硅酸

具有混合体系的弱酸

硅酸

硅酸（Silicic acid）是硅的含氧酸，是一种极弱的酸。[0][4]硅酸可看作是无定形二氧化硅的水合物，外观为白色无定形粉末或块状，其组成随形成条件不同而异，其通式可以表示为xSiO2·yH2O，属于无机化合物。[0][1][4][5]硅酸的种类很多，其体系为混合酸体系，已证明具有一定稳定性且能独立存在的硅酸有偏硅酸H2SiO3（x=1，y=1）、二偏硅酸H2Si2O5（x=2，y=1）、正硅酸H4SiO4（x=1，y=2）和焦硅酸H6Si2O7（x=2，y=3）。[6][7]其中，正硅酸H4SiO4是硅酸的原酸，偏硅酸H2SiO3的形式最简单，因此常用偏硅酸的分子式来代表硅酸。[7]硅酸不溶于水或大多数无机酸，易溶于氢氟酸，且溶于氢氧化钠或氢氧化钾溶液，可以通过可溶性硅酸盐与酸作用制得，也可以通过硅酸酯水解制得。[0][3]硅酸既可以用于制造含硅的催化剂及其载体、吸附剂硅胶和硅酸盐，也可以用作钨丝加工中的熔剂、色谱分离的吸附剂，还可以用于油脂、蜡等的脱色。[3]此外，硅酸还可用于制备层析柱，广泛应用于单纯脂类及复合脂类的相互分离。[8]

硅酸（Silicic acid）是硅的含氧酸，是一种极弱的酸。[1][5]硅酸可看作是无定形二氧化硅的水合物，外观为白色无定形粉末或块状，其组成随形成条件不同而异，其通式可以表示为xSiO2·yH2O，属于无机化合物。[1][2][5][6]硅酸的种类很多，其体系为混合酸体系，已证明具有一定稳定性且能独立存在的硅酸有偏硅酸H2SiO3（x=1，y=1）、二偏硅酸H2Si2O5（x=2，y=1）、正硅酸H4SiO4（x=1，y=2）和焦硅酸H6Si2O7（x=2，y=3）。[7][8]其中，正硅酸H4SiO4是硅酸的原酸，偏硅酸H2SiO3的形式最简单，因此常用偏硅酸的分子式来代表硅酸。[8]

硅酸不溶于水或大多数无机酸，易溶于氢氟酸，且溶于氢氧化钠或氢氧化钾溶液，可以通过可溶性硅酸盐与酸作用制得，也可以通过硅酸酯水解制得。[1][4]硅酸既可以用于制造含硅的催化剂及其载体、吸附剂硅胶和硅酸盐，也可以用作钨丝加工中的熔剂、色谱分离的吸附剂，还可以用于油脂、蜡等的脱色。[4]此外，硅酸还可用于制备层析柱，广泛应用于单纯脂类及复合脂类的相互分离。[9]

研究历史

19世纪初，永斯·雅各布·贝采利乌斯（Jöns Jacob Berzelius）引入“硅酸”以解释二氧化硅在水中的溶解。[10]莱诺特·威廉·范·贝梅伦（Reinout Willem Van Bemellen）根据硅胶的蒸气压曲线认为并不存在二氧化硅水合物，只存在硅胶；而古斯塔夫·切尔马克·冯·塞塞内格（Gustav Tschermak von Seysenegg）则观察到不同硅酸是天然硅酸盐凝胶的分解产物。[10]1924年，由层状硅酸盐钠硅矿（Na2Si2O5）制备了第一个结晶性的硅酸。[11]

物质结构

正硅酸H4SiO4也称单硅酸，其结构为硅氧四面体，其中硅原子处于四面体的中心，氧原子处于四面体的四个顶点，且彼此之间以离子键和共价键的混合键结合，键角为145°。[1][12]由于硅氧四面体顶点的氧原子处于未饱和的离子状态，因此若干个硅氧四面体可以通过共用氧原子进行连接，从而形成各种硅酸分子，如偏硅酸、焦硅酸、二偏硅酸等。[1][12]根据硅原子个数和连接方式的不同，硅酸分子可以形成链状、环状、层状或三维网络结构。[1]

正硅酸H4SiO4
正硅酸H4SiO4
偏硅酸H2SiO3
偏硅酸H2SiO3
焦硅酸H6Si2O7
焦硅酸H6Si2O7
二偏硅酸H2Si2O5
二偏硅酸H2Si2O5

物理性质

硅酸外观为白色无定形粉末或块状，不溶于水或大多数无机酸，易溶于氢氟酸，且溶于氢氧化钠或氢氧化钾溶液。[2][4]其中，正硅酸H4SiO4的摩尔质量为96.11g/mol；偏硅酸H2SiO3的摩尔质量为78.099g/mol，相对密度为2.1~2.3，无毒且无刺激性。[3][13][14]

弱酸性

硅酸是一种极弱的酸，酸性比碳酸还弱，且电离常数很小。[5][15]其中，正硅酸的pKa1为9.8，电离常数Ka1=1.2×10-10（30℃），Ka2=1.6×10-12（30℃），Ka3=1×10-12（30℃）；偏硅酸的pKa1为9.77，电离常数Ka1=1.7×10-10（25℃），Ka2=1.6×10-12（25℃）。[1][16][17]

硅酸很容易被其它酸从可溶性硅酸盐中置换出来。[18]例如，硅酸钠可以和碳酸反应置换出偏硅酸，反应原理如下：[18]

硅酸可与强碱反应。[15]例如，偏硅酸可以和氢氧化钠反应生成硅酸钠和水，反应原理如下：[19]

此外，偏硅酸可以和氟化氢反应生成四氟化硅和水，反应原理如下：[20]

不稳定性

硅酸体系是混合酸体系，pH=14时，以SiO32-的形式存在；pH=10.9~13.5时，以SiO52-的形式存在；pH<10.9时，以更大化合价的多酸根离子的形式存在；pH更小时，有凝胶析出（pH=5.8时，凝胶有最快的析出速度）。[8]

原硅酸不稳定，在空气中会由于干燥失去部分水，从而得到偏硅酸H2SiO3，反应原理如下：[8][21]

原硅酸还可以脱水形成焦硅酸、三硅酸、三聚偏硅酸等，脱水形成焦硅酸的反应原理如下：[8]

偏硅酸不稳定，既可以脱水形成二偏硅酸，也可以受热分解生成二氧化硅，反应原理如下：[8][15]

缩聚作用

当溶液中硅酸的浓度增大时，虽然硅酸的溶解度很小，但是并不会生成硅酸沉淀，而是会发生硅酸分子之间的脱水聚合。[22]单分子硅酸可以通过脱水缩合形成各种缩合酸（多酸、偏酸），例如两个单硅酸分子发生缩聚反应，会脱去一分子水并生成二硅酸，反应原理如下：[1][8][23]

随着缩聚反应的进行，硅酸的聚合度会不断增加，当聚合度很高时，就会形成硅酸的胶体溶液。[1][8]当溶液中电解质浓度较小时，会生成硅酸溶胶；当溶液中电解质浓度较大时，会生成硅酸凝胶（胶冻状或絮状）。[1]

置换法

硅酸的酸酐是二氧化硅，但是二氧化硅不溶于水，因此通过可溶性硅酸盐与酸作用制备硅酸，制取原理为强酸制弱酸。[1][8][24]

例如，盐酸可以和偏硅酸钠反应置换出偏硅酸，反应原理如下：[18]

盐酸也可以和正硅酸钠反应置换出正硅酸，反应原理如下：[25]

水解法

硅酸酯Si(OR)4的水解稳定性差，易水解，因此可以通过硅酸酯zhǐ水解得到硅酸。[1][26][27]

例如，正硅酸乙酯[(C2H5O)4Si]可以水解生成正硅酸和乙醇，反应原理如下：[28]

此外，硅的卤化物也易发生水解。[29]例如，四氯化硅可以水解得到正硅酸，反应原理如下：[30][31]

脱水法

在室温下将无定形的二氧化硅放入水中并不断搅动至平衡，可以得到含0.01%H4SiO4的稀溶液。[30]溶液中游离的单分子硅酸不稳定，只能在pH为3.2的水溶液中短时间存在，久置则会逐渐缩合为偏硅酸（H2SiO3）、二偏硅酸（H2SiO5）、焦硅酸(H6Si2O7)、三硅酸(H8Si3O10)、三聚偏硅酸(H6Si3O9)等，反应方程式如下：[4][8]

吸附剂

硅酸可以用于去除油中的有机酸、胶质和劣化产物，也可以用于单纯脂类及复合脂类的相互分离，还可以用于色谱分离和油脂、蜡等的脱色。[4][9][32]例如，测定血清中的甘油三酯的含量可采用硅酸吸附磷脂法，即硅酸柱层析可以分离出血脂抽提液中的甘油三酯和少量的单酸与二酸甘油酯，以便分别进行测定。[33][34]

硅酸可以用于制造吸附剂硅胶。[4]硅酸溶液随着放置或改变条件（加酸或加其他电解质），会逐渐缩合形成多硅酸的胶体溶液（即硅酸溶胶）或生成含水量较大、软而透明、富有弹性的硅酸凝胶。[7]硅酸溶胶经过缓慢脱水和一系列处理后可制得白色略透明的硅胶，而硅酸凝胶经过充分洗涤和干燥脱水也可得到硅胶。[4][8]硅胶是多孔性、略透明的白色固体，内表面积很大，且可以再生反复使用，因此可以作为吸附剂以及干燥剂和催化剂的载体。[7][8]

其他应用

硅酸可以用作钨丝加工中的熔剂，还可以作为分析化学的化学试剂和接触剂。[4][35]例如，在分析化学中，硅酸可以将不溶性氟化物（如氟化钙、氟化铝）转变为可溶性溶液，从而进行氟fú的测定。[35]

此外，偏硅酸存在于饮用矿泉水中，易被人体吸收，能有效维持人体的电解质平衡和生理功能，且具有良好的软化血管的功能，可以使人的血管壁保持弹性，因此对动脉硬化、心血管和心脏疾病能起到明显的缓解作用。[36]

储存方法

硅酸应用密闭干燥的玻璃瓶包装，并存放于阴凉干燥处。[37]运输时，将容器放在木箱内，并用碎纸和木屑进行填充，防止容器破损，同时严防曝晒和高温。[35]

国家标准

根据中国国家标准《饮用天然矿泉水》（GB 8537-2008），偏硅酸矿泉水中的偏硅酸含量应≥25.0mg/L（含量在25.0~30mg/L的范围时，水源的水的水温应在25℃以上）。[36][38]

检测方法

偏硅酸的检测方法主要有硅钼mù黄分光光度法和硅钼蓝分光光度法，检测较高含量的硅采用硅钼黄分光光度法，检测较低含量的硅则采用硅钼蓝分光光度法，且两种方法都适用于饮用天然矿泉水中偏硅酸含量的测定。[36][39]

硅钼黄分光光度法的原理为可溶性硅酸与钼酸铵可以在酸性溶液中反应生成可溶性的黄色硅钼杂多酸，而在一定浓度范围内，其吸光度与可溶性硅酸的含量成正比；硅钼蓝分光光度法的原理为先用可溶性硅酸与钼酸铵ǎn在酸性溶液中反应生成可溶性的黄色硅钼杂多酸，再用草酸溶液和还原剂（如硫酸亚铁铵、氯化亚锡或抗坏血酸等）将硅钼杂多酸还原为硅钼蓝，其吸光度在一定浓度范围内与可溶性硅酸的含量成正比。[36][39]

参考资料 39

  1. 硅酸 — 中国大百科全书
  2. 参考 2
  3. Metasilicic acid — Pubchem
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. Orthosilicic acid — Pubchem
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. 参考 18
  19. 参考 19
  20. 参考 20
  21. 参考 21
  22. 参考 22
  23. 参考 23
  24. 参考 24
  25. 参考 25
  26. 参考 26
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 参考 29
  30. 参考 30
  31. 参考 31
  32. 参考 32
  33. 参考 33
  34. 参考 34
  35. 参考 35
  36. 参考 36
  37. 参考 37
  38. 参考 38
  39. 参考 39
广告位：底部（ad-bottom）—— 请到中台「公共区块」编辑此内容