Chemia zeolitów

ZEOLITY duża grupa minerałów glinokrzemianowych (gromada krzemianów) o różnym składzie chemicznym, właściwościach i postaci kryształów. Uwodnione glinokrzemiany sodu i wapnia, w rzadszym stopniu baru, strontu, potasu, magnezu, manganu.

Nazwa pochodzi z gr. dzeo = wrzeć (kipieć), zein = gotować i lithos = kamień (skała) co oznacza "wrzące kamienie" i nawiązuje do cechy charakterystycznej tej grupy: pod wpływem ogrzewania zawarta w nich woda "wrze" = "pieni się" pokrywając powierzchnię pęcherzykami (efekt uwalniania zawartej w zeolitach wody).

Axel Frederik Cronstedt Szwedzki chemik i mineralog. W 1756r jako pierwszy odkrył zeolit i nazwał stilbit.

Stilbit Stilbit (Desmin) – minerał z gromady krzemianów, zaliczany do grupy zeolitów. Jest minerałem pospolitym. Nazwa pochodzi od gr. stilbe = połysk; nazwa desmin od gr. desme = wiązka (snop) i nawiązuje do snopowych skupień tego minerału.

Właściwości Stilbitu Układ krystalograficzny: jednoskośny Twardość: 3,5-4 Gęstość: 2,1-2,2 Rysa: biała Barwa: biała, żółtawa, czerwona, brunatna Przełam: nierówny Połysk: szklisty, diamentowy, na powierzchniach łupliwości – perłowy Łupliwość: dobra i bardzo dobra, niewyraźna – dwukierunkowa Tworzy skupienia zbite, ziarniste, blaszkowe, kuliste, groniaste, promieniste, snopkowe. Prawidłowo wykształcone kryształy są spotykane w druzach. Często tworzą zbliźniaczenia (kryształy przyjmują pseudorombową postać). Spotykane są też bliźniaki krzyżowe. Jest kruchy i przezroczysty.

Występowanie: W pustakach i szczelinach zasadowych skał magmowych, głównie w zasadowych wulkanitach. Pojawiają się także w geodach, granitowych i pustkach łupków krystalicznych oraz w niektórych żyłach kruszcowych.

Miejsca występowania: Indie, Australia, Wielka Brytania, Kanada, USA, Brazylia, Włochy, Szwajcaria. W Polsce – pospolity w próżniach granitów strzegomskich i strzelińskich, w melafirach, gnejsach hornfelsowych okolic Niemczy, łupkach krystalicznych Ciechanowic i okolic Jeleniej Góry. Spotykany w żyłach hydrotermalnych przecinających granity.

Zeolity to obszerna grupa uwodnionych glinokrzemianów szkieletowych Na, Ca, Ba, Sr, K, Mn, Mg, w których w wolnych kanałach strukturalnych występują drobiny H2O (tzw. woda zeolitowa) oraz kationy jedno lub dwuwartościowe. Do grupy tej należy około 50 minerałów m.in. mezolit,  thomsonit, goanardyt, epistilbit, ferrieryt, laumontyt, yugawaralit, gmelinit, analcym, z czego zaledwie 15 występuje pospolicie.

Wzór ogólny zeolitu Me2/nO * Al.2O3 * xSiO2 * zH2O gdzie: Me –poza sieciowy kation metaliczny , n – wartościowość kationu, x –stosunek molowy SiO2/Al2O3

Pod względem morfologicznym dzielą się na kilka grup: z.włókniste (natrolit, mezolit, skolecyt, thomsonit, gonnardyt, mordenit, ferrieryt, laumontyt), z.płytkowe (heulandyt, klinoptilolit, stilbit), z.kostkowe (gismondyt, phillipsyt, harmotom, yugawaralit, gmelinit, chabazyt). Do zeolitów zaliczany jest też analcym – minerał bardzo podobny do skaleniowców (pod względem składu chemicznego oraz postaci).

Zeolity włókniste

Zeolity płytkowe

Zeolity kostkowe

Kanały zeolitów Wyróżnia się trzy typy kanałów jakie posiadają sita molekularne: system nie przenikających się kanałów o jednakowych rozmiarach; b) dwuwymiarowe systemy kanałów; c) trójwymiarowy układ przecinających się kanałów.

Zastosowanie zeolitów: -Mają znaczenie naukowe (jako wskaźnik warunków i charakteru przeobrażeń skał metamorficznych) i kolekcjonerskie. -Ze względu na specyficzne cechy strukturalne zeolity wykorzystywane są w charakterze sit molekularnych, umożliwiających osuszanie rozpuszczalników oraz rozdział różnych mieszanin i substancji. -Stosowane są jako substancja osuszająca, mają zastosowanie do oczyszczania gazów i ścieków – doskonale wychwytują jony ołowiu, cynku, miedzi, rtęci oraz promieniotwórcze izotopy strontu i cezu.

-Mają zastosowanie w różnych działach przemysłu chemicznego – przy produkcji proszków do prania (jako składnik zmiękczający wodę), przy produkcji nawozów mineralnych. -Stosowane są również do zmiękczania wody wodociągowej. -W przemyśle spożywczym – dodatek do paszy dla zwierząt. -W petrochemii. -Stanowią doskonały surowiec do wyrobu cementu, lekkich kruszyw i papieru. -Używane jako wkład filtracyjny w filtrach akwariowych, ze względu na neutralizowanie szkodliwego amoniaku i fosforanów.

Właściwości zeolitów: Układ krystalograficzny: krystalizują we wszystkich układach (w regularnym: analcym) Twardość: od 3 do 5,5 Gęstość: od 2,1 do 2,3 (niższa od gęstości innych glinokrzemianów) Rysa: biała – wszystkie zeolity Barwa: najczęściej białe, bezbarwne, szare, żółtawe, czerwone Przełam: zazwyczaj nierówny, rzadko muszlowy Połysk: zmienny – szklisty na ścianach kryształów, perłowy na powierzchniach łupliwości, tłusty na powierzchni przełamu; zeolity włókniste mają połysk jedwabisty Łupliwość: niewyraźna do doskonałej; część zeolitów nie ujawnia łupliwości Łatwo rozpuszczają się w kwasie solnym, przechodząc w galaretowatą krzemionkę (cecha diagnostyczna) Podczas ogrzewania do temperatury około 400 °C oddają zawartą w nich wodę bez zniszczenia struktury kryształów. Proces ten jest odwracalny – umieszczenie w wilgotnym środowisku powoduje jego ponowne uwodnienie a utracone kationy mogą zostać zastąpione innymi. Pod tym względem zeolity zachowują się odmiennie od innych uwodnionych minerałów. Minerały tej grupy budową i składem chemicznym przypominają skalenie (glinokrzemiany sodu i potasu), ale są uwodnione. Luki strukturalne pozostawione przez cząsteczki wody mogą być wypełnione przez inne cząsteczki lub jony. Woda dostając się lub opuszczając strukturę zeolitu powoduje wymianę jonów zawartych w roztworze na jony minerałów (ze względu na tę właściwość zeolity wytwarza się metodą syntezy i stosuje do uzdatniania wody).

Właściwości adsorpcyjne zeolitów Są to typowe adsorbenty mikroporowate, w których struktura porowata jest ściśle uporządkowana. Typowe dla adsorbentów mikroporowatych podwyższenie energii adsorpcji prowadzi do gwałtownego wzrostu adsorpcji par w zakresie małych ciśnień względnych stąd ich wysoka zdolność adsorpcji w przypadku małych stężeń substancji adsorbowanej. Jako adsorbenty zeolity odznaczają się ponadto dwoma cennymi cechami: selektywność (specyficzność) adsorpcji i własności sitowo – molekularne.

Modyfikowanie zeolitów dehydratyzacja zeolitów – większość zeolitów ulega procesowi odwodnienia bez zmiany swojej struktury krystalicznej, ale zlokalizowane w kanałach zeolitu i otoczone w formie uwodnionej cząsteczki wody kationy mogą migrować w inne miejsca lokalizacji. Dehydratyzacja może być pełna lub częściowa; przemiany zeolitów w warunkach podwyższonej temperatury i ciśnienia – warunki takie powoduje zmiany strukturalne zeolitu, reakcje wymiany jonowej w zeolitach –zmieniając w zeolitach kationy sodu na kationy o innych wielkościach można wpływać na własności sitowo-molekularne tych adsorbentów; dealuminowanie zeolitów – zeolity o wysokiej zawartości krzemu są odporne na wysokie temperatury i wysoką kwasowość środowiska oraz odznaczają się dużą pojemnością sorpcyjną w stosunku do węglowodorów, a słabo adsorbują wodę. Metoda otrzymywania takich zeolitów polega na modyfikacji wysokokrzemowych zeolitów przez: obróbkę kwasami, obróbkę substancjami, które z kationami glinu tworzą związki kompleksowe obróbkę warstwy zeolitu parą wodną w podwyższonej temperaturze dodatku „wzorników” - dużych kationów tetraalkiloamoniowych np. (CH3)4N+) zamiast Na+. Szkielet glinokrzemianowy kondensuje naokoło tego dużego kationu, który potem jest usuwany chemicznie lub przez termolizę.

Wykonali: Kamil Czopek Krzysztof Kukiełka II LO