ケイ酸

ケイ: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)、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、メタケイを指すことが多いです。

ケイ[酸]]は、二ケイ素][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、多様なケイが存在すると考えられています。

ケイの化学的性質



オルトケイなどの単純なケイは、単独で存在することは稀であり、通常は様々なケイ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素化分解する手法を用いて、オルトケイ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濃溶液にを加えると、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と呼ばれ、二ケイ素が結合したものです。しかし、その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。このケイゲルを乾燥、加熱すると脱し、500℃で二ケイ素のキセロゲル(シリカゲル)となります。

ケイ[酸]]は熱アルカリに溶解しますが、には溶けません。濃硫[[酸]]や無エタノールで脱され、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、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、岩石の組成を化物の比率で表すことが一般的であり、二ケイ素をケイと呼ぶこともあります。二ケイ素含有量が多い岩石は一般的に有色鉱物が少なく「性岩」(例:花崗岩)と呼ばれ、逆に二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。

ケイ溶液中の電離平衡



オルトケイは、化学式上は4価のと考えられますが、正確な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、重合したポリケイイオンも存在します。

ケイイオンとケイ[[酸塩]]



最も単純なケイイオンはオルトケイイオン(SiO44−)であり、オルトケイの4段目解離で生成すると考えられます。しかし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つ素で架橋した二ケイイオン(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。二ケイ素炭[[酸]]ナトリウムまたは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、濃厚溶液を加熱処理するとガラスとなります。

海洋におけるケイの生成と循環



海洋表層では、二[酸]]化ケイ素から和反応によりケイが生成します。このケイ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、ケイの二ケイ素への分解反応によって抑制されています。ケイの生物地球化学的循環は、ケイ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。

ケイの生理作用



ケイは、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。

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