ケイ酸塩とは？ わかりやすく解説

ケイ酸塩^[1]（ケイさんえん、（珪酸塩、英語: silicate）は、1個または数個のケイ素原子を中心とし、電気陰性な配位子がこれを取り囲んだ構造を持つアニオンを含む化合物を指す。シリケートとも呼ばれる。この定義ではヘキサフルオロシリケート [SiF₆]²⁻ などの化学種も含まれるが、一般的によく見られるケイ酸塩は酸素を配位子とするものである。

ケイ酸塩アニオンは他のカチオンと結合し、電気的に中性な化合物を形成する。シリカ（二酸化ケイ素） SiO₂ はケイ酸塩の一種と考えられることもある。これはケイ素周りが負電荷を帯びないため、追加のカチオンを含まない特別な例である。シリカは石英やその多形などの鉱物として自然界に見られる。

ケイ酸塩鉱物に代表される大多数のケイ酸塩では、ケイ素原子は4個の酸素原子によって囲まれた四面体構造をとる。鉱物の種類によってこの四面体が連なる度合いは異なり、単独、対、クラスター、環状、鎖状、二本鎖状、層状、3次元網目状など多岐にわたる。ケイ酸塩鉱物はこのアニオン構造の違いによって分類される。

酸素原子周りの空間が少ないため、通常の圧力条件では6配位のケイ酸塩はまれにしか見られないが、ソーマス石（英語版） などにヘキサヒドロキシシリケートイオン [Si(OH)₆]²⁻ として含まれる。

4配位ケイ酸イオン中のケイ素原子は、4個の酸素原子によって囲まれた四面体構造をとり、この四面体が1個から無限個まで連なった多様な種類がある。

オルトケイ酸イオン (SiO₄⁴⁻)、ピロケイ酸イオン (Si₂O₇⁶⁻)、他の縮合ケイ酸イオンが知られている。環状ケイ酸イオンとしては Si₃O₉⁶⁻ と Si₆O₁₈¹²⁻ が知られている。さらに、以下のような多様な無限ポリイオンが存在する^[2]。

1次元鎖状

(pyroxene) 型 (SiO₃²⁻)_n。各 SiO₄ 四面体は2個の酸素原子を隣の SiO₄ 四面体と共有し、形式的には残り2個の酸素がアニオンとなる。

1次元二重鎖状

(amphybole) 型 (Si₄O₁₁⁶⁻)_n

2次元シート状

各 SiO₄ 四面体は3個の酸素原子を隣の SiO₄ 四面体と共有し、形式的には残り1個の酸素がアニオンとなる。ほとんどの2次元シート状アニオンは巨大すぎて、常温では固体かコロイド溶液でしか存在できない。

3次元網目状

各 SiO₄ 四面体は4個の酸素原子を隣の SiO₄ 四面体と共有する。この構造が 100% だと組成式 SiO₂ の二酸化ケイ素であるが、一部の SiO₂ が他の金属酸化物に置き換わった (M(I)₂O)_2x(SiO₂)_1-x や (M(II)O)_2x(SiO₂)_1-x のような組成の化合物では、ケイ素原子が取り除かれた欠陥部がアニオンとなった (SiO_2(1-x))O_2x^4x− のようなポリイオンが考えられる。ただし金属 M がイオンというよりも酸素原子と共有結合してポリケイ酸イオンの一部となっていると考えた方が良い構造の場合もある。

2次元シート状および3次元網目状のポリケイ酸イオンの一部のケイ素原子が、アルミニウムやホウ素、リン、またチタンなどの遷移金属に置き換えられたものがある。これらは化学的にはアルミノケイ酸イオンやホウケイ酸イオンと呼ばれるべきものであるが、ケイ酸イオンの一種として扱われることが多い。特にアルミノケイ酸塩には非常に多くのものが知られている。非晶質の3次元網目状ケイ酸塩はケイ酸ガラスとして知られる。

鉱物学では、ケイ酸塩鉱物^[3]（ケイさんえんこうぶつ、（英: silicate mineral）は、そのアニオン部分の構造によって以下のようなグループに分類される。

• ネソケイ酸塩鉱物（四面体単体） — ${\displaystyle {\ce {[SiO4]^{4-}}}}$