Цеолиты

Цеоли́ты

(от греч. zéo — киплю и líthos — камень; из-за способности вспучиваться при нагревании)

алюмосиликаты, кристаллическая структура которых образована тетраэдрами [SiO₄]^4- и [AlO4]^5-, объединёнными общими вершинами в трёхмерный каркас, пронизанный полостями и каналами. В последних находятся молекулы воды и катионы металлов (I и II групп периодической системы Менделеева), а также аммония, гидрония, тетраалкиламмония и др. введённые катионным обменом поливалентные ионы.

Ц. встречаются в природе и получены искусственно. Общая формула Ц. Me_x/n [Al_xSi_yO_2(x+y)]․zH₂O, где Me — металл, n — его степень окисления, х — число атомов алюминия, у — число атомов кремния, z — число молекул воды.

Цеолиты природные (Ц. п.) включают около 30 минералов. К наиболее важным относятся: Анальцим, ломонтит Ca [Al₂Si₄O₁₂]․2H₂O, филлипсит (Na₂, K₂, Ca) [Al₂Si­_2,6-6,8O_9,2-17,6] (3,4—6,6) Н₂О; Натролит, морденит (Na₂, Ca, K₂)[Al₂Si_9,0-10,6 О_22,0-25,2] (6,4—7) H₂O; гейландит (Са, Na₂, K₂) [Al₂Si_6,0-7,5O_16,0-19,0] (5,5—6,5) H₂O, клиноптилолит (K₂, Na₂, Ca) [AI₂Si_7,5-11,0O_19,0-26,0] (6—8)1420, Шабазит, эрионит (Na₂, K₂, Ca) [Al₂Si_5,8-7,6O_15,4-19,2] (4,8—6,8) Н₂О, фожазит (Са, Na₂, Mg, K₂) [Al₂Si_4,1-4,6 O_12,2-13,2]․4H₂O.

По наличию общих структурных элементов, сходных кайалов выделяют 9 кристаллохимических групп Ц. Каркасы цеолитов группы анальцима построены четверными кольцами [Si, AlO₄] тетраэдров. Из различных сочетаний четырёхчленных колец построены также каркасы Ц. группы ломонтита и филлипсита. Структуры Ц. группы натролита образованы из цепочек, которые составлены из четырёхчленных колец, соединённых Друг с другом пятым тетраэдром. Характерные элементы Ц. группы морденита и гейландитаклиноптилолита представлены пятерными петлями тетраэдров [Si, AlO₄]. Одиночные шестерные кольца являются основой каркасов Ц. группы эрионита, двойные — шабазита и фожазита.

Ц. п. образуют прозрачные бесцветные кристаллы любых кристаллографических систем; размер от нескольких см до нескольких мкм. Твердость по минералогической шкале 3—5; плотность 1800—2250 кг/м³ (у бариевых цеолитов — 2500—2700).

Образуются Ц. п. в основном в условиях относительно невысоких температур (до 250—300 °С) и давлений (до нескольких тыс. атмосфер) в последней стадии гидротермального процесса и приурочены к вулканогенным толщам базальтового, андезитового, риолитового состава, в которых заполняют пустоты и трещины, или образуют цемент туфов; происхождение Ц. п. связано также с Диагенезом осадков морей, щелочных солёных озёр, при взаимодействии туфов с поровыми водами. При этом образуются промышленные скопления, которые разрабатываются как месторождения Ц. п. С повышением температуры образуются относительно менее гидратированные Ц. Появление ломонтита в подвергающихся погружению осадках характерно для т. н. цеолитовой Фации метаморфизма; особое место занимает анальцим, который может кристаллизоваться как позднемагматический минерал при температурах выше 600 °С из бедных кремнезёмом щелочных магм. Месторождения в СССР — в Закавказье, Закарпатье, на Камчатке; за рубежом — в Новой Зеландии, Японии, США, Исландии.

Цеолиты искусственные. Из почти ста искусственных Ц. на практике широкое применение находят три: А — Na [AISiO₄]․(2÷3) H₂O, Х — Na [AISi_1-1,5O_4-5]․3H₂O и Y — Na [AISi_1,5-3O_5-8]․(3÷4) H₂O.

А не имеет природных аналогов, Х и Y близки фожазиту. А, X, Y синтезируют нагреванием до 100 °С либо гелей, образующихся при смешении растворов алюмината натрия и жидкого стекла или золя кремневой кислоты, либо смеси растворов едкого натра с прокалённым каолином. Полученные кристаллы (размером несколько мкм) подвергают грануляции.

Природные и искусственные Ц. проявляют ионообменные, а после удаления из их полостей молекул воды (при нагревании) адсорбционные свойства, которые в сочетании с жёстким размером входов в полости и каналы придают свойства молекулярных сит (См. Молекулярные сита) и селективных ионообменников. В случаях, когда катионами служат поливалентные катионы, главным образом La, Ce и др. редкоземельные элементы, гидроний или водород, Ц. обнаруживают свойства катализаторов (См. Катализаторы).

Специфика различных Ц. связана с размером входов в полости (они могут быть от 3 до 10 Å), объёмом полостей, природой и расположением катионов, химической стойкостью Ц. в различных средах.

Ц. используются для выделения и очистки углеводородов нефти и как катализаторы, а также для очистки, осушки и разделения газов (в т. ч. воздуха), осушки фреонов, извлечения радиоактивных элементов, создания глубокого вакуума и т.д.

Лит.: Жданов С. П., Егорова Е. Н., Химия цеолитов, Л., 1968; Сендеров Э. Э., Хитаров Н. И., Цеолиты, их синтез и условия образования в природе, М., 1970; Брек Д. В., Цеолитовые молекулярные сита, пер. с англ., М., 1976.

Э. Э. Сендеров.