بنية الكوارتز والزيوليت والفوجاسيت

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الكيمياء

دعنا نرجع إلى بلورات مثل الكوارتز ونتساءل كيف يمكن تغيير الكثافة بواسطة تغيير شبكة رباعيات الوجوه على المستوى الذري؟

تحتوي بنية الكوارتز على أنفاق تعبُر البنية كما في الشكل 7.1. وهناك أيضاً أنفاق تعبر بنية أطوار السيليكا الأخرى. ففي فلز الترايديميت (الشكل 6.2)، تتشكل الأنفاق بواسطة حلقات من ست رباعيات وجوه متشاركة بالرؤوس مع رباعيات وجوه متناوبة تتجه نحو الأعلى والأسفل. وترتبط الحلقات لتشكيل طبقات من حلقات سداسية.

تمتلك مواد الكوارتز والكيستوباليت والترايديميت نفس تركيب أوكسيد السيليكون، وتمتلك المواد الثلاثة جميعها بنى بلورية ذات أنفاق تتألف من حلزونات سداسية (الكوارتز) أو حلقات (الكريستوباليت والترايديميت).

ويكمن الاختلاف بين بنية فلزات الكريستوباليت والترايديميت في طريقة تنضيد الطبقات، وفي الحالتين، تمتلك البنى الناتجة أنفاقاً تعبُرها لأن الحلقات السداسية تصطف فوق بعضها االبعض (1994 Heaney).

يبلغ قطر الأنفاق في الكوارتز والكريستوباليت والترايديميت 0.1 نانومتر ويمكن للأيونات الصغيرة جداً فقط مثل الليتيوم أن تتكيف داخل الأنفاق. وتصنع الطبيعة والإنسان مواد ذات أنفاق أكثر عرضاً وبالنتيجة أقل كثافة

ويشتمل ذلك على الزيوليت حيث يبلغ قطر الأنفاق حوالي 1 نانومتر وهلام السيليكا  حيث تتراوح أبعاد المسامات بين 2 و 50 نانومتر والهلام الهوائي مع مسامات أكبر من 50 نانومتر (Everett 1972 and Brinker 1996).

 

إن هذا الطيف الواسع من أبعاد المسامات هو ما يفسر الحيز الواسع من الكثافات للمواد في الشكل 4.2. دعنا لا ننسى أننا نناقش بنية المادة على مستوى العالم النانومتري، ولتقدير مستوى سلم أبعاد المسامات، فإن قطر شعرة الإنسان يبلغ حوالي 100000 نانومتر.

يطلق اسم الزيوليت على مجموعة من الفلزات الطبيعية والبلورات الصنعية التي تُحضّر من مزيج من أكاسيد السيليكون والألمنيوم، وتمتلك أنفاق واسعة تُبنى ضمن شبكة رباعيات الوجوه مما يسمح لجزيئات أكبر حجماً بالدخول إلى الأنفاق.

كان الكيميائي السويدي أكسل كرونشتد (Axel Cronstedt)، أول من تطرق إلى الزيوليت عام 1756، يندهش لدى معاينة غليان الماء فيها عند تسخينها، ولهذا السبب، أطلق عليها اسم الزيوليت أي الحجارة التي تغلي.

يمتلك الزيوليت شبكات جسيئة من رباعيات الوجوه المتشاركة بالرؤوس ونسباً متغيرة تتبع التركيب من أيونات السيليكون والألمنيوم في مراكزها.

وبما أن الألمنيوم يمتلك في نواته شحنة واحدة موجبة أقل من السيليكون، فإن الأيونات الموجبة الزائدة تحتل الأنفاق في البنية من أجل تحقيق الشحنة المحايدة. وبتغيير نسبة السيليكون إلى الألمنيوم، يمكن ضبط عدد الأيونات في الأنفاق.

 

علاوة على ذلك، يمكن التحكم بأبعاد الأنفاق بواسطة حجم الأيونات الداخلة في الزيوليت خلال النمو، كما يمكن تحقيق طيف واسع من أبعاد الأيونات باستعمال أيونات لاعضوية وعضوية على السواء. 

يعتبر الفوجاسيت (Faujasite) مثالاً للزيوليت، ويبين الشكل 8.2 مقارنة بين أنفاق الفوجاسيت والترايديميت.

ويمتلك الفوجاسيت وحدة خلية كبيرة تحتوي على 192 ذرة سيليكون و 384 ذرة أوكسجين. ولتسهيل الترسيم وللتأكيد على النقطة المركزية في أن أنفاق الفوجاسيت أكبر حجماً من مثيلاتها في الترايديميت، فقد تم فقط إظهار الخطوط الممثلة للروابط سيليكون- أوكسجين- سيليكون.

وتقع ذرات السيليكون في نقاط التقاء الخطوط أي الرؤوس. (لم يتم إظهار ذرات الأوكسجين). وفي الأسفل، تم إظهار الحلقات السداسية الأصغر بكثير في الترايديميت.

(يبين الشكل 6.2 شبكة رباعيات الوجوه في الترايديميت. تم تدوير المسقط في الشكل 6.2 بزاوية 90° بالنسبة إلى المسقط في الشكل 8.2).

 

الشكل( 8.2 )مقارنة الأنفاق الكبيرة في بنية زيوليت الفوجاسيت (الأعلى) والأنفاق الصغيرة في الترايديميت (الأسفل).

ولتسهيل الشكل، تمثل الرؤوس مواقع ذرات السيليكون وتمثل الخطوط الروابط سيليكون- أكسجين- سيليكون (لم يتم إظهار ذرات الأوكسجين).

وتتشكل الأنفاق بواسطة شبكات من 12 و 6 رباعيات وجوه متشاركة بالرؤوس في الفوجاسيت والترايديميت على التوالي. ويصمم الكيميائيون أبعاد الأنفاق في الزيوليت من أجل تصنيع المحفزات والمرشحات.

 

هناك عدة اثني عشرات من الزيوليتات الطبيعية ومئات من الزيوليتات المركبة المختلفة. وبفضل تطوير علم بلورات الأشعة السينية، يوجد الآن أطلس بنى الزيوليت الذي يوثق الحيز الواسع من بنى المسامات التي بناها مهندسو العمارة العالم الذري لكيمياء السيليكات (Baerlocher et al. 2001).

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]