Πυριτικό οξύ

Στη χημεία, πυριτικό οξύ είναι οποιαδήποτε χημική ένωση περιέχει το στοιχείο πυρίτιο (Si) και αυτό είναι συνδεδεμένο με ομάδες οξειδίου (=O) και υδροξυλίου (−OH), και φέρει τον γενικό τύπο [H2xSiOx+2]n ή εναλλακτικά τον τύπο [SiOx(OH)4−2x]n. Το ορθοπυριτικό οξύ είναι ένα αντιπροσωπευτικό, χαρακτηριστικό παράδειγμα. Τα πυριτικά οξέα σπάνια παρατηρούνται μεμονωμένα, αλλά πιστεύεται ότι υπάρχουν σε υδατικά διαλύματα, συμπεριλαμβανομένου του θαλασσινού νερού, και παίζουν ρόλο στη βιομεταλλοποίηση. Είναι τυπικά άχρωμα ασθενή οξέα που είναι ελάχιστα ή καθόλου διαλυτά στο νερό. Όπως τα πυριτικά ανιόντα, τα οποία είναι γνωστές συζευγμένες βάσεις τους, τα πυριτικά οξέα συνήθως τυχαίνει να είναι ολιγομερή ή πολυμερή. Απλό (μονομερές) πυριτικό οξύ δεν έχει ποτέ εντοπιστεί, καθώς τέτοια έχουν κυρίως μόνο για θεωρητικές μελέτες. Ανάλογα με τον αριθμό των ατόμων πυριτίου που απαντώνται, υπάρχουν μονο- και πολυ- πυριτικά (δι-, τρι-, τετραπυριτικό) οξέα. Καλά καθορισμένα και μελετημένα πυριτικά οξέα δεν έχουν ληφθεί σε μορφή που να έχει χαρακτηριστεί με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ.

 Τα πυριτικά οξέα μπορούν να θεωρηθούν ως ένυδρες μορφές πυριτίου, επακριβώς ως, 2H2xSiOx+2 = SiO2·(H2O)x. Πράγματι, σε συμπυκνωμένα διαλύματα, τα πυριτικά οξέα γενικά πολυμερίζονται και συμπυκνώνονται και τελικά αποικοδομούνται σε διοξείδιο του πυριτίου και νερό. Τα ενδιάμεσα στάδια μπορεί να είναι εξόχως παχύρρευστα υγρά ή στερεά, που ομοιάζουν με γέλη. Η αφυδάτωση του τελευταίου αποδίδει μια ημιδιαφανή μορφή πυριτίου με πόρους ατομικής κλίμακας, που ονομάζεται γέλη πυριτίου, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως ως απορροφητικό και ξηραντικός παράγοντας νερού (ξηραντικό). Το πυρίτιο διαλύεται πολύ αραιά στο νερό και υπάρχει στο θαλασσινό νερό σε συγκεντρώσεις χαμηλότερες από 100 μέρη ανά εκατομμύριο. Σε τέτοια αραιά διαλύματα, το πυρίτιο θεωρείται ότι υπάρχει ως ορθοπυριτικό οξύ. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι η διάλυση του πυριτίου στο νερό προχωρά με το σχηματισμό ενός συμπλέγματος, SiO2·2H2O, και στη συνέχεια ορθοπυριτικό οξύ. Ο διπλός δεσμός πυριτίου-οξυγόνου του μεταπυριτικού οξέος, όπως από τον τύπο H2SiO3, είναι υποθετικός και εξαιρετικά ασταθής. Τέτοιοι διπλοί δεσμοί μπορούν να ενυδατωθούν σε ένα ζεύγος υδροξυλικών (-ΟΗ) ομάδων: = Si = O + H 2 O ⟷ = Si ( − OH ) 2 {\displaystyle {\ce {=Si=O + H2O <-> =Si(-OH)2}}} Για παράδειγμα, H 2 SiO 3 metasilicic acid + H 2 O ⟷ H 4 SiO 4 orthosilicic acid {\displaystyle {\ce {{\overset {metasilicic\ acid}{H2SiO3}}+H2O<->{\overset {orthosilicic\ acid}{H4SiO4}}}}} ή H 2 Si 2 O 5 disilicic acid + 2 H 2 O ⟷ ( HO ) 3 Si − O − Si ( OH ) 3 pyrosilicic acid {\displaystyle {\ce {{\overset {disilicic\ acid}{H2Si2O5}}+2H2O<->{\overset {pyrosilicic\ acid}{(HO)3Si-O-Si(OH)3}}}}} Εναλλακτικά, το μεταπυριτικό οξύ μπορεί να σχηματίσει κυκλικά πολυμερή, [−SiO(OH)2−]n, τα οποία επεκτείνονται με ενυδάτωση σε γραμμικά πολυμερή -αλυσίδων-, HO[−SiO(OH)2−]nH. Ομοίως, το διπυριτικό οξύ μπορεί να σχηματίσει σύνθετα πολυμερή με τετρασθενείς μονάδες, [=Si2O3(OH)2=]n. Αντίθετα, ολιγομερικά και πολυμερικά οξέα μπορεί να αποπολυμεριστούν με υδρόλυση σε γέφυρες Si−O−Si, ή τέτοιες γέφυρες δημιουργούνται με συμπύκνωση: ≡ Si − O − Si ≡ + H 2 O ⟷ ≡ Si − OH + HO − Si ≡ {\displaystyle {\ce {#Si-O-Si# + H2O <-> #Si-OH + HO-Si#}}} Όπως οι οργανικές σιλανόλες, τα πυριτικά οξέα είναι ασθενή οξέα. Το ορθοπυριτικό οξύ έχει δυναμικά διάστασης pKa1 = 9,84, pKa2 = 13.2 στους 25 °C. Τα πυριτικά οξέα και τα πυριτικά στο διάλυμα αντιδρούν με μολυβδενικά ανιόντα, αποδίδοντας κίτρινα σύμπλοκα πυριτιομολυβδενικού. Αυτή η αντίδραση έχει χρησιμοποιηθεί για την τιτλοδότηση της περιεκτικότητας σε πυρίτιο σε υδατικά διαλύματα και τον προσδιορισμό της φύσης τους. Σε ένα τυπικό παρασκεύασμα, το μονομερές ορθοπυριτικό οξύ βρέθηκε να αντιδρά πλήρως σε 75'', το διμερές πυροπυριτικό οξύ σε 10' και τα υψηλότερα ολιγομερή σε σημαντικά μεγαλύτερο χρόνο. Η αντίδραση δεν παρατηρείται με κολλοειδές πυρίτιο. Ο βαθμός πολυμερισμού των πυριτικών οξέων σε υδατικό διάλυμα μπορεί να προσδιοριστεί από την επίδρασή του στο σημείο πήξης του διαλύματος (κρυοσκόπηση). Το πυριτικό οξύ παρατηρήθηκε (αναγνωρίστηκε) από τον Σουηδό επιστήμονα Γιενς Γιάκομπ Μπερζέλιους στις αρχές του 19ου αιώνα για να εξηγήσει τη διάλυση του διοξειδίου του πυριτίου (πυρίτιο, χαλαζία) στο νερό, συγκεκριμένα μέσω της ακόλουθης αντίδρασης ενυδάτωσης: SiO 2 silica + H 2 O water ⟷ H 2 SiO 3 silicic acid {\displaystyle {\ce {{\overset {silica}{SiO2}}+{\overset {water}{H2O}}<->{\overset {silicic\ acid}{H2SiO3}}}}} Με βάση τις καμπύλες πίεσης ατμών για το silica gel, ο Reinout Willem Van Bemellen υποστήριξε ότι δεν υπήρχαν ένυδρες πυριτικές ενώσεις, παρά μόνο silica gel. Από την άλλη πλευρά, ο Gustav Tschermak von Seysenegg πίστευε ότι είχε παρατηρήσει διαφορετικά πυριτικά οξέα ως προϊόντα αποσύνθεσης των φυσικών πυριτικών πηκτωμάτων.Το πρώτο κρυσταλλικό πυριτικό οξύ παρασκευάστηκε από τον φυλλοπυριτικό νατροσιλίτη (Na2Si2O5) το 1924. Περισσότερα από 15 κρυσταλλικά οξέα είναι γνωστά και περιλαμβάνουν τουλάχιστον έξι τροποποιήσεις της ομάδας, H2Si2O5. Ορισμένα οξέα μπορούν να προσροφήσουν και να παρεμβάλουν οργανικά μόρια, και ως εκ τούτου είναι ενδιαφέρουσες εναλλακτικές λύσεις αντί του πυριτίου. Τα κρυσταλλικά πυριτικά οξέα μπορούν να παρασκευαστούν αφαιρώντας τα κατιόντα νατρίου από διαλύματα πυριτικών νατρίου με ρητίνη ανταλλαγής ιόντων, ή με επεξεργασία πυριτικών νατρίου με πυκνό θειικό οξύ. Βορικό οξύ