Цеолит А

Структурная формула
Общий
Фамилия	Цеолит А
Другие названия	Молекулярное сито А ЛТА (липа тип А) МС 4А Сасил ® ЦЕОЛИТ ( INCI )
Молекулярная формула	Na 12 ((AlO 2 ) 12 (SiO 2 ) 12 ) 27H 2 O
Краткое описание	бесцветное твердое вещество
Внешние идентификаторы / базы данных
Количество CAS 1318-02-1 Номер ЕС 215-283-8 ECHA InfoCard 100 013 895 Викиданные Q191323
характеристики
Молярная масса	2191,05 г моль -1
Физическое состояние	твердо
растворимость	почти не растворим в воде
Инструкции по технике безопасности
Маркировка опасности GHS нет пиктограмм GHS H- и P-фразы ЧАС: нет H-фраз П: нет P-фраз
Токсикологические данные	> 5110 мг кг -1 ( LD 50 ,  крыса ,  оральный )
Насколько это возможно и обычно, используются единицы СИ . Если не указано иное, приведенные данные относятся к стандартным условиям .

Цеолит A представляет собой синтетический бесцветный кристаллический алюмосиликат и в его гидратированной натриевой форме имеет эмпирическую формулу Na ₁₂ ((AlO ₂ ) ₁₂ (SiO ₂ ) ₁₂ ) · 27 H ₂ O. Различные его варианты скрыты под общим названием Соединение цеолита А. Все они имеют одинаковую решетку алюмосиликата, но вместо ионов натрия содержат другие ионы, такие как калий или кальций. Поскольку структура решетки цеолита не зависит от содержания воды, безводные формы также считаются цеолитом А. Цеолит А принадлежит к группе цеолитов , но не является минералом .

Цеолит A используется в натриевой форме в качестве смягчающего агента , в его дегидратированных (= дегидратированных, активированных) формах - в качестве сушильного агента. Он используется в моющих средствах в качестве смягчителя, в лабораториях как дегидратирующий агент для растворителей, для осушающих газов (например, воздуха или природного газа) и используется для технического разделения алканов с прямой и разветвленной цепью . Широкое применение цеолита А сделало это химическое вещество массовым. Ежегодно производятся сотни тысяч тонн.

состав

вступление

Рис.1: Структура цеолита А.

Цеолит имеет каркасную структуру из тетраэдров AlO ₄ - и SiO ₄ - . Они образуют ковалентную решетку с полостями, обычно содержащими воду. Эта решетка представляет собой огромный анион. Следовательно, полости содержат соответствующее количество катионов, растворенных во внутренней воде или скоординированных на внутренних стенках. На рис. 1 показан репрезентативный разрез решеточной структуры ( элементарной ячейки ). В следующем разделе элементарная ячейка настраивается в несколько мысленных шагов, чтобы понять обычную форму представления элементарных ячеек, а также физические и химические свойства.

Конструктивное рассмотрение

Анионная решетка

Рис.2: Содалитовая клетка

Рис.3: Содалитовый сепаратор с Al и Si

Рис. 4: Альфа-клетка (выделена коричневым цветом в середине рисунка)

Рис.5: Цеолит A: огромный мультианион

Цеолит имеет каркасную структуру из тетраэдров AlO ₄ - и SiO ₄ - в соотношении 1: 1. Здесь, в переменном алюминии - и кремний -atoms друг с другом с помощью атомов кислорода , соединенных. Поскольку тетраэдры имеют общий атом кислорода в каждой точке соединения, на каждый атом Al и Si приходится по 2 атома кислорода. Баланс степеней окисления показывает, что каждый атом алюминия ковалентной структуры генерирует отрицательный заряд. Этот заряд создается ионными связями с катионами, такими как B. Na ⁺ сбалансированный. (Степени окисления: Si +4, Al +3 и O -2; SiO ₂ = 0; AlO ₂ = -1).

Соединение тетраэдров Al и Si приводит к трехмерной структуре. Из тетраэдров можно образовать множество структур, что объясняет большое количество различных цеолитов. В случае цеолита А образуется так называемая содалитовая клетка (рис. 2). На рис. 3 показано положение Al и Si. Атомы кислорода здесь не показаны. Один кислород находится рядом с красными линиями, проведенными между атомами. На этой иллюстрации показаны только три направления связи тетраэдров Al и Si. Четвертое направление допускает связь с другими содалитовыми клетками. На рис.1 показано соединение восьми клеток, как в цеолите А. При таком соединении содалитовых клеток в центре образуется новая клетка, которая называется альфа-клеткой. На Рисунке 4 эта клетка показана более четко поднятой. Элементарная ячейка представляет собой только небольшую часть цеолита. На рисунке 5 показаны восемь связанных элементарных ячеек. Если много элементарных ячеек расположить рядом друг с другом, образуется микроскопический кристалл кубической формы. Каждый кристалл представляет собой один огромный мульти-анион.

Катионы

Заряд мультианиона уравновешивается ионной связью с образованием катионов. В безводном цеолите катионы занимают очень фиксированные координационные положения вблизи колец Si _n Al _n O _2n . На рис. 6 показано положение катиона на кольце 12 содалитовой клетки. В случае цеолита А с однозарядными катионами 12 колец недостаточно. Также необходимо использовать большие кольца альфа-клетки. Катионы в этой позиции блокируют часть этого большого отверстия. Для двухзарядных катионов достаточно 12 колец. Кольцо альфа-клетки остается неиспользованным. Это заполнение или незаполнение альфа-каркаса и размер катионов являются решающими для использования цеолита А в качестве молекулярного сита (см. Ниже).

Если цеолит содержит воду, катионы очень подвижны. Они (почти) растворяются в воде и поэтому могут быть обменены на другие катионы. Это свойство имеет решающее значение при использовании в качестве смягчителя воды (см. Ниже). Здесь 2 Na ⁺ заменяется на Ca ²⁺ , поскольку Ca ^{2+ имеет} более высокое сродство к цеолиту, чем катион Na ⁺ .

Если цеолит натрия A суспендирован в чистой воде, значение pH воды повышается до pH от 10 до 10,5 (с 3 г в 100 мл). Цеолит добавил к воде Na ⁺ и взамен поглотил ионы H ⁺ . Ионы H ⁺ ранее входили в состав H ₂ O. Остается OH ^- , pH повысился. Эта реакция также является ионным обменом цеолита.

Рис.6: Клетка из содалита с Al, Si, O и Me ⁺

Вода

Вода в цеолите A находится в клетках содалита и альфа. Молекулы воды (почти) свободно подвижны, но сильно взаимодействуют с катионами и решеткой анионного цеолита. Следовательно, давление пара воды в цеолите значительно ниже, чем у свободной воды (см. Капиллярный эффект ). Воду можно удалить из цеолита путем нагревания без изменения или разрушения структуры решетки. Когда цеолит нагревается, кажется, что твердое вещество кипит. Газообразная вода вытекает из твердого тела и закручивает кристаллы ( кипящие камни ).

синтез

Рис.7: Изображение кристаллов цеолита А, полученное с помощью электронного микроскопа.

Синтез можно проводить из смеси гидроксидов алюминия и кремния в растворе гидроксида натрия при температуре от 50 до 90 градусов Цельсия. Гидроксиды могут быть свежеприготовлены отдельно от порошка алюминия и тетраэтилортосиликата с использованием раствора гидроксида натрия, а затем смешаны. Преимущественно избыток алюминия.

${\ displaystyle \ mathrm {12 \ Al (OH) _ {3} +12 \ Si (OH) _ {4} +12 \ NaOH \ longrightarrow Na_ {12} ((AlO_ {2}) _ {12} (SiO_ {2}) _ {12}) + 48 \ H_ {2} O}}$

Кристаллы, которые можно увидеть на рисунке 7, обычно имеют размер от 0,5 до 10 мкм.

использовать

Осушитель

Цеолит A как осушитель : альфа-клетка и содалитовая клетка имеют достаточно свободного внутреннего объема и достаточно большие кольцевые отверстия (также называемые порами или каналами) для поглощения или высвобождения молекул воды. Если цеолит не содержит воды, существует высокая тенденция к поглощению воды. Поглощение является экзотермической реакцией и приводит к гидратации катионов и анионной каркасной структуры. Воду можно легко обратимо удалить под вакуумом и при повышенной температуре . Цеолит А доступен в форме маленьких сфер, которые образованы из мелких кристаллов и связующих веществ. Их можно высушить с небольшим количеством пыли или отделить путем декантации из высушенного им растворителя.

Умягчение воды: ионный обмен

Цеолит натрия-A в качестве смягчителя воды: в гидратированной форме цеолита катионы в полостях аналогичны катионам в растворе. Вы мобильны и не привязаны к одному месту. Их можно заменить на другие катионы, когда цеолит находится во взвешенном состоянии в воде. Ca ²⁺ является предпочтительным. При этом высвобождаются 2 иона Na ⁺ для поддержания баланса заряда ( ионный обмен ). В водной фазе (= в воде) свободного Ca ^{2+ больше} нет. Б. в моющих средствах приводят к образованию нерастворимого известкового мыла . Поскольку обмен является равновесной реакцией , Ca ^{2+ может быть} удален из цеолита с помощью Na ^+, если Na ^{+ предлагается} в высокой концентрации в водной фазе (регенерация).

Цеолит А является обычным заменителем фосфатов в моющих средствах, экологически нейтрален и нетоксичен. Впервые его представили на предприятии Henkel Милан Швугер и Хайнц-Герд Смолка в 1972 году, а первые бесфосфатные моющие средства появились на рынке в 1977 году. Его недостаток в том, что он встречается в осадках сточных вод. Поскольку минерал принципиально не поддается биологическому разложению, он увеличивает количество остаточного ила.

Селективность в ионном обмене:

Ag ⁺ > Na ⁺ > K ⁺ > NH ₄ ⁺ > Li ⁺

Ba ²⁺ > Ca ²⁺ > Cd ²⁺ > Mg ²⁺

Молекулярная решетка

Цеолит A как молекулярное сито : Техническое разделение алканов с прямой и разветвленной цепью с помощью безводного цеолита A. Алканы с прямой цепью ( n -) могут проникать в цеолит через отверстие альфа-клетки. Разветвленные ( изо ) алканы более объемны и не абсорбируются. н- алканы , так сказать, отсеиваются . Размер отверстия альфа-клетки не только определяется фиксированным размером кольца, но также зависит от катионов цеолита. В случае Na-A в безводном цеолите ионы Na ⁺ используют это пространство как очень прочное место для прикрепления, поскольку нет воды для растворения. Проем вроде бы стал меньше. В случае Ca-A ионы Ca ²⁺ не используют это пространство. Доступно полное раскрытие кольца. Доступное раскрытие кольца в Ангстреме дает молекулярным ситам (MS) их название: MS 5A (кальциевая форма), MS 4A (натриевая форма), MS 3A (калиевая форма).

Депо биоцидов

Биоцидный депо серебряный цеолит A: путем обмена ионовс Ag ⁺ , ионы серебра могут легко храниться в цеолите. Серебро очень предпочтительно для вставки. При использовании в качестве добавки к поверхностным покрытиям серебро выделяется в малых дозах. Ионы серебра обладают биоцидными свойствами (см. Олигодинамика ).

веб ссылки

• Международная ассоциация цеолитов (IZA): структурные данные цеолитов
• Школьный эксперимент: ионный обмен цеолитом А ( памятная записка от 17 июня 2008 г. в Интернет-архиве )

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Вход на ЦЕОЛИТЕ в CosIng базе данных Комиссии ЕС, доступ к 26 февраля 2020 года.
2. ↑ ^{a b c} Datasheet Zeolite A (PDF) от Merck , по состоянию на 19 января 2011 г.
3. ^ Вход на цеолите в базе данных GESTIS субстанции на выставке IFA , доступ к 14 декабря 2012 года. (Требуется JavaScript)