ゼオライト
ゼオライトはギリシャ語の zeo(沸騰する)と lithos(石)を合わせて名付けられた。これは成分に含まれる水とアルミノケイ酸塩骨格との結びつきが弱いため、加熱すると容易に水を脱離して沸騰しているように見えるためである(濁沸石(英語版)に至っては、外気に触れただけで脱水し、白濁・脆化してしまう)。1756年、スウェーデンの鉱物学者クルーンステットがアイスランドにて火山岩の調査中に発見し命名したとされる。
ゼオライトは微細なものも含めると火成岩、堆積岩、変成岩の全てにおいて非常に多様な岩石に含まれている。産出地は沸石水として結晶の中に水がたくさん含まれていることからわかるように、水に富んでいる環境であることが多い。また、概してゼオライトは100°C程度の比較的低温の熱水から晶出する。そのような地質環境が実現する主な場所としては、溶岩と水が相互作用する場所(温泉地帯、枕状溶岩など)や、ペグマタイト鉱床での末期の生成物、さらには岩石の隙間に地下水が浸入する場所、などが挙げられる。特に溶岩と水が相互作用する場所では、大きな晶洞が生じやすく、良質で美しい鉱物標本を多産することがある(インド中部のデカン高原など)。日本も北海道、東北地方、北関東、中国地方などで豊富に産出され、特に島根県などが主な産地である。
ゴールト石 (gaultite) - Na 4 [ Zn 2 Si 7 O 18 ] ⋅ 5 H 2 O {\displaystyle {\ce {Na4[Zn2Si7O18].5H2O}}} 、斜方
ギスモンド沸石 (gismondine) - Ca[Al2Si2O8]・4.5H2O、単斜
グメリン沸石 (gmelinite)(※系列名) - ( Na 2 , Ca , K 2 ) 4 [ Al 8 Si 16 O 48 ] ⋅ 22 H 2 O {\displaystyle {\ce {(Na2,Ca,K2)4[Al8Si16O48].22H2O}}} 、六方 ソーダグメリン沸石 (gmelinite-Na) 灰グメリン沸石 (gmelinite-Ca) カリグメリン沸石 (gmelinite-K)
ゴビンス沸石 (gobbinsite) - Na 5 [ Al 5 Si 11 O 32 ] ⋅ 12 H 2 O {\displaystyle {\ce {Na5[Al5Si11O32].12H2O}}} 、斜方
ゴナルド沸石 (gonnardite) - ( Na , Ca ) 6 − 8 [ ( Al , Si ) 20 O 40 ] ⋅ 12 H 2 O {\displaystyle {\ce {(Na,Ca)_{6-8}[(Al,Si)20O40].12H2O}}} 、正方
グーズクリーク沸石 (goosecreekite) - Ca [ Al 2 Si 6 O 16 ] ⋅ 5 H 2 O {\displaystyle {\ce {Ca[Al2Si6O16].5H2O}}} 、単斜
右図は代表的な骨格構造であるLTA (左) およびFAU (右) の比較である。両者は切頂八面体の構造 (ソーダライトケージ) を共通に有する (紫線)。しかしそれらの繋がり方 (黄線) が異なっており、LTAではケージの4員環同士が繋がり骨格を形成するのに対し、FAUでは6員環同士が繋がっている。その結果、LTAの細孔入り口は8員環 (0.41 nm) であり小細孔ゼオライト、FAUの細孔入り口は12員環 (0.74 nm) であり大細孔ゼオライトにそれぞれ属す。10員環を持つものは中細孔ゼオライトと呼ばれ、代表例ではZSM-5 (MFI) がある。
200種類以上のゼオライトが知られているものの、アルミノシリケートに限ると100種類前後である。さらに安価に合成できる事や十分な熱安定性を有する事など、工業利用の要件を満たすものはわずか数種類しかない。特にFAU型、BEA型、MOR型、MFI型、FER型はハイシリカゼオライトにおけるBig fiveと呼ばれ、工業的な生産方法が確立されている。
上記のように自然界に存在するものを天然ゼオライトと呼ぶが、それに対して人工的に合成されたものは合成ゼオライトと呼ぶ。20世紀になると合成ゼオライトが注目されるようになり、1905年にドイツの R. Gans が無機ゼオライトのパームチット(Permutite)を合成したことで、無機イオン交換体の研究開発が進んだ。合成は水熱合成法が主流であり、天然には存在しない骨格構造および組成を有するゼオライトが得られる。多くの合成ゼオライトではAl含有量が少ないためハイシリカゼオライト (high-silica zeolite) と呼ばれる (それに対し天然ゼオライトをローシリカ (low-silica) と形容する事がある)。ハイシリカゼオライトではSi-O結合による共有結合性により結晶が物理化学的に強固となり、共有結合結晶に分類できる。そのため熱安定性が高く工業的に重要な材料となっており、例えば固体酸触媒や環境触媒として利用されている。
合成ゼオライトは原料として純度の高いシリカや酸化アルミニウムを用いる一方で、石炭発電所等で発生する石炭灰 (フライアッシュ) を再生資源としてゼオライト合成原料に応用する試みもあり、このようにして得られたゼオライトは慣例で人工ゼオライトと呼ばれている。
カリボルサイト (kalborsite) - K 6 [ Al 4 Si 6 O 20 ] B ( OH ) 4 Cl {\displaystyle {\ce {K6[Al4Si6O20]B(OH)4Cl}}} 、正方
濁沸石 (laumontite) - Ca 4 [ Al 8 Si 16 O 48 ] ⋅ 18 H 2 O {\displaystyle {\ce {Ca4[Al8Si16O48].18H2O}}} 、単斜
レビ沸石 (levyne)(※系列名)- ( Ca 0 ⋅ 5 , Na , K ) 6 [ Al 6 Si 12 O 36 ] ⋅ ∼ 17 H 2 O {\displaystyle {\ce {(Ca_{0.5},Na,K)6[Al6Si12O36].\sim 17H2O}}} 、三方 灰レビ沸石 (levyne-Ca) ソーダレビ沸石 (levyne-Na)
ロヴダル石 (lovdarite) - K 4 Na 12 [ Be 8 Si 28 O 72 ] ⋅ 18 H 2 O {\displaystyle {\ce {K4Na12[Be8Si28O72].18H2O}}} 、斜方
マリコパ石 (maricopaite) - ( Pb 7 Ca 2 ) [ Al 12 Si 36 ( O , OH ) 100 ] ⋅ n ( H 2 O , OH ) , n ∼ 32 {\displaystyle {\ce {(Pb7Ca2)[Al12Si36(O,OH)100].{\it {n}}(H2O,OH),{\it {{n}\sim {\rm {32}}}}}}} 、斜方