Номер 15, страница 393 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 8. Металлы. Параграф 54. Алюминий - номер 15, страница 393.

Условие.

15. В качестве так называемых молекулярных сит используют природные и синтетические цеолиты. Эта разновидность алюмосиликатов содержит в кристаллической структуре полости и каналы, способные пропускать внутрь только молекулы или ионы определённого размера. Для каких целей можно использовать молекулярные сита?

Решение.

Решение 2.

Молекулярные сита, которыми являются природные и синтетические цеолиты, можно использовать для различных целей благодаря их уникальной кристаллической структуре с порами строго определённого размера. Эта структура позволяет им избирательно пропускать или задерживать молекулы и ионы. Основные направления их использования:

• Разделение и очистка веществ (адсорбция)

  Поры молекулярных сит действуют как фильтр на молекулярном уровне. Молекулы, размер которых меньше диаметра пор, могут проникать внутрь и адсорбироваться на большой внутренней поверхности цеолита, в то время как более крупные молекулы задерживаются. Это свойство используется для:

  • Осушения газов и жидкостей. Молекулы воды очень малы и легко поглощаются порами цеолитов. Это позволяет эффективно удалять воду из органических растворителей (например, для получения абсолютного спирта), природного газа, воздуха и хладагентов.
  • Разделения углеводородов. В нефтепереработке молекулярные сита применяют для отделения алканов нормального (линейного) строения от изоалканов (разветвлённых) и циклических углеводородов. Линейные молекулы проникают в поры, а разветвлённые — нет. Это позволяет повышать октановое число бензина.
  • Получения кислорода из воздуха. В бытовых и медицинских кислородных концентраторах воздух под давлением пропускают через цеолит, который избирательно поглощает молекулы азота, пропуская обогащённую кислородом смесь.
• Ионный обмен

  Цеолиты содержат в своей структуре подвижные катионы (например, $Na^+$ или $K^+$), которые способны обмениваться на другие катионы из окружающего раствора. Эта способность находит применение в следующих областях:

  • Умягчение воды. Это одно из самых известных применений. Жёсткая вода содержит ионы кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). При пропускании такой воды через фильтр с натриевым цеолитом ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$ задерживаются в структуре цеолита, обмениваясь на безвредные ионы натрия $Na^+$.
  • В составе синтетических моющих средств. Цеолиты добавляют в стиральные порошки в качестве экологически безопасной замены фосфатам. Они связывают ионы кальция и магния, предотвращая их негативное влияние на моющее действие поверхностно-активных веществ.
  • Очистка сточных вод и почв. Благодаря ионному обмену цеолиты могут эффективно извлекать из воды и почвы ионы тяжёлых металлов (свинца, кадмия, ртути) и радиоактивные изотопы (цезий-137, стронций-90).
• Катализ

  Цеолиты являются высокоэффективными катализаторами и носителями для катализаторов благодаря огромной площади внутренней поверхности и наличию активных центров (часто кислотного характера) внутри пор. Размер пор обеспечивает так называемый формоселективный катализ — реагируют только те молекулы, которые могут проникнуть в поры, и образуются только те продукты, которые могут из них выйти.

  • Каталитический крекинг в нефтепереработке. Цеолитовые катализаторы играют ключевую роль в процессе расщепления крупных молекул тяжёлых нефтяных фракций на более мелкие и ценные компоненты, такие как бензин и дизельное топливо.
  • Синтез органических веществ. Цеолиты используются в качестве катализаторов в процессах изомеризации, алкилирования и в синтезе специфических продуктов, например, при превращении метанола в бензин или при селективном получении пара-ксилола, важного сырья для производства пластмасс.

Ответ: Молекулярные сита можно использовать для разделения и очистки смесей газов и жидкостей (включая осушение), для ионного обмена (например, умягчения воды и очистки от тяжёлых металлов), а также в качестве высокоселективных катализаторов в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.