Цеолиты

Микропористая молекулярная структура цеолита, ZSM-5

Цеолиты — большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов, со стеклянным или перламутровым блеском. Кристаллическая структура цеолитов образована тетраэдрическими группами SiO2/4 и AlO2/4, объединёнными общими вершинами в трёхмерный каркас, пронизанный полостями и каналами. В последних находятся молекулы воды и катионы металлов. Решётка из (Si, Al)O4 тетраэдров имеет весьма большие полости и каналы, молекулы Н2O с ней связаны слабо, поэтому цеолиты легко отдают свою кристаллизационную воду и обладают способностью к обратимому катионному обмену — без разрушения кристаллической решётки. Микроскопически (по габитусу) выделяют: волокнистые цеолиты — натролит, мезолит, томсонит, сколецит, ломонтит, гоннардит, эдингтонит, морденит, эрионит, жисмондин, феррьерит и др.; листоватые цеолиты, (или пластинчатые) — стильбит, гейландит, брюстерит и др.; изометрические цеолиты — шабазит, филлипсит, гармотом, фоязит, гмелинит, дакиардит и др. На основе кристаллической структуры цеолитов возможна дальнейшая их систематизация. Способны отдавать и вновь поглощать воду в зависимости от температуры и влажности. Другим важным свойством цеолитов является способность к ионному обмену, они способны селективно выделять и вновь впитывать различные вещества, а также обменивать катионы.

Происхождение

По происхождению цеолиты - гидротермальные, [экзогенные процессы|экзогенные]], реже метаморфические минералы. Встречаются в миндалинах вулканических пород, в песчаниках, аркозах и граувакках; в трещинах и пустотах гнейсов и кристаллических сланцев. Месторождения незначительны по объёму но многочисленны и известны во всём мире.

Распространены довольно широко главным образом в низкотемпературных гидротермальных жилах, а также в миндалинах и трещинах эффузивных пород, где образуются как продукт поствулканических процессов.

Получаются искусственно.

Применение

В промышленности применяют исключительно искусственно синтезированные цеолиты (пермутиты), они находят широкое применение в водоочистительных приборах, как адсорбенты, ионообменники, молекулярные сита.

Наиболее распространённые представители группы цеолитов:

Натролит Na2Al2Si3O10·2(H2O) Шабазит (Ca, Na2, K2) Al2Si3? 8O10? 20. (5, 4—9, 4) H2O

Гейландит (Са, Na2, K2) [Al2Si6, 0-7, 5O16, 0-19, 0] (5, 5—6, 5) H2O, Стильбит (десмин) Ca Al2 Si7O18 * 7 H2O

Морденит (Na2, Ca, K2)[Al2Si9, 0-10, 6 О22, 0-25, 2] (6, 4—7) H2O Томсонит Na Ca2 Al4 (Al, Si)2 (Si2O10)2 * 6 H2O

Ломонтит Ca [Al2Si4O12]? 2H2O

Сюда относят обширную группу минералов, представляющих собой по существу водные алюмосиликаты, главным образом Са и Na, отчасти Ва, Sr, К и крайне редко Mg и Мn. Судя по списку элементов, эта группа в химическом отношении имеет прямое отношение к рассмотренным выше безводным алюмосиликатам.

Несмотря на то что общее число элементов, участвующих в этих соединениях, невелико, мы имеем весьма значительное количество минеральных видов, отличающихся друг от друга не столько по содержанию воды, сколько по соотношениям катионов между собой, часто не укладывающимся в простые химические формулы. Общая химическая формула может быть выражена таким образом: А_mХ_рO₂р - n Н₂O, где Х = Si, Аl. Каких-либо определенных соотношений между содержанием щелочей и кремнезема в различных минералах не наблюдается.

Многое еще не совсем ясно в наших представлениях о разных типах анионных радикалов, характеризующих минералы рассматриваемой группы. Тем не менее цеолиты обладают целым рядом общих совершенно своеобразных свойств, и не вызывает никакого сомнения то, что они составляют особую группу. Рентгенометрические исследования показывают, что кристаллические решетки их состоят из каркасов алюмо-кремнекислородных тетраэдров, отличающихся от других типов каркасных решеток тем, что полости в них представлены более широкими " каналами". Такая более открытая кристаллическая жесткая основа содержит в себе слабо связанные с ней молекулы воды. При осторожном нагревании вода может быть постепенно удалена без разрушения кристаллической структуры в целом. Замечательно, что удаленная этим путем вода вслед за тем снова может быть поглощена до прежних пределов или заменена молекулами других веществ (сероводорода, этилового спирта, аммиака и пр.), причем кристаллическая среда сохраняет свою однородность; соответственно меняются лишь оптические свойства. Отсюда естественно, что содержание воды в цеолитах является переменной величиной и зависит от внешних условий (температуры и упругости паров воды в окружающей среде). Так называемая цеолитная вода именно тем и отличается от кристаллизационной, что при нагревании она выделяется не скачками при каких-либо определенных температурах, а постепенно.

Другой характерной особенностью, ярко выраженной у большинства цеолитов, является та легкость, с какой происходит обмен между катионами, уравновешивающими отрицательный заряд каркаса кристаллической решетки, и катионами в окружающем водном растворе. Те или иные катионы раствора способны вытеснять катионы, располагающиеся в " пустотах" среди каркаса цеолитов, без нарушения их структуры. Это свойство используется в практике, главным образом при применении искусственно изготовляемых цеолитов в качестве пермутита для смягчения жестких вод.

В противоположность более " закрытым" каркасным структурам полевых шпатов, в которых каждая " пустая" ячейка занята катионами, в решетках цеолитов свободные пространства использованы не полностью. При сопоставлении данных химических анализов в соответствии со структурами выясняется, что, помимо обычно наблюдаемого в полевых шпатах типа замены катионов с сохранением общего заряда, числа ионов и объема (например, NaSi⇔ TCaAl или KSi⇔ BaAl), в цеолитах существует другой тип замены: Са⇔ Nа₂, Ва⇔ К₂, NaCa₂⇔ Na₃Ca.

Как видим, в этих случаях общий заряд заменяемых катионов одинаков с зарядом заменяющих примерно равновеликих катионов, однако число ионов различно. Очевидно, кристаллические решетки цеолитов имеют какой-то " запаса пространства для такого рода подстановок.

Минералы группы цеолитов по сравнению с безводными алюмосиликатами характеризуются меньшей твердостью, меньшим удельным весом, меньшими показателями преломления и более легкой разлагаемостью кислотами. Большинство их вспучивается перед паяльной трубкой, чем и обусловлено их название: " цео" по-гречески - вскипать.

Много общего мы находим и в условиях их образования. При эндогенных процессах они возникают в условиях низких давлений в самые последние низкотемпературные стадии гидротермальных процессов, встречаясь в ассоциации большей частью с кальцитом, халцедоном, кварцем, гидраргиллитом и другими минералами. Они встречаются, как правило, в гидротермально измененных магматических породах, часто в пузыристых эффузивах (мандельштейнах), особенно в базальтах (при подводных извержениях), затем в пегматитах, где образуются в числе последних минералов либо в пустотах, либо метасоматическим путем за счет ранее выделившихся минералов (полевых шпатов, нефелина и др.); в ряде гидротермальных рудных месторождений и в некоторых современных отложениях горячих источников.