1.2 Структура цеолитов

При рассмотрении химических и каталитических свойств цеолитов часто достаточно феноменологического описания, однако по-настоящему понять эти явления можно, только детально изучив кристаллическую структуру цеолитов.

Из-за сложности физических свойств цеолитов им трудно дать точное определение. Так один из авторов[2] предлагает называть цеолитами “алюмосиликаты с каркасной структурой, в которой имеются полости, занятые большими ионами и молекулами воды, причем и те и другие характеризуются значительной подвижностью, что обеспечивает возможность ионного обмена и обратимой дегидратации”.

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

Каркасная структура построена из соединенных вершинами тетраэдров, в которых малые атомы (называемые Т-атомами) лежат в центрах тетраэдров и атомы кислорода - в их вершинах. Положения Т в природных цеолитах заняты преимущественно атомами Al и Si, но в синтетических цеолитах их можно заменить на близкие по природе атомы Ga, Ge и P. Роль больших ионов в полостях природных цеолитов выполняют одно- и двухзарядные катионы Na, Сa, K, Mg и Ba, содержание которых зависит от геохимического состава среды минералообразования и распределения элементов между кристаллизующимися минералами. В лабораторных условиях в цеолит можно путем ионного обмена или прямым синтезом ввести широкий набор других катионов. Общая формула цеолита MpDq[Alp+2qSirO2p+4q+2r]*sH2O. Поскольку каждая вершина принадлежит двум тетраэдрам, атомов кислорода в каркасе должно быть вдвое больше, чем T-атомов. Чтобы заряд компенсировался, число трехзарядных ионов Al должно быть равно сумме p (число однозарядных катионов) и 2q (удвоенное число двухзарядных катионов).

Микроскопически выделяют:

Волокнистые цеолиты - натролит, мезолит, томсонит, ломонтит, морденит, гоннардит, эрионит, феррьерит и другие;

Листоватые(пластинчатые) – стильбит, гейландит, брюстерит и другие;

Изометрические цеолиты- шабазит, филлипсит, гармотон, фоязит и другие;

Таблица 1

Стабильность цеолитов разных типов в кислотах

Цеолит	SiO2/Al2O3	Устойчивость к кислотам
NaA	2	Растворяется при pH<5
NaX	2,4-2,7	То же
NaY	До 3,5	Разрушается в 3 н. уксусной кислоте
NaY	4,0-5,9	Мало разрушается в 3 н. уксусной кислоте
NaЭ	6	То же
NaM	10	Не разрушается в 3 н. соляной кислоте