ケイ酸
テンプレート:Chembox ケイ酸（ケイさん、珪酸、silicic acid）とは、化学式 [SiOx(OH)4−2x]n で表されるケイ素、酸素、水素の化合物の総称である。確認されているものとしては、オルトケイ酸 (H4SiO4)、メタケイ酸 (H2SiO3)、メタ二ケイ酸 (H2Si2O5) などがある。単にケイ酸と呼ぶ場合、メタケイ酸のことを示すことが多い。
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。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。
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り、二酸化ケイ素が少なく有色鉱物の多いものは「塩基性岩」で玄武岩が代表的なもので、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H2SiO42−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[1]。
- <math>\rm H_4SiO_4(aq) \ \overrightarrow\longleftarrow \ H^+(aq) + H_3SiO_4^-(aq)</math>, <math>\mbox{p}K_{a1} = 9.86 \,</math>
- <math>\rm H_3SiO_4^-(aq) \ \overrightarrow\longleftarrow \ H^+(aq) + H_2SiO_4^{2-}(aq)</math>, <math>\mbox{p}K_{a2} = 13.1 \,</math>
- <math>\rm H_2SiO_4^{2-}(aq) \ \overrightarrow\longleftarrow \ H^+(aq) + HSiO_4^{3-}(aq)</math>
- <math>\rm HSiO_4^{3-}(aq) \ \overrightarrow\longleftarrow \ H^+(aq) + SiO_4^{4-}(aq)</math>
ケイ酸イオン
最も簡単な構造のものはオルトケイ酸イオン（—さん—、orthosilicate, SiO44−）であり、形式的にはオルトケイ酸の四段目解離により生成するが、水溶液中ではたとえ強塩基性であってもこのようなイオンは確認されず、マグネシウム塩すなわち橄欖石のような天然鉱物中に存在し、ネソケイ酸塩と呼ばれる。正四面体型構造で、鉄橄欖石結晶中においてSi−O結合距離は164pmである。
縮合して2個のSiO4四面体を酸素で架橋した二ケイ酸イオン（Si2O76−）を含む鉱物はソロケイ酸塩と呼ばれ緑簾石などがある。
さらにSiO4四面体が鎖状に結合したイノケイ酸塩（(SiO3)n2n−, (Si4O11)n6n−）、環状構造のサイクロケイ酸塩（(SiO3)612−）、層状構造のフィロケイ酸塩（(Si2O5)n2n−）および三次元構造のテクトケイ酸塩（(AlxSi4-xO8)nxn−）が存在する。
ケイ酸塩
テンプレート:Main ケイ酸塩（—さんえん、silicate）はケイ酸イオンを含むイオン結晶であり、多くの鉱物の成分となるものである。
二酸化ケイ素と炭酸ナトリウムまたは水酸化ナトリウムを高温で融解するとケイ酸ナトリウムが得られるが、これはオルトケイ酸ナトリウム（Na4SiO4）その他のケイ酸塩の混合物であり、ケイ酸ナトリウムの濃厚水溶液をオートクレーブ中で加熱処理すると水飴状の粘度の高い液体が得られ、水ガラス（みず—）と呼ばれる。
参考文献
- ↑ 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.
