A) Кремниевые кислоты и их соли

Получение. Кремниевые кислоты не образуются при непосредственном взаимо­действии SiО₂ с Н₂О. Однако при подкислении водных растворов силикатов (растворимого стекла) или при гидролизе некоторых бинарных соединений кремния (IV), например SiС1₄, образуется гидратированный диоксид кремния mSiO₂*nН₂О, выпадающий в осадок.

Состав и свойства. В водном растворе над осадком SiO₂*nН₂О суще­ствуют молекулы ортокремниевой кислоты состава Н₄SiO₄. Эта кислота мало­устойчива. В концентрированных растворах ее молекулы самопроизвольно (лучше при подкислении) объединяются между собой с отщеплением воды и образуют цепи —Si—О—Si—О— сначала высокомолекулярных, а затем и коллоидных агрегатов. Конденсация молекул заканчивается образованием структур с пространственной сеткой. Такой процесс идет при обработке сили­ката натрия Nа₂SiO₃ (растворимого стекла) хлороводородной кислотой:

Осадок гидратированного диоксида кремния сначала вязкий, но он до­вольно быстро твердеет, переходя в бесцветный гель. При дальнейшем хра­нении на воздухе происходит постепенное обезвоживание геля и образуется непрозрачный, белый, чрезвычайно пористый продукт — силикагель. Как и ак­тивный уголь, силикагель используется в качестве адсорбента. Путем силь­ного прокаливания и последующего вымывания хлорида натрия получают мелкодисперсный белый порошок диоксида кремния SiO₂ (белая сажа).

Соли кремниевых кислотназываются силикатами. Состав силикатов вывозится из формул кремниевых кислот общего состава SiO₂*nН₂О (при не­больших целочисленных значениях тип):

Строение силикатов. В ортосиликатах ион SiO₄^4- имеет строение правиль­ного тетраэдра, как, например, в минерале оливин (Мg, Fе²⁺)₂ SiO₄. В дисиликатах ион Si₂O₇^6- построен из двух одинаковых тетраэдров [SiO₄], связанных общей вершиной (мостиковым атомом О), как, например, в минерале торт-вейтит Sс₂(Si₂O₇). Число тетраэдров, соединенных вершинами, может увели­чиваться при дальнейшей конденсации, в результате образуются кольцевые анионы типа Si₆O₁₈^12-, встречающиеся, например, в минерале берилл Ве₃А1₂(Si₆O₁₈). Строение анионов SiO₄^4-, Si₂O₇^6- и Si₆O₁₈^12- показано на рис. 1.

Наряду с указанными силикатионами, имеющими ограниченные размеры, существует огромное число силикат-ионов с неограниченными размерами. Те­траэдры [SiO₄] могут объединяться, образуя цепочечные, ленточные, плоскост­ные и пространственные структуры, отрицательный заряд которых нейтра­лизуется положительными ионами металлов (рис. 2).

Силикаты с цепочечным и ленточным строением способны расщепляться на тонкие волокна (асбест), а с плоскостным строением легко расщепляются на отдельные пластины (слюды). Силикаты могут набухать в результате того, что молекулы Н₂О размещаются между анионными слоями (глины).

Пространственно-сетчатое строение имеет сам диоксид кремния и многочис­ленные природные и искусственные алюмосиликаты (смешанные соли — алю­минатсиликаты). В алюмосиликатах часть атомов кремния в тетраэдрах [SiO₄] замещена на атомы А1, а поскольку положительный заряд атома алю­миния на единицу меньше (А1⁺³ вместо Si⁺⁴), то отрицательный заряд алюмосиликатного иона возрастает на единицу и соответственно возрастает число необходимых для электронейтральности катионов. В химических фор­мулах алюмосиликатов в состав аниона включают алюминий, замещающий кремний, а также указывают наименьшее возможное число атомов всех эле­ментов, например для минерала ортоклаза (калиевый полевой шпат) запи­сывают формулу К(А1Si₃О₈), хотя конечно, молекул и анионов такого состава в природе не встречается.

Пространственные сетки алюмосиликатов, относящиеся к цеолитам, из­бирательно включают и удерживают катионы определенных размеров, что используется в химической практике. Цеолиты являются природными ионообменниками, в каналах их пространственной сетки находятся ионы метал­лов, которые могут замещаться на катионы, размеры которых соизмеримы с размерами каналов.