imported>Joachim Stiller |
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| Als '''Kieselsäuren''' werden die Sauerstoffsäuren des [[Silicium]]s bezeichnet. Die einfachste Kieselsäure ist ''Monokieselsäure'' (Orthokieselsäure) Si(OH)<sub>4</sub> oder auch H<sub>4</sub>SiO<sub>4</sub>. Sie ist eine schwache Säure ([[Säurekonstante|pK<sub>s1</sub>]] = 9,51; pK<sub>s2</sub> = 11,74) und neigt zur [[Kondensationsreaktion|Kondensation]]. Wasserabspaltungen führen zu Verbindungen wie ''Dikieselsäure'' (Pyrokieselsäure) (HO)<sub>3</sub>Si–O–Si(OH)<sub>3</sub> und ''Trikieselsäure'' (HO)<sub>3</sub>Si–O–Si(OH)<sub>2</sub>–O–Si(OH)<sub>3</sub>. Cyclische (ringförmige) Kieselsäuren sind z. B. ''Cyclotrikieselsäure'' und ''Cyclotetrakieselsäure'' mit der allgemeinen Summenformel [Si(OH)<sub>2</sub>–O–]<sub>n</sub>. Polymere werden gelegentlich als ''Metakieselsäure'' (H<sub>2</sub>SiO<sub>3</sub>, [–Si(OH)<sub>2</sub>–O–]<sub>n</sub>) bezeichnet. Kondensieren diese niedermolekularen Kieselsäuren weiter, bilden sich [[Amorphes Material|amorphe]] [[Kolloid]]e ([[Kieselsol]]). Allgemeine Summenformel aller Kieselsäuren ist H<sub>2n+2</sub>Si<sub>n</sub>O<sub>3n+1</sub>. Als Summenformel wird häufig SiO<sub>2</sub> · n H<sub>2</sub>O angegeben; das Wasser ist bei Kieselsäuren jedoch kein [[Kristallwasser]], sondern kann nur durch eine chemische Reaktion abgespalten werden und bildet sich aus [[Konstitution (Chemie)|konstitutionell]] gebundenen [[Hydroxygruppe]]n.
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| | | [[Kategorie:Machthaber und Regenten]] |
| Allgemein werden die wasserärmeren Produkte der Orthokieselsäure unter dem Begriff ''Polykieselsäuren'' zusammengefasst. Formales Endprodukt der Wasserabspaltung ist [[Siliciumdioxid]], das [[Säureanhydrid|Anhydrid]] der Kieselsäure. Die [[Salze]] der Säuren nennt man ''[[Silicate]]''. Technisch verwendete bzw. hergestellte [[Alkalimetalle|Alkalisalze]] werden oft ''[[Alkalisilikate|Wassergläser]]'' genannt. Die [[Ester]] der Kieselsäuren werden ''[[Kieselsäureester]]'' genannt.
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| Technisch gewonnene Kolloide (''pyrogene Kieselsäuren''), [[Fossil|fossile]] Sedimente (''[[Kieselgur]]''), die natürlichen Panzer der [[Kieselalgen]], sowie bestimmte Gläser (''[[Kieselglas]]'') lassen sich alle durch die allgemeine Summenformel SiO<sub>2</sub> beschreiben, sind also [[Siliciumdioxid]]e und können formal als Produkt einer [[Chemische Reaktion|chemischen Reaktion]] aus Monokieselsäure aufgefasst werden. Aus diesem Grund wird im deutschen Sprachraum amorphes Siliciumdioxid (= Kieselsäureanhydrid) historisch bedingt oft und fälschlicherweise als Kieselsäure bezeichnet, z. B. pyrogene Kieselsäure statt ''[[pyrogenes Siliciumdioxid]]''.
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| == Vorkommen ==
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| Monokieselsäure kommt in allen Gewässern, auch im Trinkwasser, sowie in allen tierischen und pflanzlichen Körperflüssigkeiten vor. Mengenmäßig nutzen hauptsächlich [[Kieselalgen]] Kieselsäuren zum Aufbau ihrer Panzer. Der Verbrauch der Kieselsäure durch biologische Prozesse wird durch Regen- oder Sickerwasser ausgeglichen, die durch Bodenschichten rinnen und aus den Silicaten der Bodenminerale Kieselsäure lösen (vgl. [[Silikatverwitterung]]). Kieselsäure (oft vulkanischen Ursprungs) kann zur Bildung von [[Fossil]]ien durch [[Verkieselung]] führen, wie z. B. zur Bildung von [[Versteinerter Wald|versteinerten Wäldern]] (siehe auch [[Quarz#Quarz und Fossilisierung|Quarz und Fossilisierung]]).
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| == Darstellung ==
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| Monokieselsäure bildet sich durch [[Hydrolyse]] von Siliciumhalogeniden wie [[Siliciumtetrafluorid]] und [[Siliciumtetrachlorid]] und Hydrolyse von Tetraalkoxysilanen wie [[Tetramethylorthosilicat|Tetramethoxysilan]].
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| :<math>\mathrm{SiF_4 + 4 \ H_2O \longrightarrow Si(OH)_4 + 4 \ HF}</math>
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| In wässrigen Suspensionen von amorphem, dispersen SiO<sub>2</sub> bildet sich langsam Monokieselsäure. Bei 25 °C lösen sich etwa 120 mg SiO<sub>2</sub> pro Liter:
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| :<math>\mathrm{SiO_{2 \ (s)} + 2 \ H_2O \ \rightleftharpoons \ Si(OH)_{4 \ (aq)}}</math>
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| Kieselsäure bildet sich bei der Umsetzung von [[Alkalisilikate|Wasserglas]]-Lösungen mit Mineralsäuren. Bei technischen Verfahren werden statt Mineralsäuren [[Kationenaustauscher]] eingesetzt.
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| :<math>\mathrm{Na_4SiO_{4 \ (aq)} + 2 \ H_2SO_{4 \ (aq)} \ \rightleftharpoons \ Si(OH)_{4 \ (aq)} + 2 \ Na_2SO_{4 \ (aq)}}</math> | |
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| === Kondensate ===
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| Unter sauren oder basischen Bedingungen unterliegt Monokieselsäure einer [[Exotherme Reaktion|exothermen]], [[Molekular#Intermolekular|intermolekularen]] Kondensationsreaktion zu Dikieselsäure (1), Trikieselsäure und in Folge zu Polykieselsäuren. Die Wasserabspaltung wird bei pH > 2 durch Deprotonierung (2) und bei pH < 2 durch Protonierung (3) katalytisch eingeleitet. Bei pH = 8 bis 9 ist die Reaktion schnell und die Kondensation erfolgt in Minuten bis Sekunden.
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| :<math>\mathrm{1) \ (HO)_3Si{-}OH + HO{-}Si(OH)_3 \longrightarrow (HO)_3Si{-}O{-}Si(OH)_3 + H_2O}</math>
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| :<math>\mathrm{2) \ (HO)_3SiO^- + Si(OH)_4 \longrightarrow (HO)_3Si{-}O{-}Si(OH)_3 + OH^-}</math>
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| :<math>\mathrm{3) \ (HO)_3SiOH + (HO)_3Si(OH_2)^+ \longrightarrow (HO)_3Si{-}O(H)^+-Si(OH)_3 + H_2O}</math> <math>\mathrm{\longrightarrow (HO)_3Si{-}O{-}Si(OH)_3 + H_3O^+}</math>
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| Jede Si–OH-Gruppe neigt dazu, eine Si–O–Si-Bindung zu bilden. Neben ringbildenden und kettenverzweigenden Kondensationen führen dreibindige und vierbindige Si-Einheiten zu einer Vernetzung der Ketten. Die Kondensationsreaktionen erfolgen ungeordnet. Es bilden sich kugelförmige, nicht kristalline ([[Amorphes Material|amorphe]]) Polykieselsäuren. Diese Teilchen liegen nicht mehr als Lösung vor, sondern bilden in der wässrigen Phase ein [[Kolloid]] mit Teilchendurchmesser zwischen 5 und 150 nm. Sind die Polykieselsäureteilchen ausreichend groß, wird die Suspension milchig trüb. Bestimmte technische Verfahren erlauben die Stabilisierung dieser Teilchen vor einer weiteren Vernetzung. Das Produkt wird [[Kieselsol]] genannt. Ohne Stabilisierung neigen die Polykieselsäureteilchen zum ungeordneten Aneinanderhaften; die Teilchen bilden poröse [[Aggregation (Chemie)|Aggregate]] mit (wassergefüllten) Hohlräumen. In einem Alterungsprozess „verschmelzen“ die Polykieselsäureteilchen durch neue Si–O–Si-Bindungen ineinander. Solche stabilen Strukturen werden ''Kieselgele'' genannt, von denen das [[Silicagel]] ein technisch perfektioniertes Produkt dieser Struktur darstellt. Allgemein werden die Produkte ''Fällungskieselsäuren'' oder ''gefällte Kieselsäuren'' genannt. Die Aggregate sind pulverförmig, haben eine geringe [[Schüttdichte]] und eine hohe [[spezifische Oberfläche]]. Wird für diese Aggregate ein Wassergehalt angegeben, handelt es sich – im Gegensatz zu Kieselsäuren – um physikalisch (durch [[Adsorption]]) gebundenes Wasser.
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| == Löslichkeit ==
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| In Wasser sind Kieselsäuren sehr schlecht und nur langsam löslich. Bei einem pH-Wert von 7 und einer Temperatur von 25 °C lösen sich maximal 0,12 g (berechnet als Siliciumdioxid) Kieselsäuren in einem Liter Wasser. Dies entspricht einem Wert von 120 ppm. Mit zunehmender Temperatur und zunehmendem pH-Wert steigt die Löslichkeit an. So lösen sich bei 75 °C 330 ppm Siliciumdioxid in Wasser.<ref name="schlomach">J. Schlomach: [http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/volltexte/documents/2604 ''Feststoffbildung bei technischen Fällprozessen.''] Dissertation, Universität Fridericiana Karlsruhe, 2006, ISBN 3-86644-024-3, S. 9.</ref><ref name="amjad">Z. Amjad: ''Water soluble polymers: solution properties and applications.'' Verlag Springer, 1998, ISBN 0-306-45931-0, {{Google Buch|BuchID=5B_pt9Q5H60C|Seite=173}}.</ref>
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| == Siehe auch ==
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| * {{WikipediaDE|Kielseläure}}
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| == Einzelnachweise ==
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| <references />
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| [[Kategorie:Anorganische Säure]]
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| [[Kategorie:Stoffgruppe|I]]
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| {{Wikipedia}}
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