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규산

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목차

1. 개요

규산은 이산화규소에 물을 첨가하여 생성되는 화합물로, 오르토규산, 메타규산, 피로규산 등 다양한 종류가 존재한다. 규산은 화학 반응을 통해 실리카겔을 생성하며, 이는 건조제 등으로 사용된다. 규산은 해양에서 돌말류의 세포벽을 구성하는 데 사용되며, 인체 내에서는 알루미늄 흡수를 방해하고 콜라겐 합성을 촉진하는 등 다양한 생리적 영향을 미치는 것으로 연구되고 있다.

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규산
일반 정보
규산 구조
다양한 형태의 규산
IUPAC 명칭케이산
다른 이름규산
식별자
J 글로벌 아이디200906086125683221
속성
화학식Si(OH)₄
몰 질량96.1149 g mol⁻¹
밀도1.576 g cm⁻³
pKa9.86, 13.1
열화학
생성 엔탈피-1481.1 kJ mol⁻¹
엔트로피192 J mol⁻¹K⁻¹
위험성
관련 화합물
다른 음이온인산
황산
과염소산
탄산
오르토탄산
추가 정보
InChI1/H4O4Si/c1-5(2,3)4/h1-4H
InChIKeyRMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYAS
CAS 등록번호10193-36-9
UNII623B93YABH
펍켐 CID14942
ChemSpider ID14236
유럽 화학 물질 정보 시스템 번호233-477-0
표준 InChI1S/H4O4Si/c1-5(2,3)4/h1-4H
표준 InChIKeyRMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N
SMILESO[Si](O)(O)O

2. 종류

규산은 이산화규소(SiO2)에 물(H2O) 분자가 결합하는 수에 따라 다양한 형태로 나뉜다.[11]

화학식이름계산된 구조
H4SiO4 또는 Si(OH)4오르토규산
H2SiO3 또는 SiO(OH)2메타규산
H6Si2O7 또는 O(Si(OH)3)2피로규산
H2Si2O5 또는 Si2O3(OH)2이규산



이론적으로 규소 원자 수(N)에 따라 고리나 시트 모양 등 다양한 구조가 가능하다.[11]

가장 간단한 것은 오르토규산 이온(orthosilicate, SiO44-)이며, 감람석 같은 천연 광물에서 발견되는 네소규산염의 정사면체 구조이다. 철감람석 결정에서 Si-O 결합 거리는 164pm이다.

두 개의 SiO4 사면체가 산소로 연결된 이규산 이온(Si2O76-)을 포함하는 광물은 소로규산염이라 불리며, 녹렴석 등이 있다.

SiO4 사면체가 사슬 모양으로 결합한 이노규산염((SiO3)n2n-, (Si4O11)n6n-), 고리 모양의 사이클로규산염((SiO3)612-), 층상 구조의 필로규산염((Si2O5)n2n-), 3차원 구조의 테크토규산염((AlxSi4-xO8)nxn-)도 존재한다.

2. 1. 오르토규산 (Orthosilicic acid)

오르토규산은 가장 기본적인 규산 형태로, 화학식은 H₄SiO₄이다.[11] 2017년 대한민국 산업기술종합연구소 연구팀에 의해 처음으로 단리 합성에 성공했다.

화학식이름계산된 구조
또는오르토규산


2. 2. 메타규산 (Metasilicic acid)



메타규산의 화학식은 또는 이다.[11] 실제로는 SiO₄ 사면체가 사슬이나 고리 모양으로 연결된 구조를 가진다.

이름화학식
메타규산
metasilicilic acid


2. 3. 피로규산 (Pyrosilicic acid)

pyrosilicic acid
disilicic acid


2. 4. 기타 규산

규산은 이산화 규소(SiO2)에 물(H2O)을 가한 것이며, 이론적으로는 N개 이상의 규소에 대해서 고리 모양이나 시트 모양 등 무한히 많은 구조를 생각할 수 있다.[11]

이름화학식구조
오르토규산또는
메타규산또는
피로규산또는
이규산또는



가장 간단한 구조는 '''오르토규산 이온'''(orthosilicate, )이며, 오르토규산의 4단계 해리로 생성되지만, 수용액 중에서는 강염기성에서도 확인되지 않고, 마그네슘염인 감람석과 같은 천연 광물 중에 존재하며, '''네소규산염'''이라고 불린다. 정사면체 구조이며, 철감람석 결정 중에서 Si-O 결합 거리는 164pm이다.

2개의 사면체를 산소로 가교한 이규산 이온()을 포함하는 광물은 '''소로규산염'''이라고 불리며 녹렴석 등이 있다.

사면체가 사슬 모양으로 결합한 '''이노규산염'''(, ), 고리 모양 구조의 '''사이클로규산염''', 층상 구조의 '''필로규산염'''() 및 3차원 구조의 '''테크토규산염'''()이 존재한다.

3. 화학 반응

규산의 반응은 일반적으로 제어하기 어렵다. 예를 들어, 메타 규산으로 부분적인 탈수화 반응을 할 경우, 보통 물과 이산화 규소로 분해되기 때문에 제어가 어렵다.[4]

이산화규소는 물에 매우 적게 용해되며, 해수 중 농도는 100 ppm 미만이다. 이러한 희석 용액에서 이산화규소는 오르토규산으로 존재하는 것으로 간주된다. 이론적 계산에 따르면, 물 속 이산화규소는 복합체를 형성한 다음 오르토규산이 생성되는 과정을 거친다.[7]

메타규산의 규소-산소 이중 결합은 화학식 에서 암시되지만, 가상적이거나 매우 불안정하다. 이러한 이중 결합은 수화 반응을 통해 두 개의 히드록실기 ()로 변환될 수 있다.[4]

: =Si=O + H2O <-> =Si(-OH)2

예를 들면 다음과 같다.

: \overset{메타규산}{H2SiO3} + H2O <-> \overset{오르토규산}{H4SiO4}

: \overset{디실리카산}{H2Si2O5} + 2 H2O <-> \overset{피로규산}{(HO)3Si-O-Si(OH)3}

메타규산은 와 같은 고리형 중합체를 형성하기 쉽고, 이는 수화에 의해 사슬형 중합체 로 열릴 수 있다. 마찬가지로 디실리카산은 사슬 단위 를 가진 복잡한 중합체를 형성하기 쉽다. 반대로 올리고머 및 중합체 산은 브리지의 가수분해에 의해 해중합될 수 있거나, 축합 반응에 의해 이러한 브리지가 생성될 수 있다.

: #Si-O-Si# + H2O <-> #Si-OH + HO-Si#

용액 중 규산과 규산염은 몰리브덴산염 음이온과 반응하여 노란색 실리코몰리브덴산염 착물을 생성한다. 이 반응은 수용액 중 실리콘 함량을 적정하고 그 특성을 결정하는 데 사용된다. 일반적인 반응에서 단량체 오르토규산은 75초 만에 완전히 반응하고, 이량체 피로규산은 10분, 그리고 더 높은 올리고머는 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸다. 이 반응은 콜로이드성 실리카에서는 관찰되지 않는다.[8]

수용액 중 규산의 중합도는 용액의 어는점에 미치는 영향(빙점내림법)으로 결정할 수 있다.[8]

규산나트륨 등의 규산 알칼리 금속의 농용액에 산을 가하면 백색의 비정형 콜로이드 물질이 생성된다. 이것을 일반적으로 규산이라고 부르며, 이산화 규소와 물이 결합한 것이지만, 그 물의 비율은 일정하지 않다.

이 규산이 응고된 것을 건조 공기 중에 방치하고, 더욱 가열 건조시키면 순차적으로 물을 잃고, 500℃에서 이산화규소의 겔(실리카 겔)이 된다. 이 동안 이산화규소 1몰에 대해 일정량의 물이 화합된 것으로 생각되는 것은 존재하지 않으므로, 이 겔 상태의 규산을 일정한 화학식으로 나타내는 것은 어렵지만, 이들의 염으로 미루어 보아 오르토규산·메타규산이 존재한다고 생각된다.

규산은 열수, 알칼리에 녹고, 냉수에는 약간 녹지만, 산에는 녹지 않는다. 진한 황산, 무수 에탄올에 의해 탈수된다. 플루오린화 수소의 작용으로 즉시 분해되어 헥사플루오로규산()을 생성한다. 수용액은 메틸렌 블루에 의해 청흑색이 된다.

암석학 등에서는 암석의 조성을 산화물의 비율로 표기하는 것이 일반적이며, 이산화규소를 규산이라고 부르는 경우도 있다. 이 이산화규소의 함량이 많은 것은 일반적으로 유색 광물이 적고 "산성암"이라고 불리며, 화강암이 전형적인 예이다. 이산화규소가 적고 유색 광물이 많은 것은 "염기성암"이라고 불리며, 현무암이 대표적이다. 더욱 이산화규소 함량이 적고 산화 마그네슘 함량이 많은 것은 "초염기성암"이라고 불린다.

3. 1. 일반적인 반응

규산은 고농도 용액에서 중합 및 축합 반응을 거치며, 최종적으로는 이산화 규소와 물로 분해된다.[4][5][6] 중간 단계에서는 매우 점성이 높은 액체나 젤과 같은 고체가 될 수 있다.[4][5][6] 이를 탈수시키면 원자 수준의 기공을 가진 단단하고 반투명한 이산화 규소 형태인 실리카 겔이 생성되는데, 이는 흡습제 및 건조제로 널리 사용된다.

3. 2. 산-염기 반응

실라놀과 같이, 규산은 약산이며, 수용액 상태에서 탈양성자화된다.[4] 오르토규산의 산 해리 상수는 25 °C에서 p''K'' = 9.84, p''K'' = 13.2이다.

오르토규산은 화학식으로 보면 4가의 산으로 생각되지만, 확실한 산 해리 상수가 측정된 것은 첫 번째 단계뿐이며, 두 번째 단계 이후는 매우 약하여 정확한 측정이 어렵다. 염기성 용액에서는 라만 분광법에 따르면 와 같은 화학종이 포함되어 있음을 보여주지만, pH와 농도에 따라서는 중합된 폴리규산 이온도 존재한다.[14]

: H4SiO4(aq) \ <=> \ {H^+(aq)} + H3SiO4^-(aq), \mbox{p}K_{a1} = 9.86 \,

: H3SiO4^-(aq) \ <=> \ {H^+(aq)} + H2SiO4^{2-}(aq), \mbox{p}K_{a2} = 13.1 \,

: H2SiO4^{2-}(aq) \ <=> \ {H^+(aq)} + HSiO4^{3-}(aq)

: {HSiO4^{3-}(aq)} \ <=> \ {H^+(aq)} + SiO4^{4-}(aq)

3. 3. 수화 반응

자연 상태에서 규산은 비생물학적 과정을 통해 석영과 물로부터 생성된다.[4][5][6]

: + →

이는 해양에서 규산 생성의 주요 경로이며, 해양 생태계에서 중요한 역할을 한다. 해양 표층 근처에서 이산화규소는 수화 과정을 통해 규산으로 변환된다.[15]

: + 2 ↔

북극과 남극에서의 침강은 규산을 심해로 수송한다. 인간 활동에 의한 교란이 발생하기도 하지만, 표층의 규산 농도 증가는 규산이 자발적으로 이산화규소와 물로 분해되는 반응에 의해 억제된다. 규산은 주로 오르토규산(H4SiO4) 형태로 존재하며, 그 생지화학적 순환은 규조류에 의해 조절된다.[16][17] 규조류는 규산을 중합하여 생물기원 실리카(biogenic silica)를 생성하고, 이를 세포벽(Frustule)의 재료로 활용한다.

4. 제조

규산은 규산 나트륨 수용액에 산을 첨가하여 제조할 수 있다.[4][5][6] 이 때 물을 잃고 실리카 겔을 형성하기도 한다. 결정질 규산은 규산나트륨 용액에서 이온교환수지를 이용해 나트륨 양이온을 제거하거나, 규산나트륨을 진한 황산으로 처리하여 제조할 수 있다.[10]

4. 1. 역사

옌스 야코브 베르셀리우스가 1810~1836년 사이에 규산을 발견했다고 알려졌으나, 이를 이산화 규소와 분리된 것으로는 인지하지 못하였다.[9] 옌스 야코브 베르셀리우스는 19세기 초 이산화규소(실리카, 석영)의 물에 대한 용해, 즉 수화 반응을 설명하기 위해 규산을 제시하였다.

\overset{실리카}{SiO2} + \overset{물}{H2O} <-> \overset{규산}{H2SiO3}

실리카겔의 증기압 곡선을 바탕으로 라인하우트 빌럼 반 벰멜렌은 실리카 수화물은 존재하지 않고, 오직 실리카겔만 존재한다고 주장했다. 반면, 구스타프 체르막 폰 자이제네크는 천연 규산염 겔의 분해 생성물로서 서로 다른 규산들을 관찰했다고 믿었다.[9]

최초의 결정질 규산은 1924년 층상규산염인 나트로실라이트(Na₂Si₂O₅)로부터 제조되었다. 15종 이상의 결정질 규산이 알려져 있으며, H₂Si₂O₅의 6가지 이상의 변형을 포함한다. 일부 규산은 유기 분자를 흡착 및 삽입할 수 있으므로 실리카에 대한 흥미로운 대안이 된다.[10]

4. 2. 실험실 제법

규산 나트륨 수용액에 산을 첨가하여 규산을 제조할 수 있다.[4][5][6] 이 때 물을 잃고 규산이 실리카 겔을 형성하기도 한다. 결정질 규산은 규산나트륨 용액에서 이온교환수지를 이용해 나트륨 양이온을 제거하거나, 규산나트륨을 진한 황산으로 처리하여 제조할 수 있다.[10]

5. 해양에서의 규산

해양에서 규산은 주로 오르토규산(H₄SiO₄) 형태로 존재하며, 생물지구화학적 순환은 돌말류(규조류)에 의해 조절된다.[16][17] 돌말류는 규산을 중합하여 세포벽(피각)을 만드는 데 사용한다.[31][32] 해양 돌말류는 Si(OH)₄를 운반한다.[33]

해양 표층에서 수화 반응을 통해 생성된 규산은 극지방에서 하강하는 순환에 의해 심해로 운반된다. 그리고 물과 이산화규소로 분해되어 사라진다. 해양의 규산 농도는 대서양에서 인도양을 거쳐 태평양으로 갈수록 높아지는 경향을 보인다.[34][35]

해양에서는 표층 근처에서 이산화규소로부터 수화 과정을 통해 규산이 생성된다.

:{SiO2} + 2H2O \ <=> \ H4SiO4

북극과 남극에서의 침강에 의해 심해로 수송된다. 인간 활동에 의한 교란을 받는 경우도 있지만, 표층의 규산 농도 상승은 규산이 자발적으로 이산화규소와 물로 분해되는 것에 의해 억제된다. DSi는 해양의 상층부에서 대부분 불포화상태이나, 남극 환류는 예외이다.

6. 용해도

규산은 물에 대한 용해도가 매우 낮다. 25°C, pH 7에서 1리터의 물에 최대 0.12g (실리카 형태) 정도만 용해될 수 있는데, 이는 120ppm에 해당한다.[36][37] pH와 온도가 높아지면 용해도도 증가하여, 75°C에서는 330ppm까지 용해될 수 있다.[36][37]

pH와 온도에 따른 용해도

7. 생체 내 영향

규산은 알루미늄 흡수를 방해하고 배출을 촉진하기 때문에 알츠하이머병과 알루미늄의 상관관계 연구에서 연구되어 왔다.[38][39][40]

시험관 내(in vitro) 실험 연구에 따르면 오르토규산의 생리적 농축은 1형 콜라겐 합성과 골아세포 분화를 촉진한다.[41]

콜린 안정화 오르토규산(Choline-stabilized orthosilicic acid)은 영양 보조 식품으로 사용되며, 머리카락의 인장 강도 손실을 방지하고,[42] 피부와 손톱에 긍정적인 영향을 미치며,[43] brittle nail syndrome을 완화시킨다.[44] 난소가 적출된 쥐 모델에서 대퇴골 감소를 부분적으로 막아주고,[45] 종아리의 콜라겐 농도를 증가시키는 효과가 있다.[46] 또한 골감소증 여성에게 뼈 콜라겐 형성에 잠재적으로 유익한 영향을 끼친다고 알려져 있다.[47]

참조

[1] 서적 Chemistry of the Elements https://books.google[...] Elsevier Science 2022-07-27
[2] 서적 The Chemistry of Silica Wiley
[3] 서적 The Constitution of the Natural Silicates
[4] 논문 The Poisonous Properties of Colloidal Silica. I: The Effects of the Parenteral Administration of Large Doses
[5] 논문 Effect of pH on Polymerization of Silicic Acid
[6] 논문 Chemical Bonds and Distribution of Cations in Silicates
[7] 논문 Thermochemistry for silicic acid formation reaction: Prediction of new reaction pathway
[8] 논문 The Reaction of Low Molecular Weight Silicic Acids with Molybdic Acid
[9] 논문 Zur Kenntnis der Kieselsäuren
[10] 간행물 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
[11] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press
[12] 논문 Non-aqueous selective synthesis of orthosilicic acid and its oligomers
[13] 뉴스 200年にわたる謎に終止符、ガラスの基本単位の構造を決定－オルトケイ酸を用いた高機能・高性能ケイ素材料の創出に期待－ https://www.jaea.go.[...] 日本原子力研究開発機構 2017-07-27
[14] 서적 Cotton and Wilkinson ADVANCED INORGANIC CHEMISTRY A COMPREHENSIVE TEXT Fourth Edition INTERSCIENCE
[15] 웹사이트 http://www.nodc.noaa[...]
[16] 서적 Scientists On Gaia The MIT Press
[17] 논문 The silica balance in the world ocean: A reestimate http://www.sciencema[...]
[18] 논문 Non-invasive therapy to reduce the body burden of aluminium in Alzheimer's disease
[19] 논문 Role of beer as a possible protective factor in preventing Alzheimer's disease
[20] 논문 Beer consumption reduces cerebral oxidation caused by aluminum toxicity by normalizing gene expression of tumor necrotic factor alpha and several antioxidant enzymes
[21] 논문 Orthosilicic acid stimulates collagen type 1 synthesis and osteoblastic differentiation in human osteoblast-like cells in vitro
[22] 논문 Effect of oral intake of choline-stabilized orthosilicic acid on hair tensile strength and morphology in women with fine hair
[23] 논문 Effect of oral intake of choline-stabilized orthosilicic acid on skin, nails and hair in women with photodamaged skin
[24] 논문 Vitamins and minerals: their role in nail health and disease
[25] 논문 Partial prevention of long-term femoral bone loss in aged ovariectomized rats supplemented with choline-stabilized orthosilicic acid
[26] 논문 Supplementation of calves with stabilized orthosilicic acid. Effect on the Si, Ca, Mg, and P concentrations in serum and the collagen concentration in skin and cartilage
[27] 논문 Choline-stabilized orthosilicic acid supplementation as an adjunct to Calcium/Vitamin D3 stimulates markers of bone formation in osteopenic females: a randomized, placebo-controlled trial
[28] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann
[29] 서적 The Chemistry of Silica Wiley
[30] 웹인용 Metasilicic Acid Compound Summary https://pubchem.ncbi[...]
[31] 서적 Scientists On Gaia The MIT Press
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[33] 논문 The chemical form of dissolved Si taken up by marine diatoms https://onlinelibrar[...]
[34] 문서 World Ocean Atlas 1994
[35] 웹인용 World Ocean Atlas 1994 http://iridl.ldeo.co[...]
[36] 논문 Feststoffbildung bei technischen Fällprozessen http://digbib.ubka.u[...] Universität Fridericiana Karlsruhe 2006
[37] 서적 Water soluble polymers: solution properties and applications Verlag Springer 1998
[38] 저널 Non-invasive therapy to reduce the body burden of aluminium in Alzheimer's disease
[39] 저널 Role of beer as a possible protective factor in preventing Alzheimer's disease
[40] 저널 Beer consumption reduces cerebral oxidation caused by aluminum toxicity by normalizing gene expression of tumor necrotic factor alpha and several antioxidant enzymes
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[45] 저널 Partial prevention of long-term femoral bone loss in aged ovariectomized rats supplemented with choline-stabilized orthosilicic acid
[46] 저널 Supplementation of calves with stabilized orthosilicic acid. Effect on the Si, Ca, Mg, and P concentrations in serum and the collagen concentration in skin and cartilage
[47] 저널 Choline-stabilized orthosilicic acid supplementation as an adjunct to Calcium/Vitamin D3 stimulates markers of bone formation in osteopenic females: a randomized, placebo-controlled trial


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