Техника - молодёжи 1976-12, страница 24
ЦЕОЛИТЫ—МОЛЕКУЛЯРНЫЕ«СИТА»ГЕОРГИЙ цицишвили, академик АН Грузинской ССР, ТЕЙМУРАЗ АНДРОНИКАШВИЛИ, профессор, доктор химических наук Шведский естествоиспытатель Кронштедт (1722—1765) недоумевал: белые призматические, ромбоэдрические и игольчатые кристаллы, лежавшие перед ним, вели себя так странно, что к ним невозможно применить привычную минералогическую классификацию. Когда Кронштедт осторожно нагревал кристаллик в пробирке, на ее стенках появлялись капельки воды. Но в отличие от других кристаллов, содержащих воду, этот не разрушался при нагревании и сохранял свою первоначальную форму. Охлаждаясь, он снова впитывал в себя всю выделившуюся ранее воду. Тогда Кронштедт решил нагреть кристалл до более высокой температуры. Помещенный в пламя минерал начал плавиться, кипеть, превращаясь в пузырчатую стеклообразную массу. Именно это странное поведение и побудило Кронштед-та назвать необычный минерал цеолитом, что по-гречески означает «кипящий камень»... Впервые описанные Кронштедтом цеолиты в течение почти двухсот лет не вызывплч у ученых особого интереса. Только минералоги, обнаруживая вре я от времени новые разновидности «кипящих камней» и исследуя их химический состав, установили, что это кристаллические алюмосиликаты, содержащие один или несколько металлов, чаще всего ньтрий, калий и кальций. Позднее химики обнаружили необычные свойства цеолитов: одинаковые по форме кристаллы нередко отличались по химическому составу. Скажем, три кристалла с совершенно одинаковым соотношением содержания кремния, алюминия и кислорода могли содержать в одном случае только натрий, в другом — только кальций, в третьем — смесь кальция и натрия. Химикам удалось объяснить эти странные отклонения, когда они обнаружили, что цеолиты могут обменивать ся ионами с другими веществами. Если, например, поместить цеолит, содержащий натрий, в раствор хлористого кальция, то ионы натрия перейдут в раствор, а ионы кальция в цеолит. Это свойство сразу же использовали для установок, умягчающих воду. Ведь цеолиты могут легко удалять из раствора ионы кальция, которые делают воду жесткой. И тем не менее способность к ионному обмену ничего не объясняла в поведении цеолитов, ибо она никак не связана со свойством цеолита поглощать и терять влагу. Ведь полевой шпат, у которого почти такой же химический состав, как у цеолита, не обменивается ионами и не поглощает воду. Другие же вещества, содержащие воду, обычно разрушаются, когда она удаляется из них при нагревании. Только в 50-х годах нашего столетия была разгадана тайна цеолитов. Оказалось, что необыкновенные их свойства объясняются строением кристаллов, в которых содержится огромное количество мельчайших пор, соединенных между собой ультрамикроскопическими отверстиями. Молекулы воды и подвижные ионы могут находиться в этих порах и проходить сквозь отверстия, в обычных же кристаллах они входят в состьв самой кристаллической решетки Именно это различие и делает возможным и обратимое выделение воды, и ионный обмен. Если из миллиардов пор цеолита нагреванием удалить содержащуюся в них воду, то такой обезвоженный цеолит, как губка, стремится впитывать в себя другие вещества. Но не все. И этому свойству цеолиты обязаны тем вниманием, которое с 1930-х годов стали проявлять к ним химики... Устройство сита и его назначение знакомы каждому. Чтобы разделить смесь из крупных и мелких частиц, чтобы отделить твердые частицы от жидкости или газа, их надо пропустить через сито. Мелкие частицы, жидкости и газы легко пройдут через ячейки этого нехитрого приспособления, крупные же частицы останутся в сите. Неограниченно уменьшая размеры частиц, мы доходим до атомов и молекул. И вот здесь-то и обнаруживается, что их размеры, ::отя и ничтожны, но неодинаковы. Поэтому в принципе можно разделять сложные молекулярные смеси с помощью «атомного» или «молекулярного» Сита. Но как должно оно выглядеть? Да и вообще возможно ли оно? Оказалось, что именно цеолит и есть такое сито. Ведь в отличие от других пористь,.' веществ поры цеолита заложены в его кристаллическую структуру. Размеры пор и отверстий между порами благодаря этому одинаковы и строго «откалиб-рованы». Опыт подтверждает догадки ученых: молекулы воды легко проникают в цеолит, в то время как более крупные молекулы пропана остаются вне его. Это уже представляет большой практический интерес, поэтому сразу же возник вопрос о синтезе искусственных цеолитов-Ведь естественные встречаются очень редко. Поры и отверстия цеолита, «фильтрующего» молекулы, чрезвычайно малы. Их измеряют атомной мерой длины — ангстремами. 1 ангстрем — это одна стомиллионная часть сантиметра. Отверстия между порами в одном из искусственных цеолитов оказались равными всего 4 ангстрем. Но когда это вещество поместили в пропан, диаметр молекулы которого несколько меньше 5 ангстрем и который поэтому не должен был бы поглощаться цеолитом, то оказалось: при нормальной температуре молекулы пропана легко проходят 22 |
