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Tipos y estructura de las zeolitas sintéticas (tamices moleculares)

Actualmente, se conocen 34 zeolitas naturales y más de 100 variedades de zeolitas sintéticas (tamices moleculares, sorbentes), sin embargo, sólo unos cuantos tipos tienen valor práctico. Es que unas zeolitas, después de la deshidratación, se encuentran atravesadas por un sistema de canales muy estrechos, que no se comunican entre sí, y  difusión entre ellos está dificultada por alteraciones estructurales. Otras zeolitas, como resultado de la deshidratación, sufren ciertos cambios en la carcasa y en el carácter de la localización de cationes, que fractura parcialmente su estructura, y el mismo proceso de deshidratación se hace irreversible. Mientras tanto, como tamiz molecular se puede emplear zeolita, cuya estructura después de la deshidratación total debe quedar intacta.

Las zeolitas sintéticas (tamices moleculares, sorbentes) son más aptas para las investigaciones y responden mejor a los requerimientos de la industria debido a su alta homogeneidad y  pureza. Estos requerimientos son importantes, sobre todo, en los campos donde es necesario un alto grado de reproductividad de los resultados (por ejemplo, en los procesos industriales de la división), y en situaciones, en las que las cantidades insignificantes de mezclas pueden causar efectos indeseables (por ejemplo, la acción del hierro, contenido habitualmente en los minerales, sobre el proceso de la catálisis heterogénea).

La característica y clasificación de los silicatos compuestos de aluminio, como las zeolitas (tamices moleculares), está dificultada por la falta de un sistema determinado de nomenclatura química. Si orientarse por las reglas de IUPAC, como base debe tomar se la composición de la célula elemental. La nomenclatura de este tipo es voluminosa y requiere el conocimiento de la composición de la célula elemental, lo que no es siempre posible (por ejemplo, sería necesario denominar la zeolita natural analcima Na16 (AlO2) 16 (SiO2) 32 • 16H2O como el 16-acuoso-16-alumino-32-silicato de sodio).

Por eso, actualmente se emplean los métodos siguientes de designación de las zeolitas:

  1. La zeolita sintética (tamiz molecular) se marca con letras, que introdujo el primer investigador (según el derecho de prioridad): por ejemplo, la zeolita A, la zeolita K-G, la zeolita ZK-5, etc.
  2. Estos símbolos se emplean para designar la modificación de las zeolitas que se forma en la síntesis. En particular, la letra A significa que se trata de una zeolita sintética con composición Na16 (AlO2) 16 (SiO2) 32 • 16H2O (tamiz molecular de tipo 4А), obtenido del sistema Na2O, Al2O3, SiO2, H2O. La fórmula representa la composición típica de la zeolita. Además, se emplean las designaciones de "zeolita de tipo A", "zeolita de tipo X", etc.
  3. A veces, las zeolitas sintéticas (tamices moleculares) se designan según los nombres del mineral natural correspondiente, por ejemplo, "zeolita de tipo analcima", "zeolita del tipo mordenita".
  4. Las diversas formas catiónicas, recibidas conforme al método de intercambio iónico, pueden también tener designaciones especiales. Por ejemplo, la forma cálcica de la zeolita A (tamiz molecular de tipo 5А) se denomina en forma abreviada como zeolita CaA (o molecularsievetype 5A). Sin embargo, la presencia del guión entre Ca y A, es decir, en la zeolita Ca-A, define a una zeolita completamente distinta.

Zeolita A

La zeolita A tiene dos tipos de cavidades: pequeñas (están situados en las cavidades alfa y son accesibles solamente para las moléculas pequeñas del agua) y grandes (están situados en las cavidades beta y son accesibles para los gases como argón, oxígeno y nitrógeno). El volumen libre, que corresponde a la célula elemental de la zeolita, es igual a 926А3.
 A-type zeolite
(NaA, CaA, KA)

 

Zeolita

Adsorbato

t, C

Vp, cm³/g

V'p,А³/c. e.

Zeolita Na12(A) •24H2O

H2O

25

0,289

842

 

C2O

-75

0,252

725

 

O2

-183

0,213

612

Zeolita Ca6(A) •30H2O

H2O

25

0,305

885

 

O2

-183

0,242

700

 

Ar

-183

0,261

738

 

N2

-196

0,297

857

 

n-Butano

25

0,226

655

 

Zeolita X

Para este tipo de zeolita, el volumen de los poros, determinado con respecto al agua, es de 7908 А ³ para la célula elemental. La mayoría de los adsorbatos, excepto el agua, llenan solamente las cavidades grandes de la zeolita (tamiz molecular). El volumen total de los poros, determinado para las cavidades grandes respecto a la adsorción del argón o del oxígeno, es de 6700 А³ para la célula elemental. Cerca de 1200 А³  del volumen (150 А³ para cada una de las ocho cavidades beta) de la célula elemental son accesibles solamente para las moléculas del agua. El volumen de cada oquedad  grande de 26-aristas en la zeolita X es igual a 822 А³. El volumen libre, que corresponde a la célula elemental de la zeolita, es igual a 7832 А³ (para el agua de 7908 А³).
X-typeZeolite
(NaX, CaX)

 

Volumen libre en la zeolita NaX (Si/Al = 1,25).

Adsorbatot,CVp, cm3/gNúmero de moléculas para una célula elemental
H2O 25 0,36 265
C2O -78 0,33 120
Ar -183 0,30 140
Kr -183 0,27 116
Xe -78 0,25 74
O2 -183 0,31 149
N2 -196 0,35 134
n-Pentano 25 0,30 34
Neopentano 25 0,26 29
2,2,4-Trimetilopentano 25 0,27 22
Benzol 25 0,30 45
(C4H9)3N 25 0,29 16,4

 

Volumen libre en la zeolita NaX (Si/Al = 1,33).

HidrocarburoT, KVp, cm3/gNúmero de moléculas para una célula elemental
n-Pentano 298 0,311 35,8
Isopentano 298 0,309 34,8
n-Hexano 298 0,309 31,3
n-Heptano 298 0,311 28,3
n-Octano 313 0,308 24,4
Isooctano 298 0,282 22,7
Benzol 303 0,295 43,3
Tolueno 313 0,301 36,8
Ciclopentano 303 0,334 45,1
Ciclohexano 313 0,268 33,0

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