Ortopiihappo

Ortopiihappo on piin, vedyn ja hapen muodostama kemiallinen yhdiste, jonka kaava voidaan esittää muodossa H4SiO4 tai Si(OH)4. Se on heikko happo, jonka suoloja ovat ortosilikaatit. Sitä sellaisenaan voidaan valmistaa käyttämällä eräitä orgaanisia liuottimia. Sitä oletetaan muodostuvan hivenmäärinä myös piidioksidin (SiO2) liuetessa veteen.

Ominaisuudet 

Ortopiihappo oli pitkät ajat vain hypoteettinen yhdiste, jonka suoloina ortosilikaatteja pidettiin. Nimitystä piihappo on vanhastaan käytetty sekä ortopiihaposta ja muista piitä sisältävistä hapoista, mutta myös piidioksidista (SiO2), usein tekemättä sen ja happojen välille tarkkaa eroa. Tarkkaan ottaen piidioksidi ei ole happo, mutta se on sekä orto- että metapiihapon (H2SiO3) anhydridi.

Piidioksidi liukenee erittäin niukasti veteen. Sen liukoisuus kuitenkin riippuu oleellisesti sen kiderakenteesta. Amorfisen piidioksidin liukoisuus liuoksen höyrynpaineessa riippuu 0 ja 250 C:n välillä lämpötilasta yhtälön
log C = -731/T + 4,52
mukaisesti, missä C on piidioksidin konsentraatio milligrammoina kilogrammaa kohti ja T absoluuttinen lämpötila. Tämä merkitsee, että sitä voi tavallisissa lämpötiloissa liueta enintään kaksi millimoolia litraan vettä. Ortopiihappoa ei myöskään voida kiteyttää vesiliuoksesta. Sen suoloista alkalimetallien ortosilikaatit tosin ovat runsasliukoisia (vesilasi) ja reagoivat happojen kanssa, mutta tällöin syntyvä ortopiihappo hajoaa välittömästi ja saostuva silikageeli koostuu pääasiassa metapiihaposta (H2SiO3) tai toisten lähteiden mukaan piidioksidista ja vedestä.

Koska ortopiihapon pitoisuus vesiliuoksissa on suurimmillaankin niin vähäinen, on ollut vaikea selvittää, mitä piiyhdisteitä liuoksessa todellisuudessa on. Linus Pauling päätteli teoreettisesti, että ortopiihappo on erittäin heikko happo.  Sen protolyysiä vedessä esittää reaktioyhtälö
Si(OH)4 <=> Si(OH)3O- + H+

Vuonna 2017 japanilainen tutkimusryhmä onnistui kuitenkin valmistamaan monomeerita ortopiihappoa hydro­geno­lysoimalla dimetylasetamidiin ja muihin samankaltaisiin liuottimiin liuennutta tetrakis­(bentsoe­oksy)­silaania, (Si(OCH2C6H5)4).  Saadun orto­piihapon kide­rakenne pystytiin selvittämään röntgen­kristallo­grafisin menetelmin.. Vetyatomien sijainnin määrittämiseen käytettiin myös neutronidiffraktiota. Samalla pystyttiin syntetisoimaan muitakin piihappoja. Esimerkiksi dipiihappoa voitiin valmistaa lisäämällä vetyä sen heksa­bentsoe­oksi­johdannaiseen ( R3-SiOSi-R3, R=CH3C6H4O). Valmistus­menetelmän eri muunnelmilla saatiin syntetisoiduksi myös syklistä tripii­happoa (Si3O3(OH)6), ja syklistä tetra­pii­happoa (Si4O4(OH)8).

Ortopiihapon fluori­johdannaista Si(OH)3F syntyy vesiliuoksessa, joka sisältää sekä orto­piihappoa että fluoridi-ioneja:
Si(OH)4 + F- <=> Si(OH)3F + OH-
Fluoridi­pitoista ioni­selektiivistä elektrodia on käytetty ortopiihapon happovakion määrittämiseen.  Ortopiihapon ensimmäinen happovakio on pKa = 9,9.

Ortopiihappo merivedessä 

Valtamerten pintakerroksissa piihappoa on liuenneena vain niukasti. Kyllästettynä liuoksena vain Etelämannerta kiertävän Länsituulten virran alueella 55. eteläisen leveyspiirin eteläpuolella. Syvemmällä meressä piihappopitoisuus on kuitenkin suurempi ja kasvaa siirryttäessä Atlantilta Intian valtameren kautta Tyynellemerelle.

Teoreettiset laskut osoittavat, että piihapon liukoisuus veteen alkaa voimakkaasti kasvaa, alkaa muodostua kompleksia SiO2·2H2O, joka muuttuu ortopiihapoksi. 

Piin biogeokemiallista kiertokulkua säätelevät piilevät.  Nämä levät polymeroivat piihappoa niin sanoituiksi biogeenisiksi piihapoiksi, joista niiden soluseinät koostuvat.

Biologinen merkitys 
Muualla kuin merissä piiyhdisteillä on varsin vähän biologista merkitystä. Jotkut kasvit imevät maaperästä pieniä määriä piihappoja, joista kasvin kuoltua muodostuu fytoliitteja.

Eläinkokeissa on todettu, että noin 1 % ortopiihappoa sisältävien liuosten ruiskuttaminen hiiren ihon alle saa aikaan paikallisia tulehduksia ja turvotusta. Noin 0,1 millilitraa vatsakalvon läpi ruiskutettua vastavalmistettua ortopiihappoa on jo tappava annos. Sen myrkyllisyys kuitenkin heikkenee liuoksen vanhetessa siinä määrin, että kun liuos on muuttunut geeliksi, sillä on enää vain mekaanisia vaikutuksia. Liuokset ovat yhtä myrkyllisiä infuusiolla elimistöön saatettuina, missä tapauksessa myös ikääntyneet ja geeliytyneet liuokset ovat lähes yhtä myrkyllisiä kuin tuoreetkin.

Uudempien tutkimusten mukaan alumiini on Alzheimerin taudin riskitekijä. Tutkimukset viittaavat kuitenkin siihen, että oluessa oleva piihappo heikentää alumiinin imeytymistä ruoansulatuksessa ja myös nopeuttaa alumiinin poistumista elimistöstä munuaisten kautta.

Käyttö ravintolisänä 
Koliinilla stabiloitua ortopiihappoa (ch-OSA) käytetään ravintolisänä. Sen on todettu ehkäisevän ihmisen hiusten vetolujuuden heikkenemistä; ja se vaikuttaa edullisesti myös ihmisen ihon mekaanisiin ominaisuuksiin ja suojaa kynsiä haurastumiselta. Eläinkokeissa sen on todettu parantavan reisiluiden kestävyyttä ikääntyneiltä rotilta, joilta munasarjat on poistettu, lisäävän kollageenin määrää vasikoissa, ja pidetään todennäköisenä, että se edistää kollageenin muodostumista myös osteopeenisten naisten luissa.

Lähteet 

Piiyhdisteet
Epäorgaaniset hapot
Meritiede
Lisäravinteet