ケイ酸:多様な構造と性質を持つケイ素化合物
ケイ
[酸]]は、ケイ素]、
[酸素(O)、
水素(H)から構成される化合物の総称であり、
化学式は[SiOx(OH)4−2x]nで表されます。代表的なケイ
酸としては、
オルトケイ
酸]、
[メタケイ
酸]、
[メタ二ケイ
酸]などが挙げられます。一般的に「ケイ[[酸」と呼ぶ場合は、
メタケイ
酸を指すことが多いです。
ケイ
[酸]]は、二酸化
ケイ素]に
[水]を加えることで生成すると考えられます。理論的には、[[ケイ素原子が鎖状、環状、シート状など、様々な構造を形成することが可能であるため、多様なケイ
酸が存在すると考えられています。
ケイ酸の化学的性質
オルトケイ
酸などの単純なケイ
酸は、単独で存在することは稀であり、通常は様々なケイ
酸が混合した状態で存在しています。
2017年に、
産業技術総合研究所の研究グループが、テトラベンジルオキシシランをアミド
溶媒中で
水素化分解する手法を用いて、
オルトケイ
酸を単離することに初めて成功しました。この単離された
オルトケイ
酸は、テトラブチルアンモニウム塩共存下において、Si(OH)4の正四面体構造をとることが確認されています。
メタケイ
酸も、単純なH2SiO3分子ではなく、SiO4四面体が鎖状や環状に結合した構造をとることが分かっています。
産業技術総合研究所の研究グループは、二量体、環状三量体、環状四量体の合成にも成功しています。
ケイ[[酸ナトリウム]]などの
アルカリケイ
酸濃溶液に
酸を加えると、白色無定形の膠状物質が生成します。これは一般的にケイ
酸と呼ばれ、二
酸化
ケイ素と
水が結合したものです。しかし、その
水の割合は一定しておらず、
化学式で正確に表すことは困難です。このケイ
酸ゲルを乾燥、加熱すると脱
水し、500℃で二
酸化
ケイ素のキセロ
ゲル(シリカ
ゲル)となります。
ケイ
[酸]]は熱水や
アルカリに溶解しますが、
酸には溶けません。濃
硫[[酸]]や無
水エタノールで脱
水され、
フッ化[[水素]]と反応すると
ヘキサフルオロケイ[[酸]を生成します。また、
水溶液はメチレンブルーによって青黒色に呈色します。
岩石学においては、岩石の組成を
酸化物の比率で表すことが一般的であり、二
酸化
ケイ素をケイ
酸と呼ぶこともあります。二
酸化
ケイ素含有量が多い岩石は一般的に有色
鉱物が少なく「
酸性岩」(例:花崗岩)と呼ばれ、逆に二
酸化
ケイ素含有量が少なく有色
鉱物が多く、
マグネシウム含有量が多い岩石は「塩基性岩」(例:
玄武岩)、「超塩基性岩」と呼ばれます。
ケイ酸の水溶液中の電離平衡
オルトケイ
酸は、
化学式上は4価の
酸と考えられますが、正確な
酸解離定数が測定されているのは1段目のみです。2段目以降の解離は極めて弱く、正確な測定は困難です。塩基性溶液中では、ラマンスペクトルによりH2SiO42−のような化学種が存在することが示唆されていますが、pHや濃度によっては、重合したポリケイ
酸イオンも存在します。
最も単純なケイ
酸イオンは
オルトケイ
酸イオン(SiO44−)であり、
オルトケイ
酸の4段目解離で生成すると考えられます。しかし
水溶液中では確認されず、橄欖石などの
鉱物中に存在しネソ
ケイ[[酸塩]]と呼ばれます。正四面体構造で、鉄橄欖石中ではSi-O結合距離は164pmです。
SiO4四面体が2つ
酸素で架橋した二ケイ
酸イオン(Si2O76−)を含む
鉱物はソロ
ケイ[[酸塩]]と呼ばれ、
緑簾石などが含まれます。さらに、SiO4四面体は鎖状(イノ
ケイ[[酸塩]])、環状(サイクロ
ケイ[[酸塩]])、層状(フィロ
ケイ[[酸塩]])、三次元(テクト
ケイ[[酸塩]])構造を形成します。
ケイ[[酸塩]]は、ケイ
酸イオンを含む
イオン結晶であり、多くの
鉱物の主成分となります。二
酸化
ケイ素と
炭[[酸]]ナトリウムまたは
水酸化ナトリウムを高温で融解すると
ケイ[[酸ナトリウム]]が得られます。これは
オルトケイ[[酸ナトリウム]]などの混合物であり、濃厚
水溶液を加熱処理すると
水ガラスとなります。
海洋におけるケイ酸の生成と循環
海洋表層では、二
[酸]]化ケイ素から
水和反応によりケイ
酸が生成します。このケイ
酸は主に
オルトケイ
酸]として存在し、深海へ輸送されます。人間活動の影響も受けますが、表層のケイ[[酸濃度の上昇は、ケイ
酸の二
酸化
ケイ素と
水への分解反応によって抑制されています。ケイ
酸の生物地球化学的循環は、ケイ
酸を重合させて
細胞壁(フラスチュール)を形成する
珪藻によって制御されています。
ケイ酸の生理作用
ケイ
酸は、
アルミニウムの吸収抑制、腎排泄促進効果が期待されており、アルツハイマー病との関連についても研究されています。また、in vitro実験では、
オルトケイ
酸が骨芽細胞への分化を促進し、I型
コラーゲンの合成を促進することが示されています。コリン安定化
オルトケイ
酸は栄養補助食品として利用され、皮膚、爪、毛髪の健康維持に効果があると言われています。動物実験では、骨減少抑制効果も示唆されています。