Силікатна кислота — формула, властивості, застосування

З’єднання оксиду силіцію (кремнія) з молекулами H₂O належить до категорії слабких нерозчинних кислот. Силікатна кислота отримала величезний попит у багатьох галузях сучасної промисловості.

Отримують його в результаті реакції сильних кислот на розчини силікатів калію і натрію. Дана нестійка речовина стало відомо людству в 1825 році. Вивченням загальної формули гідроксиду силіцію займаються на уроках хімії в 10 класі.

Опис

Від 26 до 30% від загальної маси земної кори складається з гідроксиду силіцію (загальна формула — H₂SiO₃). У морській воді концентрація цієї речовини досягає позначки 3 мг/л. За рівнем поширеності в літосфері силіцій знаходиться на другому місці після O₂.

Найбільш затребувана форма H₂SiO₃ – кремнезем, який є діоксидом. Хімічні та фізичні властивості цього матеріалу вплинули на його поширеність у промисловості.

Гідроксид силіцію – це неметал, який в залежності від створених умов може проявляти не тільки кислотні, але і основні характеристики. Силіцій є напівпровідником, через що активно використовується в електротехніці.

Від алотропного стану залежать хімічні та фізичні властивості H₂SiO₃. Найчастіше доводиться працювати з кристалічною формою нестійкої речовини, оскільки її характеристики найбільш затребувані в народному господарстві.

Номенклатура силікатної (кремнієвої) кислоти (хімічна формула — nSiO_{2 ·} mH₂O) охоплює різні підвиди. Умовне позначення хімічного складу виглядає так:

• Дисилікатні. Йдеться про H₆Si₂O₇, H₂Si₂O₅, H₁₀Si₂O₉. При температурі +20 °C показник розчинності в H₂O становить 2.93 моль/л (-4 ступінь).
• Ортосилікатні (H₄SiO₄). Метасилікатна та ортосилікатна кислоти є найбільш поширеними хімічними речовинами цього виду.
• Піросилікатні сполуки (H₆Si₂O₇).

Найбільш поширена форма силіцію являє собою темно-сірий порошок. Ця речовина має алмазоподібну кристалічну решітку, але між атомами занадто довгий зв’язок, з чим і пов’язана крихкість неметалу.

Солі силікатних кислот позначаються тільки як силікати. До складу полісилікатних кислот входять специфічні структурні ланки, які з’єднані між собою в складні розгалужені, а також лінійні ланцюги. У графічних формулах і окремих характеристиках присутні серйозні відмінності, але всі види цих хімічних сполук мають тетраедричний принцип будови.

Гідрат оксиду силіцію (кремнезем) обов’язково присутній в складі екзоскелетів одноклітинних найпростіших.

Переваги та недоліки

Як і багато інших хімічних речовин, гідроксид силіцію володіє певними позитивними і негативними характеристиками, від яких залежить сфера його застосування.

Серед основних переваг можна виділити:

• Утворення великої кількості різних сполук з корисними властивостями. Наприклад, силіциди, силани, діоксиди і силікати. H₂SiO₃ і його сполуки можуть утворювати різні розчини, які необхідні для виробництва каменю, скла і кераміки.
• Доступність і довговічність. У природі силіцій знаходиться не у вільному вигляді, але технологія виробництва цієї речовини не відрізняється складністю.
• H₂SiO₃ нетоксичний, завдяки чому його можна використовувати в будь-якій галузі. Технологічний процес безпечний, завдяки чому ризик негативного впливу на людину і навколишнє середовище зведений до мінімуму.

Серед недоліків H₂SiO₃ можна виділити тільки невелику крихкість.

Гідроксид силіцію заборонено використовувати для зведення несучих конструкцій. H₂SiO₃ має великий попит при обробці поверхні кристалів, що є актуальним у сфері приладобудування.

Особливості силікатних кислот

У природі вищого гідроксиду силіцію не існує. Аморфний H₂SiO₃ в результаті взаємодії з парою H₂O при температурі +500 °C утворює водень і діоксид силіцію. Рівняння цієї хімічної реакції можна зобразити наступним чином:

Si (аморфний) + 2H₂O (пар) → SiO₂ + 2H₂

Діоксид силіцію являє собою слабкий кислотний оксид. Якщо задіяти водень і H₂SiO₃, то в підсумку можна буде отримати nSiO₂ · mH₂O. Характер силікатної кислоти залежить від загальної кількості атомів силіцію, водню і кисню, наприклад:

• піросилікатна (H₆Si₂O₇);
• метасилікатна (H₂SiO₃);
• дисилікатна (H₂Si₂O₅, H₁₀Si₂O₉);
• ортосилікатна (H₄SiO₄).

На уроках хімії в 10 класі можна дізнатися, що солі силікатних кислот називаються силікатами.

Наукові дослідження показали, що nSiO₂ · mH₂O не можна отримати в результаті взаємодії оксиду силіцію з H₂O. Це пов’язано з тим, що діоксид не реагує з водою навіть при впливі високої температури. Якщо задіяти водень, тоді в результаті буде утворений чистий H₂SiO₃.

Хімічна властивість

H₂SiO₃ не має вираженого запаху, а також погано розчиняється у воді. Кислоти силицію істотно відрізняються від інших органічних речовин.

Основні відмінності:

• кислоти не дисоціюють;
• при взаємодії з H₂O утворюється колоїдний розчин;
• силікатні кислоти не впливають на забарвлення індикатора.

Розчинити nSiO₂ · mH₂O можна в розчинах лугів і спеціальних розплавах. В результаті утворюються силікати:

H₂SiO₃ + 2KOH → K₂SiO₃ + 2H₂O

Всі з’єднання з силіцієм реагують з плавиковою кислотою, наприклад:

H₂SiO₃ + 6HF → H₂SiF₆ + 3H₂O → SiF₄ + 2HF + 3H₂O

В результаті дії сульфатної кислоти на силіцій відбувається утворення складного з’єднання під назвою хлорсилан, а також виділяється газ (водень).

Якщо для проведення хімічної реакції використовується силіцій плюс гідроксид натрію, тоді результат буде наступним:

Si + NaOH → Na₄SiO₄ + 2H₂

Властивості силікатних кислот вплинули на те, що ці хімічні речовини активно використовуються для серійного виробництва керамічних покриттів і міцних виробів з кераміки. nSiO₂ · mH₂O застосовується для виготовлення:

• силікагелю (SiOH);
• скла;
• різних фільтрів.

Фізичні характеристики

У промисловості найчастіше використовується силіцій у вигляді кристалів, які володіють необхідними технічними властивостями. Серед основних фізичних характеристик H₂SiO₃ можна виділити те, що ця речовина починає плавитися при температурі +1427 °C, а закипає при +2600 °C.

Рівень теплоємності і теплопровідність не володіють постійними характеристиками, але найчастіше підсумковий показник знаходиться в межах 800 Дж/(кг*к). Матеріал досить крихкий, оскільки його густина становить всього 2.33 г/см³. Твердість за шкалою Мооса не перевищує 7 балів. H₂SiO₃ прозорий для довгохвильового інфрачервоного випромінювання, що важливо при виготовленні якісної оптики.

Підсумкові електричні властивості гідроксиду силіцію залежать від присутніх домішок. Для серійного виготовлення будь-яких товарів навчилися використовувати цю особливість елемента, витягуючи з неї величезну користь, оскільки можна завжди скорегувати потрібний тип напівпровідника.

У звичайних умовах H₂SiO₃ є досить крихкою речовиною, але при нагріванні до +800 °C не виключена пластична деформація.

Гідроокис силіцію належить до розряду найпростіших nSiO₂ · mH₂O, а його солі називаються силікати. H₂SiO₃ у вигляді білого порошку практично не розчиняється у воді та не має вираженого смаку і запаху.

Частинки силіцію округлі, через що наділені незначними адсорбційними та абразивними властивостями. Силікатна кислота входить до складу багатьох фармацевтичних препаратів, оскільки добре переноситься організмом людини, а ймовірність виникнення побічних реакцій зведена до мінімуму.

Сфери застосування

Властивості силікатної кислоти залежать від наявності в складі домішок, завдяки яким можна отримати кристали силіцію з певними характеристиками.

Основні сфери застосування елемента:

• У металургійній галузі гідроксид силіцію використовується як модифікатора сплавів. H₂SiO₃ застосовується як розкислювач при виробництві високоякісного чавуну.
• Гідроксид силіцію є основою електротехніки. Ця речовина входить до складу різних фотоелементів, транзисторів, діодів, інтегральних схем. Функціональність готового пристрою залежить від характеристики поверхневого шару кристала.
• Солі силіцію (силікати) легко розкладаються під впливом високої температури. Вони використовуються для серійного виробництва кераміки, скла, бетону, фаянсу, кришталю, цементу.
• В результаті з’єднання неметалу силікатної кислоти з вуглецем утворюється карбід, який отримав величезний попит в металургійній галузі, приладобудуванні, а також в хімічній промисловості. Ця речовина зарекомендувала себе як широкозональний провідник, який відрізняється високою твердістю. Карбід часто використовують як абразивний матеріал.
• H₂SiO₃ дозволяє утворювати різні сполуки за типом вуглецевих зв’язків, які в науковому середовищі називаються кремнійорганічними. Ці речовини використовуються для виготовлення автомобільних мастил, силікону, герметика.
• Серед силікатів розчинними є тільки солі лужних металів, які заведено називати рідким склом. Силікати калію і натрію входять до складу силікатного клею.

Концентровані розчини силікатної кислоти використовуються для просочення дерев’яних виробів і тканин, щоб надати їм вогнетривких властивостей. Після висихання силікати утворюють спеціальний склоподібний шар, який відмінно протистоїть H₂O.

У природі зустрічаються алюмосилікати і силікати, наприклад, слюда, граніт, глина, азбест. Ці матеріали активно застосовуються в будівельній галузі.

Силікат є поширеним елементом, який отримав величезний попит в різних галузях народного господарства. У промисловості використовується не тільки силікатна кислота H₂SiO₃, але і її численні сполуки, які при правильному застосуванні безпечні для людини і навколишнього середовища.