ケイ酸

索引トップ用語の索引ランキングカテゴリー

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2021/07/04 22:34 UTC 版)

ケイ酸


IUPAC名ケイ酸 silicic acid
識別情報
J-GLOBAL ID	200906086125683221
特性
化学式	Si(OH)₄
モル質量	96.1149 g mol⁻¹
密度	1.576 g cm⁻³
酸解離定数 pK_a	9.86, 13.1
熱化学
標準生成熱 Δ_fH^o	−1481.1 kJ mol⁻¹
標準モルエントロピー S^o	192 J mol⁻¹K⁻¹
関連する物質
その他の陰イオン	リン酸; 硫酸; 過塩素酸; 炭酸; オルト炭酸
特記なき場合、データは常温 (25 °C)・常圧 (100 kPa) におけるものである。

例

ケイ酸は二酸化ケイ素(SiO₂)に水(H₂O)を加えたものであり、理論上はN個以上のケイ素について環状のものやシート状のものなど際限なく考えることが可能。^[1]

オルトケイ酸 orthosilicic acid monosilicic acid	${\ce {H4SiO4}}$
ピロケイ酸 pyrosilicic acid disilicic acid	${\ce {H6Si2O7}}$

メタケイ酸 metasilicilic acid	${\ce {H2SiO3}}$
メタ二ケイ酸 disilicic acid	${\ce {H2Si2O5}}$

化学的性質

普通、オルトケイ酸などは単独で存在することは少なく、混合体となっていることが多い。
オルトケイ酸の単離は2017年に産業技術総合研究所のグループにより初めて報告された^[2]^[3]。加水分解を避けるため、テトラベンジルオキシシランをアミド溶媒中においてパラジウム炭素により水素化分解することで、オルトケイ酸を96%の収率で合成できた。そして単離したオルトケイ酸は、テトラブチルアンモニウム塩共存下においてSi(OH)₄の正四面体構造として存在することが示されている。
また、メタケイ酸は単純なH₂SiO₃分子ではなくSiO₄四面体が鎖状または環状となった構造である。産業技術総合研究所のグループは、二量体、環状三量体、環状四量体の合成にも成功している。

ケイ酸ナトリウムなどのケイ酸アルカリの濃溶液に酸を加えると、白色無定形の膠状物体ができる。これをふつうケイ酸と呼び、二酸化ケイ素と水とが結合したものであるが、その水の割合は一定していない。

このケイ酸が凝固したものを乾燥空気中で放置し、さらに加熱乾燥させると順次水を失い、500 ℃ で二酸化ケイ素のキセロゲルとなる（シリカゲル）。この間、二酸化ケイ素 1モルに対して一定量の水が化合したと思われるものは存在しないから、このゲル状のケイ酸を一定の化学式で表すことは困難であるが、これらの塩から考えて、オルトケイ酸・メタケイ酸が存在すると考えられている。

ケイ酸は熱水、アルカリに溶け、また、冷水にはわずかに溶けるが、酸には溶けない。濃硫酸、無水エタノールにより脱水される。フッ化水素の作用でただちに分解されヘキサフルオロケイ酸H₂[SiF₆]を生成する。水溶液はメチレンブルーによって青黒色となる。

なお、岩石学などでは岩石の組成を酸化物の比率で表記することが一般的であり、二酸化ケイ素をケイ酸ということもある。この二酸化ケイ素の含有量の多いのものは一般的に有色鉱物が少なく「酸性岩」と呼ばれ、花崗岩が典型的な例である。二酸化ケイ素が少なく有色鉱物の多いものは「塩基性岩」と呼ばれ、玄武岩が代表的。さらに二酸化ケイ素含有量が少なく酸化マグネシウムの含有量の多いものは「超塩基性岩」と呼ばれる。

水溶液中の電離平衡

オルトケイ酸は化学式の上からは4価の酸と考えられるが、確からしい酸解離定数が測定されているのは1段目のみで、2段目以降は極めて弱く、正確な測定は困難である。塩基性溶液中ではラマンスペクトルによればH₂SiO2−
4のような化学種を含んでいることが示されているが、pHおよび濃度によっては重合したポリケイ酸イオンも存在する^[4]。

{\ce {H4SiO4(aq)\ <=>\ {H^{+}(aq)}+H3SiO4^{-}(aq)}}

{\mbox{p}}K_{a1}=9.86\,

 ${\ce {H3SiO4^{-}(aq)\ <=>\ {H^{+}(aq)}+H2SiO4^{2-}(aq)}}$ ,   ${\mbox{p}}K_{a2}=13.1\,$

{\ce {H2SiO4^{2-}(aq)\ <=>\ {H^{+}(aq)}+HSiO4^{3-}(aq)}}

 ${\ce {{HSiO4^{3-}(aq)}\ <=>\ {H^{+}(aq)}+SiO4^{4-}(aq)}}$

参考文献

^ “2.6 Oxygen Acids of Silicon. Silicates and Silicones”. Inorganic Chemistry. Academic Press. (2001/1995). p. 261-263. ISBN 3-11-012641-9
^ Igarashi, M., Matsumoto, T., Yagihashi, F., Yamashita, H., Ohhara, T., Hanashima, T., Nakao, A., Moyoshi, T., Sato K., Shimada, S., Non-aqueous selective synthesis of orthosilicic acid and its oligomers. Nat. Commun. 8, 140, 1-8
^ 200年にわたる謎に終止符、ガラスの基本単位の構造を決定－オルトケイ酸を用いた高機能・高性能ケイ素材料の創出に期待－、日本原子力研究開発機構、2017年7月27日、2019年3月21日閲覧
^ FA コットン, G. ウィルキンソン著, 中原勝儼訳『コットン・ウィルキンソン無機化学』培風館、1987年，原書：F. ALBERT COTTON and GEOFFREY WILKINSON, Cotton and Wilkinson ADVANCED INORGANIC CHEMISTRY A COMPREHENSIVE TEXT Fourth Edition, INTERSCIENCE, 1980.
^ http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOA09/pr_woa09.html
^ Siever, R. (1991). Silica in the oceans: biological-geological interplay. In: Schneider, S. H., Boston, P. H. (eds.), Scientists On Gaia, The MIT Press, Cambridge MA, USA, pp. 287-295.
^ Treguer, P., Nelson, D. M., Van Bennekom, A. J., DeMaster, D. J., Leynaert, A. and Queguiner, B. (1995). The silica balance in the world ocean: A reestimate. Science 268, 375-379.
^ Exley C, Korchazhkina O, Job D, Strekopytov S, Polwart A, Crome P (2006). “Non-invasive therapy to reduce the body burden of aluminium in Alzheimer's disease”. J. Alzheimers Dis. 10 (1): 17-24; discussion 29-31. PMID 16988476.
^ González-Muñoz MJ, Peña A, Meseguer I (2008). “Role of beer as a possible protective factor in preventing Alzheimer's disease”. Food Chem. Toxicol. 46 (1): 49-56. doi:10.1016/j.fct.2007.06.036. PMID 17697731.
^ Gonzalez-Muñoz MJ, Meseguer I, Sanchez-Reus MI et al. (2008). “Beer consumption reduces cerebral oxidation caused by aluminum toxicity by normalizing gene expression of tumor necrotic factor alpha and several antioxidant enzymes”. Food Chem. Toxicol. 46 (3): 1111-8. doi:10.1016/j.fct.2007.11.006. PMID 18096288.
^ Reffitt DM, Ogston N, Jugdaohsingh R et al. (2003). “Orthosilicic acid stimulates collagen type 1 synthesis and osteoblastic differentiation in human osteoblast-like cells in vitro”. Bone 32 (2): 127-35. doi:10.1016/S8756-3282(02)00950-X. PMID 12633784.
^ Wickett RR, Kossmann E, Barel A et al. (2007). “Effect of oral intake of choline-stabilized orthosilicic acid on hair tensile strength and morphology in women with fine hair”. Arch. Dermatol. Res. 299 (10): 499-505. doi:10.1007/s00403-007-0796-z. PMID 17960402.
^ Barel A, Calomme M, Timchenko A et al. (2005). “Effect of oral intake of choline-stabilized orthosilicic acid on skin, nails and hair in women with photodamaged skin”. Arch. Dermatol. Res. 297 (4): 147-53. doi:10.1007/s00403-005-0584-6. PMID 16205932.
^ Scheinfeld N, Dahdah MJ, Scher R (2007). “Vitamins and minerals: their role in nail health and disease”. J Drugs Dermatol 6 (8): 782-7. PMID 17763607.
^ Calomme M, Geusens P, Demeester N et al. (2006). “Partial prevention of long-term femoral bone loss in aged ovariectomized rats supplemented with choline-stabilized orthosilicic acid”. Calcif. Tissue Int. 78 (4): 227-32. doi:10.1007/s00223-005-0288-0. PMID 16604283.
^ Calomme MR, Vanden Berghe DA (1997). “Supplementation of calves with stabilized orthosilicic acid. Effect on the Si, Ca, Mg, and P concentrations in serum and the collagen concentration in skin and cartilage”. Biol Trace Elem Res 56 (2): 153-65. doi:10.1007/BF02785389. PMID 9164661.
^ Spector TD, Calomme MR, Anderson SH et al. (2008). “Choline-stabilized orthosilicic acid supplementation as an adjunct to Calcium/Vitamin D3 stimulates markers of bone formation in osteopenic females: a randomized, placebo-controlled trial”. BMC Musculoskelet Disord 9: 85. doi:10.1186/1471-2474-9-85. PMC: 2442067. PMID 18547426.