кремневой кислоты — силикаты — чрезвычайно распространены в природе. Как уже упоминалось, земная кора состоит главным образом из кремнезема и различных силикатов.

К природным силикатам принадлежат полевые шпаты, слюды, глины, асбест, тальк и многие другие минералы.

Силикаты входят в состав целого ряда горных пород: гранита, гнейса, базальта, различных сланцев и т. д.

Многие драгоценные камни, например изумруд, топаз, аквамарин, представляют собой хорошо образованные, кристаллы природных силикатов.

Состав природных силикатов выражается в большинстве случаев довольно сложными формулами. Ввиду сложности этих формул, а также недоказанности существования соответствующих поликремневых кислот принято писать их несколько иначе, чем обычные формулы солей.

Дело в том, что всякую соль кислородной кислоты можно рассматривать как соединение кислотного окисла с основным (или даже с двумя основными окислами, если это двойная соль).

Например, СаСО₃ можно рассматривать как соединение СаО и СO₂, Аl₂(SO₄)₃ — как соединение Аl₂O₃ и 3SO₃ и т. д.

На этом основании при изображении состава силикатов обыкновенно пишут отдельно формулы кремневого ангидрида и всех окислов, образующих силикат, не сливая их в одну формулу соли.

Приведем формулы некоторых природных силикатов:

Каолин Аl₂O₃ • 2SiO₂ • 2Н₂O, или H₄Al₂Si₂O₉.

Слюда белая К₂O • 3Аl₂O₃•6SiO₂•2Н₂O, или H₄K₂Al₆Si₆O₂₄.

Асбест СаО • 3MgO • 4SiO₂, или CaMg₃Si₄O₁₂.

Как уже указывалось ранее, силикаты, содержащие алюминий, называются алюмосиликатами. Самыми важными из них являются полевые шпаты.

Полевые шпаты

В состав полевых шпатов, кроме окислов кремния и алюминия, входят еще окислы калия, натрия или кальция.

Обыкновенный полевой шпат, или ортоклаз, содержит окись калия; состав его выражается формулой:

К₂О • Аl₂O₃• 6SiO₂.

Преобладающий цвет полевых шпатов — белый или красный. Они встречаются как сплошными залежами, так и в составе сложных горных пород.

К алюмосиликатам относятся также довольно известные минералы — слюды, отличающиеся способностью раскалываться на тонкие, гибкие листочки.

Слюды

Слюды имеют очень сложный состав и наряду с кремнием и алюминием содержат водород, калий или натрий; некоторые слюды содержат также кальций, магний и железо.

Обычная белая слюда, большие прозрачные пластинки которой вследствие их тугоплавкости часто применяются для закрывания отверстий в различных печах, является силикатом калия и алюминия.

Слюды, содержащие много железа и магния, имеют черный цвет. Отдельно слюды встречаются не часто, но зато входят в состав очень многих сложных горных пород.

Из кристалликов кварца, полевого шпата и слюды состоят самые распространенные сложные горные породы — граниты и гнейсы.

На поверхности земли минералы и горные породы, соприкасаясь с атмосферой и подвергаясь механическому и химическому действию воды и воздуха, постепенно изменяются и разрушаются.

Это разрушение, обусловленное совместной деятельностью воды и воздуха, носит название выветривания.

Особенное значение имеет разложение полевых шпатов, например ортоклаза.

Вода, содержащая углекислый газ, действует на ортоклаз таким образом, что К₂О отщепляется и, соединяясь с СО₂, дает поташ К₂СО₃.

Отщепляется также часть SiО₂, а остаток соединяется с водой и образует новый силикат — каолин, составляющий основу различных глин.

Разложение ортоклаза можно выразить следующим уравнением:

К₂О•Аl₂O₃ • 6SiO₂ + СО₂ + nН₂O = K₂CO₃ + 4SiO₂ • mH₂O + Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O

Подобно полевым шпатам, но более медленно, разлагаются слюды.

Процесс превращения полевых шпатов и других алюмосиликатов в каолин называется каолинизацией.

Так как полевые шпаты очень распространены, то в результате их разложения в природе образуются огромные количества глины.

Каолин

Чистый каолин встречается сравнительно редко. Он имеет белый цвет и содержит лишь незначительную примесь кварцевого песка.

Такой каолин ценится как материал для приготовления фарфора. Богатые залежи каолина имеются во многих местах СНГ, особенно в южной его части.

Лучший каолин получают из месторождений Глуховского района Украина.

Обыкновенная глина представляет собой смесь каолина с другими веществами, окрашивающими ее в желтовато-бурый или синеватый цвет.

Некоторые сорта глин, интенсивно окрашенные окислами железа,, применяются в качестве минеральных красок (охра и др.).

Соединения кремния играют важную роль в народном хозяйстве. Кремнезем и природные силикаты служат исходными материалами при производстве стекла, керамиковых изделий, фарфора и фаянса, строительных и вяжущих материалов.

Все эти производства составляют большую отрасль народного хозяйства, носящую название силикатной промышленности.

Быстрые ответы?