«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Сито для молекул

Цеолиты — группа не слишком часто встречающихся в природе минералов-алюмосиликатов — состоят в основном из самых распространенных на земле элементов: кислорода, кремния и алюминия. Их кристаллическая структура образована регулярным сочетанием тетраэдров [SiO4]4- и [АlО4]5-, соединенных общими кислородными вершинами в трехмерный каркас, пронизанный тончайшими (3–10 А) полостями и каналами. Поскольку заряд алюминия на единицу меньше, чем кремния, компенсация заряда происходит за счет катионов щелочных и щелочноземельных металлов, в основном Na, К, Са, Ba, Mg. Кроме того, в полостях находятся молекулы воды, а также соединения аммония и некоторые его органические производные.

Свойства цеолитов оказались столь важными и ценными, что сейчас уже ведутся работы по специальному синтезу искусственных цеолитов: подбираются специальные катионы, регулируются размеры полостей в сторону их увеличения (до 15–35 А) и количество воды в кристалле.

Свое название цеолиты (в переводе с греческого — «кипящие камни») получили благодаря способности вспучиваться при нагревании из-за «вскипания» расположенной в их полостях воды. Неподвижные кристаллические каркасы «оживают», изменяются углы сочленения тетраэдров, размеры полостей и каналов; ионы, находящиеся не только в полостях, но и в основании каркасов, могут поворачиваться и смещаться в кристалле на 2–3 А. При этом устойчивость каркасной структуры не нарушается. Дегидратация цеолитов обратима: выгнанная нагреванием до 200–400 °C или вакуумированием вода снова жадно поглотится цеолитом после охлаждения. На этом основан метод осушения природного газа и обезвоживания органических жидкостей, например спирта, молекулы которых из-за своей величины не могут проникнуть внутрь молекулярного каркаса.

Четкая повторяемость параметров каркаса придает ему свойство молекулярного сита. На таком сите можно, например, отделить кислород с величиной молекулы 2,8 А от азота, молекула которого чуть потолще — ЗА. Можно отделить и полярный кислород от инертного аргона.

Самое важное свойство цеолитов — способность к обратимому ионному обмену катионов, находящихся в структуре алюмосиликатного каркаса. У каждого цеолита имеется определенный ряд замещения, и это позволяет улавливать достаточно полно и чисто определенные виды ионов из растворов. В том числе радиоактивных ионов.

Цеолиты применяются как селективные адсорбенты и катализаторы, для очистки воды, нефти, газов, осушки фреонов, создания глубокого вакуума. Механизм действия цеолитов был подробно изучен в Институте геологии, геофизики и геохимии СО АН СССР И. А. Белицким и др. При этом обнаружилось еще одно интереснейшее их свойство.

Еще в середине XIX в. сосланный в Сибирь за участие в Польском восстании 1863–1864 гг. геолог А. Л. Чекановский описал странный обычай камчадалов поедать весной «земляную сметану», состоявшую, по его данным, из смеси каолина и цеолита. Обычай есть землю, как оказалось, весьма полезен, особенно после потребления нерпичьего жира, и предохраняет от изжоги.

В 1922 г. сибирский геолог П. Драверт обнаружил и исследовал явление «камнеедения» — литофагии — у маралов, лосей, волков. Первоначально считалось, что звери едят солонцы. Но исследование свыше 300 «солонцов» в тайге показало, что это цеолиты. В местах камнеедения животных, сопоставив старинные якутские названия земель в районе Охотска, такие, как «земляная сметана», «каменное масло», В. И. Бгатов предсказал месторождения цеолитов[5].

В Киргизии Бгатов столкнулся с любопытным фактом. На свиноводческой ферме в Чуйской долине старые заборы — дувалы — заменили современной железобетонной оградой. Вскоре свиньи без видимых причин стали хиреть. Оказалось, глина, из которой сооружали традиционные дувалы, служила им чем-то вроде сорбционного средства. В глине не было соли. Значит, наряду с солонцами, содержащими хлористый натрий, существует и другая «съедобная земля», потребляемая животными. Инстинкт подсказал свиньям один из таких «несоленых» солонцов. Но у диких животных этот инстинкт намного сильнее.

В Приморской тайге охотники и лесники давно приметили любовь оленей к определенным лесным уголкам. Звериная тропа привела на поляну, сплошь «перепаханную» лакомившимися животными. Сантиметров на тридцать земля просто съедена. Исследование показало: в поедаемых оленями неолитизированных туфах количество цеолитов составляет до 70 % массы.

Широкое применение цеолитов в животноводстве обещает значительный эффект. Опыты, проведенные на коровах, свиньях, курах, показали значительный прирост массы, плодовитости и выживаемости животных. Цеолиты могут использоваться при создании грунтов в теплицах, подкормке рыб, очистке питьевой и сточных вод. Не исключено использование цеолитов в медицине.