Dziurawe kamienie i wrona.

„Niech mi każdy powie szczerze,

Skąd się wzięły dziury w serze?”

napisał kiedyś Jan Brzechwa. Co prawda, w końcu się nie dowiedział, a na dodatek wrona zjadła mu cały ser; ale, jak przytomnie zauważyła – dziury pozostały, one zaś są w przypadku sera najważniejsze. A jak to wygląda w temacie zeolitów?

O tym, że minerały te posiadają w swojej strukturze ogromne wolne przestrzenie, pisaliśmy już nie jeden raz; podobnie, jak o niezwykłych właściwościach, wynikających z tychże „dziur”. Ale jak to dokładnie działa? Skąd się biorą dziury w kamieniu i dlaczego się po prostu nie zapadną?

Zacznijmy zatem od podstaw; a podstawą struktury zeolitów, taką pojedynczą cegiełką, jest tetraedr, zapisywany przez chemików mało mówiącym skrótem (Si, Al)O4. W praktyce oznacza to, że budujące tetraedr atomy tworzą swojego rodzaju piramidkę, w której centrum znajduje się pojedynczy atom krzemu (Si) lub glinu (Al), a stosunek krzemu do glinu może być różny w różnych zeolitach. W rogach tetraedrów (czyli piramidek) znajdują się natomiast atomy tlenu, przy czym każdy atom O jest wspólny dla dwóch sąsiadujących ze sobą tetraedrów. Siły oddziaływań międzycząsteczkowych, występujące pomiędzy atomami tlenu i pierwiastkami, tworzącymi jądra piramidek (Si i Al) powodują, że struktura jest bardzo stabilna i nie zapada się, ani nie przemieszcza.

Co więcej, taki układ powoduje, że łączące się atomem tlenu czworościany tworzą bardzo długie łańcuchy, rozchodzące się w kierunkach zgodnych ze ścianami czworościanu. W efekcie tego powstaje ciągła sieć przestrzenna o ogromnej ilości pustych przestrzeni, które tworzą komory i kanały. Komory te zwykle przyjmują kształt wielościanów (poliedrów) – w końcu ograniczone są czworościanami. I tak osiem tetraedrów tworzy sześcian; dwanaście tworzy piramidę heksagonalną, zaś dwadzieścia cztery tetraedty tworzą kubooktaerd.

Natomiast w przypadku formowanych przez tetraedry kanałów, wyróżniamy trzy główne typy:

-system jednowymiarowy – takie kanały nie przecinają się wzajemnie i występują np. w analcymie;

-system dwuwymiarowych, np. w mordenicie;

-dwa systemy kanałów trójwymiarowych.

Imponujące? Owszem, tym bardziej, że ilość i objętość tych pustych przestrzeni jest naprawdę ogromna. Długość wszystkich porów, obecnych w jednym gramie zeolitu osiąga ponoć wartości rzędu 200 milionów kilometrów.

Ponieważ, jak mawiają jajogłowi, natura nienawidzi próżni – kanały i komory zeolitów wypełnia tak zwana woda zeolitowa. Oprócz niej, w pustych przestrzeniach zeolitów mogą znajdować się również kationy, zazwyczaj otoczone cząsteczkami wody (np. jon Mg) lub tlenu (jony K i Ba). Kationy te są dość ruchliwe i mogą w łatwy sposób zostać podmienione przez inne (stąd słynna jonowymienność zeolitów). Jeśli podgrzejemy zeolit, ukryta w jego porach woda po prostu wyparuje, pozostawiając nienaruszoną strukturę przestrzenną minerału. Sieć kanałów i porów odpowiada z kolei za wybitne własności sorpcyjne zeolitów, natomiast rozmiar porów (tak zwanych okien) – za wybiórczość tej sorpcji. Innymi słowy, do pustych przestrzeni mogą dostać się tylko te jony, które się tam zmieszczą. Rozmiar okien, warunkujący wybiórcze własności sorpcyjne zeolitów, powoduje, że mogą one być używane w charakterze sit molekularnych.

Wszystkie wymienione własności zeolitów powodują, że znajdują one bardzo szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki, gospodarki i medycyny. Dziury mogą więc być nie tylko ciekawe, ale również bardzo pożyteczne. Może jednak wrona z wiersza Brzechwy miała rację?

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *