Номер 316, страница 225 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.316. Почему кремниевая кислота ${\mathrm{H}}_4{\mathrm{SiO}}_4,$ в отличие от серной, не устойчива к поликонденсации и выпадает в осадок в виде смеси различных поликремниевых кислот?

Неустойчивость кремниевой кислоты ($H_4SiO_4$, или более точно, ортокремниевой кислоты $Si(OH)_4$) и её склонность к поликонденсации, в отличие от серной кислоты ($H_2SO_4$), объясняется несколькими ключевыми различиями в их строении и свойствах центральных атомов.

1. Структура и количество функциональных групп

Молекула ортокремниевой кислоты $Si(OH)_4$ имеет тетраэдрическое строение с четырьмя гидроксильными группами ($-OH$), связанными с центральным атомом кремния. Каждая из этих групп способна вступать в реакцию конденсации с гидроксильной группой другой молекулы. В ходе этой реакции отщепляется молекула воды и образуется прочная силоксановая связь ($Si-O-Si$).

Процесс начинается с димеризации:

$2H_4SiO_4 \rightarrow (HO)_3Si-O-Si(OH)_3 + H_2O$

Так как у каждой молекулы четыре реакционных центра, этот процесс продолжается, приводя к образованию длинных цепей, разветвленных структур и, в конечном итоге, трёхмерной сетки поликремниевых кислот. Общая формула этих кислот может быть записана как $[SiO_x(OH)_{4-2x}]_n$. По мере роста полимерные молекулы становятся нерастворимыми в воде и выпадают в осадок в виде геля (силикагель).

В отличие от этого, молекула серной кислоты $H_2SO_4$ (структурная формула $O_2S(OH)_2$) имеет только две гидроксильные группы. Теоретически, они могут вступать в реакцию конденсации с образованием дисерной (пиросерной) кислоты:

$2H_2SO_4 \rightleftharpoons H_2S_2O_7 + H_2O$

Однако эта реакция является обратимой, и дальнейшая поликонденсация с образованием более длинных цепей практически не происходит.

2. Прочность и стабильность связей

Ключевым фактором является исключительно высокая прочность и термодинамическая стабильность силоксановой связи $Si-O-Si$. Её образование является энергетически выгодным процессом, что и служит движущей силой поликонденсации. Образовавшиеся поликремниевые кислоты и их конечный продукт, диоксид кремния ($SiO_2$), очень устойчивы к гидролизу (обратному процессу расщепления водой).

Связь $S-O-S$ в дисерной кислоте, напротив, значительно менее стабильна и легко подвергается гидролизу. В водных растворах равновесие реакции образования $H_2S_2O_7$ сильно смещено влево, в сторону исходной серной кислоты. Кроме того, атом серы в $H_2SO_4$ уже образует две очень прочные двойные связи $S=O$, что делает всю молекулу очень стабильной и несклонной к перестройке связей для образования полимеров.

3. Свойства центрального атома

Атом кремния (период 3, группа 14) имеет больший радиус и меньшую электроотрицательность по сравнению с атомом серы (период 3, группа 16). Эти свойства кремния способствуют образованию стабильных одинарных связей $Si-O$ и формированию протяженных полимерных каркасов. Сера, будучи более электроотрицательной, образует стабильные, компактные молекулы с прочными двойными связями $S=O$, что делает полимеризацию невыгодной.

Ответ:

Кремниевая кислота ($H_4SiO_4$) неустойчива и поликонденсируется, потому что её молекула имеет четыре реакционноспособные гидроксильные группы и образование очень прочных и стабильных силоксановых связей ($Si-O-Si$) является энергетически выгодным процессом. Это приводит к росту полимерных цепей и сеток, которые нерастворимы в воде и выпадают в осадок. Серная кислота ($H_2SO_4$), напротив, имеет только две гидроксильные группы и очень стабильные двойные связи $S=O$. Образование полимерных цепей через связи $S-O-S$ для неё энергетически невыгодно, а немногочисленные продукты конденсации (например, дисерная кислота) легко гидролизуются обратно до исходной кислоты, поэтому серная кислота существует в виде стабильных отдельных молекул.