Кремниевая кислота - удивительное вещество, которое находит широчайшее применение в различных отраслях промышленности. Это связано с ее уникальными физико-химическими свойствами, позволяющими использовать ее в производстве керамики, стекла, катализаторов, адсорбентов и многого другого.
Химические и физические свойства кремниевой кислоты
Кремниевая кислота представляет собой белое аморфное вещество, практически нерастворимое в воде. Основные химические формулы этого соединения:
- Метакремниевая кислота - H2SiO3
- Ортокремниевая кислота - H4SiO4
Структурные формулы кремниевых кислот показывают наличие тетраэдрических группировок SiO4, которые соединяются в цепочки за счет атомов кислорода:
При растворении в воде кремниевые кислоты подвергаются постадийной диссоциации с образованием ионов по уравнениям:
- H2SiO3 → H+ + HSiO3-
- HSiO3- → H+ + SiO32-
Изоэлектрическая точка таких кислот лежит в интервале pH от 2 до 3. При этом значении pH скорость полимеризации минимальна.
Получение кремниевой кислоты
В промышленности для синтеза кремниевой кислоты чаще всего используют два основных метода:
- Гидролиз хлорсиланов по реакции:
SiHCl3 + 3H2O → H2SiO3 + 3HCl
- Взаимодействие растворимых силикатов щелочных металлов с кислотами:
Na2SiO3 + H2SO4 → H2SiO3 + Na2SO4
При этом происходит вытеснение слабой кремниевой кислоты из ее солей сильной неорганической кислотой.
Виды и классификация кремниевых кислот
Существует целый ряд кремниевых кислот, отличающихся строением и свойствами. Их можно разделить на следующие основные группы:
- Метакремниевые кислоты
- Ортокремниевые кислоты
- Дикремниевые кислоты
- Пирокремниевые кислоты
- Поликремниевые кислоты
Общую формулу этих соединений можно представить как H2nSinO3n+1, где n - степень полимеризации.
В водных растворах кремниевых кислот образуются линейные, разветвленные и пространственные структуры за счет реакций поликонденсации.
Наиболее важное практическое значение имеет метакремниевая кислота H2SiO3, которая широко используется в промышленности.
Коллоидные растворы и гидрозоли
Из-за плохой растворимости в воде кремниевые кислоты образуют коллоидные системы - гидрозоли и гели. Такие гидрозоли применяются как связующие и наполнители при производстве керамических изделий и защитных покрытий. В частности, их используют:
- Для изготовления керамической плитки
- В производстве фарфоро-фаянсовых изделий
- Для нанесения защитных покрытий на металлы
При высыхании гидрозолей кремниевых кислот образуется пористая структура с большой удельной поверхностью, что определяет их адсорбционные свойства.
Кремниевые кислоты как носители катализаторов
Благодаря высокоразвитой пористой структуре и большой площади поверхности, гели кремниевых кислот часто используются в качестве носителей для нанесения катализаторов:
- Платиновые катализаторы на основе кремниевой кислоты применяются для гидрирования и дегидрирования органических соединений в нефтехимии.
- Медные катализаторы на таких носителях используются для синтеза метанола из CO и H2.
- Никелевые катализаторы служат для гидрогенизации жиров в пищевой промышленности.
Кроме того, и сами гидрозоли кремниевых кислот проявляют каталитические свойства в реакциях органического синтеза.
Производство кварцевого стекла
Гели кремниевых кислот являются исходным сырьем для получения различных видов кварцевого оптического стекла, фотостекла, кварцевой керамики. Преимущества такого стекла:
- Высокая механическая прочность
- Стойкость к резким перепадам температур
- Высокая химическая устойчивость
- Способность пропускать ультрафиолетовое излучение
Из кварцевого стекла производят разнообразную лабораторную посуду, а также осветительные приборы для пищевой промышленности.
Производство адсорбентов
При термообработке в специальных условиях гидрогели кремниевых кислот могут переходить в твердую фазу, образуя высокопористые адсорбенты. Наиболее известные из таких материалов:
- Силикагель - аморфный диоксид кремния, с развитой пористой структурой.
- Силохром - сорбент на основе силикагеля с добавками Cr2O3.
Основные области применения силикагеля и силохрома:
- Осушка газов и жидкостей
- Очистка масел
- Удаление органических примесей из воды
- Разделение смесей методом адсорбционной хроматографии
- Создание безводной атмосферы в таре
Биологическая роль кремниевой кислоты
Кремний входит в список биогенных элементов, необходимых для нормальной жизнедеятельности человека. В организме человека содержится около 2 грамм кремния, который в основном сосредоточен в соединительных тканях, коже и костях.
Кремний играет важную роль в следующих процессах:
- Укрепление костной ткани
- Улучшение состояния суставов и связок
- Нормализация холестеринового обмена
- Укрепление стенок сосудов
Кремниевая кислота в пищевых продуктах
Основные природные источники кремниевой кислоты:
- Злаковые культуры - овес, рис, пшеница
- Овощи - зеленый горошек, шпинат, укроп
- Ягоды - клубника, малина, клюква
Ежедневная норма потребления кремния
Согласно рекомендациям ВОЗ, суточная потребность взрослого человека в кремнии составляет 10-20 мг. Для детей эта норма немного ниже:
- Дети до 1 года - 5-10 мг/сутки
- Дети от 1 до 3 лет - 10 мг/сутки
- Дети старше 3 лет - 10-15 мг/сутки
При недостатке кремния в организме нарушаются процессы формирования костной ткани, возникает ломкость ногтей и волос, ухудшается состояние кожи.
Биодобавки с кремниевой кислотой
Для восполнения дефицита кремния применяются специальные биологически активные добавки, которые выпускаются в различных лекарственных формах:
- Жидкие формы для приема внутрь
- Гели и кремы для наружного применения
- Таблетированные формы с регулируемым высвобождением
Помимо элементарного кремния, такие БАДы могут включать витамины, микроэлементы, растительные экстракты, усиливающие действие основного компонента.
Техника безопасности при работе с кремниевой кислотой
Несмотря на относительно низкую токсичность, при работе с кремниевой кислотой необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:
- Использование резиновых перчаток и защитных очков
- Проведение работ в вытяжном шкафу
- Герметизация оборудования и коммуникаций
Кремниевую пыль от шлифовки и полирования стекла и керамики относят к веществам 3-го класса опасности.
Утилизация отходов производства кремниевой кислоты
Отходы синтеза и переработки кремниевых соединений подлежат специальной утилизации. Наиболее распространенные методы:
- Складирование в специально отведенных местах-полигонах
- Вторичная переработка с выделением ценных компонентов
- Использование в качестве наполнителя бетона и керамики
