Цеолиты

Цеолиты (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 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.
Специфика различных Ц. связана с размером входов в полости (они могут быть от 3 до 10 ), 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.