1.3 Классификация цеолитов

Все природные образования, составляющие предмет минералогии, так же как и все искусственные вещества в химии, необходимо делить прежде всего на две большие самостоятельные группы:

• неорганические минералы, к которым, кроме редко встречающихся самородных элементов, относятся природные соединения (за исключением органических) всех элементов, и

• органические минералы, представленные разнообразнейшими соединениями углерода (исключение составляют лишь карбонаты и карбиды, относимые к неорганическим соединениям).

Цеолиты относятся к неорганическим минералам, меньшая часть – к органическим.

Органические соединения, как известно, весьма существенно отличаются от неорганических соединений не только по химическим свойствам, но и по кристаллическому строению и природе связей между структурными единицами. Степень изученности этих групп минералов крайне не одинакова. В то время как наши знания по неорганическим минералам в настоящее время далеко продвинулись вперед, минералогия органических соединений находится еще в самой начальной стадии развития.

Классификация неорганических минералов построена на следующих принципах. Так как минералы в основном являются кристаллическими продуктами химических реакций, то для наших целей наиболее рациональной должна быть систематика их по химическому составу и кристаллической структуре. Именно с этими признаками связаны те важнейшие химические и физические свойства, по которым мы распознаем минералы.

Общая классификация неорганических минералов в схеме может быть представлена в следующем виде (без деления на группы):

Раздел I. Самородные элементы и интерметаллические соединения

Раздел II. Карбиды, нитриды и фосфиды*.

Раздел III. Сульфиды, сульфосоли и им подобные соединения.

1 класс. Простые и двойные сернистые и им подобные соединения.

2 класс. Сульфосоли.

Раздел IV. Галоидные соединения (галогениды).

1 класс. Фториды.

2 класс. Хлориды, бромиды и иодиды.

Раздел V. Окислы.

1 класс. Простые и сложные окислы.

2 класс. Гидроокислы.

Раздел VI. Кислородные соли.

1 класс. Иодаты*.

2 класс. Нитраты.

3 класс. Карбонаты.

4 класс. Сульфаты и селенаты.

5 класс. Хроматы.

6 класс. Молибдаты и вольфраматы.

7 класс. Фосфаты, арсенаты и ванадаты.

8 класс. Арсениты*.

9 класс. Бораты.

10 класс. Силикаты.

A. Силикаты с изолированными тетраэдрами аниона SiO₄.

Б. Силикаты с изолированными группами тетраэдров SiO₄.

B. Силикаты с непрерывными цепочками тетраэдров SiO₄.

Г. Силикаты с непрерывными слоями тетраэдров SiO₄.

Д. Силикаты с непрерывными трехмерными каркасами тетраэдров SiO₄ и АlО₄.

Цеолиты относятся к неорганическим минералам. Подкласс Д. Силикаты с непрерывными трехмерными каркасами тетраэдров (Si,Al)O₄ в кристаллических структурах.

Соединения этого подкласса, с химической точки зрения, представляют собой почти исключительно алюмосиликаты, т. е. такие соединения, в кристаллических структурах которых участвуют анионные комплексы, состоящие не только из тетраэдров SiO₄, но и из тетраэдров АlO₄. При этом число ионов Si⁴⁺, замещенных ионами Аl³⁺, не превышает половины. Как правило, устанавливаются стехиометрические соотношения Si:Al, равные либо 3:1, либо 1:1, т. е. комплексные анионы чаще соответствуют следующим выражениям: Si₃AlO₈ или SiAlO₄(Si₂Al₂O₈).

По структурно-химической классификации цеолиты относятся к каркасным алюмосиликатам щелочных и щелочно-земельных элементов.

… По их химическому составу (система Грота).

1. Группа томсонита (комптонита). Относящиеся сюда цеолиты могут быть рассматриваемы как водные соли ортокремневой кислоты. Помимо относящегося сюда ромбического минерала томсонита, сюда принадлежит еще минерал гексагональной системы гидронефелит и целый ряд редких, мало изученных цеолитов.

2. Группа натролита. Цеолиты этой группы могут быть рассматриваемы, как основные соли метакремневой кислоты. Помимо описанного уже натролита, сюда принадлежат еще мезолит, сколецит, эдингтонит. Их взаимные химические отношения ясны из сопоставления их формул:

	Химическая формула	Кристаллическая система
Натролит	[SiO3]3Al[AlO]Na2.2H2O	Ромбическая или моноклиническая
Мезолит	[SiO3]3 Al[АlО]Na2.2H2O	Моноклиническая
	+[SiO3]3 Al[Аl.2ОH]Ca.2H2O
Сколецит	[SiO3]3Al[Al.2OH] Ca.2H2O	Моноклиническая
Эдингтонит	[SiO3]3Al[Al.2OH] Ba.2H2O	Ромбическая

Из этого сопоставления видно, что по химическому составу мезолит представляет не что иное, как изоморфную смесь натролита и сколецита.

3. Группа анальцима; сюда относятся средние соли метакремневой кислоты. По своему химическому составу – [Si₃O₈][SiO₄]Al₂Na₂^.2H₂O, следовательно, может быть рассматриваем как гидрат натрового лейцита, состав которого может быть выражен формулой [Si₃O₈][SiO₄]Al₂[K,Na]₂, и с которым анальцим имеет и много общего по своему наружному виду.

4. Группа апофиллита, цеолиты – по химическому составу – кислые соли метакремневой кислоты. Кроме апофиллита, сюда принадлежат еще редкие минералы: фоязит, эпистильбит, брюстерит, гейландит. Химический состав – [SiO₃]₆Al₂(Ca,Sr)H₄^.3H₂O.

5. Группа инезита, редкого минерала триклинической системы.

6. Группа десмина, цеолиты, являющиеся нейтральными солями поликремневых кислот. Кроме описанных уже десмина, гармотома, сюда принадлежат еще изоморфный с гармотомом филиппсит (известковый гармотом, хрисианит), а кроме того, триклинические минералы (по внешности псевдотригональные) гмелинит и шабазит, и целый ряд более редких и мало изученных минералов.

7. Представитель последней группы цеолитов, ломонтит, является наиболее легко разрушающимся цеолитом и может быть рассматриваем как основная соль дикремневой кислоты H₂Si₂O₅, так как он теряет остаток воды только при прокаливании.

По наличию общих структурных элементов, сходных каналов выделяют 9 кристаллохимических групп цеолитов. Каркасы цеолитов группы анальцима построены четверными кольцами [Si, АlO₄] тетраэдров. Из различных сочетаний четырёхчленных колец построены также каркасы цеолитов. группы ломонтита и филлипсита. Структуры цеолитов группы натролита образованы из цепочек, которые составлены из четырёхчленных колец, соединённых Друг с другом пятым тетраэдром. Характерные элементы цеолитов группы морденита и гейландитаклиноптилолита представлены пятерными петлями тетраэдров [Si, АlO₄]. Одиночные шестерные кольца являются основой каркасов цеолитов группы эрионита, двойные – шабазита и фожазита.

Микроскопически (по габитусу) выделяют:

• волокнистые цеолиты – натролит, мезолит, томсонит, сколецит, ломонтит, гоннардит, эдингтонит, морденит, эрионит, жисмондин (абразит), феррьерит и другие;

• листоватые цеолиты (или пластинчатые) – стильбит, гейландит, брюстерит и другие;

• изометрические цеолиты – шабазит, филлипсит, гармотом, фоязит, гмелинит, дакиардит и другие.

Габитус, хабитус (лат. habitus – внешность, наружность), внешний облик человека, его телосложение, конституция, осанка; наружный вид, облик животного или растительного организма, кристалла, минерала.

По происхождению цеолиты — гидротермальные, экзогенные, реже метаморфические минералы

Классификация цеолитов Баррера по молярно-ситовому действию, показывает, какие молекулы по своим размерам могут адсорбироваться цеолитами того или иного типа. Классификация по структурному принципу была предложена Смитом, а позднее Мейером.

Более 50 лет назад в промышленных лабораториях США, СССР и Великобритании были получены синтетические цеолиты (молекулярные сита): А, X и Y, а затем пентасилы (ZSM-5, ультрасил) и многие другие. Здесь обозначения А, X и Y – условные марки фирмы Линде, ZSM-5 – цеолит (Z) фирмы Сокони (S) Мобил (M) 5-й модификации, а ультрасил – марка ГрозНИИ. Каждое обозначение соответствует определенному типу кристаллической структуры.

Состав алюмокислородного каркаса цеолитов одного и того же структурного типа в значительной степени определяет их свойства. Во многих случаях отношение Si/Al в однотипных кристаллах синтетических цеолитов может изменяться в сравнительно широких пределах. Типичными примерами такого рода являются синтетические фожазиты (цеолиты X и Y), синтетические калиевые шабазиты (цеолиты G), синтетические анальцимы.

Из почти ста искусственных Цеолиты на практике широкое применение находят три:

А – Na [AlSiO₄]×(2¸3) H₂O,

Х – Na [AlSi_1–1,5O_4–5]×3H₂O

Y – Na [AlSi_1,5–3O_5–8]×(3¸4) H₂O.

А не имеет природных аналогов, Х и Y близки фожазиту.