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Das Hauptpatent betrifft kristalline, den Gashydraten vom
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Strukturtyp II analog gebaute Einschlußverbindungen von Siliziumdioxid
der Formel 136 [(Si1-xTx)O2] . (24 - y) M, worin T ein tetraedrisch durch Sauerstoff
koordiniertes Atom, x einen Zahlenwert von 0,1, y einen Zahlenwert von 0#y#24 und
M Atome, Moleküle und/oder Ionen mit kinetischen Durchmessern nach Lennard-Jones##9Å
bedeuten.
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Die vorliegende weitere Ausbildung dieser Erfindung betrifft eine
Generalisierung, da die obige Formel die (Si T)O (24-y)M (24-y)M die Bruttozusammensetzung
ein Familie von Einschlußverbindungen mit zahlreichen Gliedern ausdrückt. Alleiniges
Unterscheidungsmerkmal ist die unterschiedliche Stapelfolge einer allen gemeinsamen
Struktureinheit, nämlich einer ausschließlich aus Pentagondodekaedern ( [512]-Flächnern)
aufgebauten Schicht hexagonaler oder annäherd hexagonaler Symmetrie.
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Einen Ausschnitt aus dieser Schicht zeigt die Fig. 1 der Patentanmeldung
P 31 28 988.6. Die durch unterschiedliche Stapelfolge gebildeten Glieder bilden
eine neue Reihe sogenannter polytyper Verbindungen.
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Im Hauptpatent (Patentanmeldung P 31 28 988.6) ist ein Typ beschrieben,
in welchem benachbarte Schichten parallel so zueinander verschoben und miteinander
verknüpft sind, daß sie eine kubische 3-Schichtstruktur bilden (Schichtfolge ABC).
Infolge der Verknüpfung treten als weitere käfigförmige Hohlräume 16-Flächner ([51264]
-Flächner) auf. Das Verhältnis von Pentagondodekaedern und 16-Flächnern beträgt
2 : 1. Die kubischen bzw. pseudokubischen Kristalle mit der Gashydrat II-Struktur
stellen einen Typ aus einer polytypen Reihe von analogen Phasen dar, die als Dodekasile
bezeichnet werden sollen.
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Allen diesen Polytypen sind folgende Merkmale gemeinsam: a) Gleiche
chemische Summenformel 136 LSi1xTx)O2i (24-y)M b) Aufbau des Tetraedergerüstes aus
Schichten hexagonaler Symmetrie der in Figur 1 gezeigten Art und c) Synthese aus
SiO2-haltigen Lösungen mit Hilfe von basischen Medien, aber, wie noch gezeigt wird,
nun auch in sauren Medien.
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Als Unterschiede zwischen den Polytypen seien folgende genannt: a)
Verschiedene Abfolgen dieser miteinander verknüpften Schichten entsprechend der
Tabelle II. Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, daß nur das im Hauptpatent beschriebene
Polytype, Dodekasil 3C mit der Schichtfolge ABC kubisch ist, während alle anderen
Glieder der polytypen Reihe hexagonal sind.
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b) Neben den die Schicht bildenden Pentagondodekaeder-Käfigen £512werden
durch die Verknüpfung der Schichten drei verschiedene weitere Käfigarten unterschiedlicher
Größe gebildet:[4³566³], [51264gund i1268g (Fig. 3). Je nach Art der Schichtfolge
ändert sich das Mengenverhältnis der vier Käfigarten (Tab. II) und damit der für
den Einbau der Gastmoleküle unterschiedlicher Art und Größe verfügbaren Hohlräume.
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c) Die Bildung der verschiedenen Polytypen läßt sich durch geeignete
Wahl der Synthesebedingungen beeinflussen. Wichtigste Variable sind: (i) Art und
Mengenverhältnis der verwendeten Gastmoleküle, die entweder bei der Synthese zugesetzt
oder während der Synthese gebildet werden (um die verschiedenen Hohlräume im gewünschten
Zahlenverhältnis zu bilden) und (ii)
Temperatur (z.B. wird bei Verwendung
von Piperidin bis 200°C Dodekasil 3C, oberhalb 2000C Dodekasil 1H gebildet); daneben
(iii) Druck und Gast: SiO2-Verhältnis.
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Eine Zusammenstellung der einfacheren theoretisch möglichen Glieder
der polytypen Reihe bis hin zur 4-Schichtstruktur und einschließlich eines fehl
geordneten Vertreters wird in Tab. II gegeben. Infolge der Verknüpfung treten je
nach Schichtfolge neben dem bereits genannten 16-Flächner (051264J) noch zwei weitere
Polyeder auf: ein 20-Flächner ([512683) und ein neuer 12-Flächner ([435661). Die
vorgeschlagene Bezeichnung Dodekasil für alle Typen setzt sich zusammen aus dem
Namen des das Wirtsgitter aufbauenden Käfigs (Dodekaeder) und der das Wirtsgitter
bildenden Verbindung (Silica). Die weitere Kennzeichnung erfolgt gemäß der Anzahl
der eine Identitätsperiode aufbauenden Schichten (1, 2, ...) und dem Kristallsystem
des idealen Gerüstes (H = hexag.,C = cubic).Demnach sind die Verbindungen des Hauptpatentes
Varianten des Dodekasils 3C.
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Im Folgenden sei als ein Vertreter der neuen Reihe Dodekasil 1H beschrieben.
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Es konnten erstmals kristallisierte Einschlußverbindungen vom Typ
des Dodekasils 1H synthetisiert werden, deren Zusammensetzung durch die Formel 34
ESi1~xTx)o2] (6-y)M beschrieben werden kann.
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Die Aussagen über Einschluß und Austausch von Spezies sowie Ersatz
von Silizium beim Dodekasil 3C gelten prinzipiell entsprechend für das Dodekasil
1H. Hinsichtlich der eingescliossenen
Spezies M ergeben sich jedoch
Unterschiede aus der Tatsache, daß das Gerust aus [(Si,T)O4]-Tetraedern neben den
für beide Dodekasile gleichen [5123-Flächnern auch andersartige Hohlräume besitzt
(Strukturbeschreibung wird später gegeben).
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So werden neben den Spezies mit kleinen kinetischen Durchmessern,
z.B. H2, N2,02, CO2, N20, Edelgase, NH3, CH4, CF4, bevorzugt Spezies mit zyklischer
Molekülstruktur, wie Pentamethylenimin (Piperidin) und Hexamethylenimin eingeschlossen.
Das Verhältnis M : (Si,T) beträgt maximal 6 : 34 bzw. 3 : 17 und ist das gleiche
wie beim Dodekasil 3C Die Stubstanz bildet farblose hexagonale oder pseudohexagonale
Tafeln. Die Gitterkonstanten schwanken je nach Art und Menge an T bzw. M geringfügig
um die Werte aO = 13.8 Å und c0 = 11.2 Å. Der Zellinhalt beträgt 34 [(Si1-xTx)O2].
(6-y)M und damit ein Viertel desjenigen der 3C-Phase.
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Man kann die Kristallstruktur folgendermaßen beschreiben; Aus £(Si
,T) 04] -Baugruppen gebildete Pentagondodekaeder ([512]) sind über gemeinsame Flächen
zu parallelen Schichten (Fig. 1) sechszähliger (oder nahezu sechszähliger) Symmetrie
vernetzt. Benachbarte Schichten in identischer Lage sind über gemeinsame 0-Atome
zu einem Gerüst verknüpft. Das ist das einfachste Beispiel in der Reihe polytyper
Dodekasile: 1-Schichtstruktur, Schichtfolge A.
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Infolge der Verknüpfung der Schichten treten zwei neue Polyederarten
auf: ein 20-Flächner ([51268]) und ein 12-Flächner ([4356633) (Fig. 3). Die Verknüpfung
aller drei Polyederarten zeigt Fig. 4. Eine Elementarzelle setzt sich zusammen aus
3x [512], 2x [4³566³] und 1x [51268] (S. Tab. II).
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Die käfigförmigen Hohlräume der Polyeder sind mehr oder weniger vollständig
mit Molekülen M besetzt, welche jedoch entsprechend der unterschiedlichen Hohlraumgröße
und -geometrie noch zu unterscheiden sind wie M'L5123, M'' [4³566³] und M'1 1 C512
Die Rristallstrukturbestimmung an einer Probe mit x = 0 sowie Käfigfüllungen Mw,
M" mit der Bedeutung N2,02 oder leer und M"' mit der Bedeutung Piperidin (C5H11N)
ergab unter der Annahme der Raumgruppensymmetrie D1 - P6/mmmdie in Tab. III 6h angegebenen
Koordinaten.
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Tab. IV gibt die Daten eines Pulverdiffraktogramms wieder, welche
an einem unter Verwendung von Hexamethylenimin (C6H13N) in Anwesenheit von Luft
dargestellten Präparat gemessen wurden.
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Je nach Art und Grad des Si/T-Ersatzes und Art und Menge der eingelagerten
Moleküle M können Intensitäten (I) und Netzebenenabstände (d) geringfügig von den
tabellierten Werten abweichen. Für das Endglied mit x = 0 errechnet sich ohne Berücksichtigung
der eingeschlossenen Moleküle M die Gerüstdichte zu 1,84 gcm 3 (der Vergleichswert
für Dodekasil 3C beträgt 1,86 gcm 3). Die experimentelle Dichte kann je nach Grad
und Art des Si/T-Ersatzes und der Käfigbesetzung in den bereits für Dodekasil 3C
genannten Grenzen variieren.
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Die Synthese der Verbindungen vom Dodekasil 1H-Typ kann methodisch
und verfahrenstechnisch wie für den 3C-Typ beschrieben erfolgen. Das gilt auch für
Herstellung und Gehalte der kieselsäurehaltigen Lösungen. Welches Dodekasil tatsächlich
gebildet wird, hängt von den Synthesebedingungen im einzelnen ab. Wichtigste Variable
sind: (i) Art und Mengenverhältnis der verwendeten (bei der Synthese zugesetzten
bzw. durch Umwandlung aus ihnen entstehenden) Gastmoleküle, welche - wie in den
folgenden Synthesebeispielen
angegeben - zugleich Träger der basischen
Funktion sein können. Die Bedeutung der Gastmoleküle besteht ja darin, die nach
Größe und Geometrie verschiedenen Käfige im gewünschten Zahlenverhältnis (s.Tab.
3) zu bilden. Für die Synthese von Dodekasil 1H eignen sich bevorzugt Spezies mit
zyklischer Molekülstruktur wie Pentamethylenimin (Beispiel 1) und Hexamethylenimin
(Beispiel 2).
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(ii) Temperatur. In Gegenwart von Pentamethylenimin als Beispiel wird
bis 2000C Dodekasil 3C, oberhalb 2000C Dodekasil 1H gebildet.
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Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung für das Arbeiten im
basischen Medium: Beispiel 1 Durch Hydrolyse von Tetramethylorthosilikat in einer
wässrigen Lösung von Pentamethylenimin (Piperidin) wurde eine homogene an SiO2 und
Base 1-molare Lösung hergestellt.
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Ein Teil dieser Lösung wurde unter Vakuum in einer Quarzglasampulle
eingeschmolzen und auf 2500C erhitzt.
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Die Abscheidung der herzustellenden Phase (Dodekasil 1H) in Form sechsseitiger
Tafeln setzte nach 8 Tagen ein und vervollständigte sich im Laufe von weiteren 10
Tagen.
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In einem Parallelversuch bei 2000C, jedoch sonst völlig gleichen Synthesebedingungen
entstand ausschließlich Dodekasil 3C.
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Beispiel 2 Durch Hydrolyse von Tetramethylorthosilikat in einer wässrigen
Lösung von Hexamethylenimin wurde eine homogene an SiO2 1-molare, an Base 2-molare
Lösung bereitet.
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Ein Teil dieser Lösung wurde unter Vakuum in einer Quarzglasampulle
eingeschmolzen und auf 2000C erhitzt.
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Die Abscheidung der herzustellenden Phase (Dodekasil 1H) in Form sechsseitiger
Tafeln begann nach 5 Tagen und war nach weiteren 16 Tagen beendet.
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Bisher sind Synthesebeispiele angegeben worden, in welchen die Mobilisierung
(=Lösung + Transport) des SiO2 durch basische Medien erfolgte. Die dazu eingesetzten
Basen (oder während der Synthese aus ihnen gebildeten Substanzen) wurden in vielen
Fällen zugleich als Gastmoleküle in das SiO2-Gerüst eingebaut, und man kann daher
auch vom Gast: SiO2-Verhältnis sprechen.
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Im folgenden werden jetzt 2 Synthesebeispiele gebracht, in welchen
die SiO2-Mobilisierung in saurem Medium erreicht wird, und zwar durch Zusatz von
Fluorwasserstoffsäure HF oder Pyridiniumhydro genfluorid CC6HgN"3 HF2.Diese Synthesevariante
erlaubt ein von der SiO2-Mobilisierung völlig unabhängiges Angebot von Gastmolekülen
(Beispiele 3 und 4). Außerdem ist auch die Herstellung aus neutralen Medien möglich.
In beiden Fällen, bei saurem und neutralem Medium, kann man wiederum von Gast: SiO2-Verhältnis
sprechen.
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Außerdem wurde bisher in allen gegebenen Synthesebeispielen, auch
in denen des Hauptpatentes, SiO2 als Tetramethylorthosilikat eingesetzt. Beispiel
3 beschreibt nun ein Verfahren, das außer durch saure Mobilisation" dadurch modifiziert
ist, daß SiO2 als handelsübliches Kieselgel verwendet wurde. Darüber hinaus sund
auch andere amorphe SiO2-Formen, z.B. SiO2-Glas, als Ausgangsmaterialien geeignet.
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Beispiel 3 0.25mleiner ca. 1-molaren wässrigen Lösung von Pyridiniumhydrogenfluorid
5H5NHi HF2 (pH ca. 3) wurden zusammen mit
15 mg Kieselgel (Merck)
und 0.05 ml Cyclopentan in einer Quarzglasampulle eingeschmolzen und auf 2000C erhitzt.
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Kristalle der herzustellenden Phase Dodekasil 3C konnten bereits nach
12h beobachtet werden. Nach ca. 14 Tagen hatten sie bis zu 2mm Größe erreicht.
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Beispiel 4 Durch Hydrolyse von Tetramethylorthosilikat in 0.01N Salzsäure
wurde eine relativ stabile ca. i-molare Kieselsäurelösung bereitet. Bei der Hydrolyse
entstandenes Methanol wurde im Vakuum entfernt. 0.5 ml dieser Lösung wurden mit
so viel verdünnter Flußsäure versetzt, daß gemäß S102 + 6HFH2SiF6 + 2H20 5 % des
darin enthaltenen SiO2 in H2SiF6 überführt wurde. Die bald gelierende Mischung wurde
zusammen mit ca. 20Vol.% Cyclopentan in einer Quarzglasampulle eingeschmolzen und
auf 2000C erhitzt. Nach ca. 10 Tagen konnte die Ausscheidung der herzustellenden
Phase Dodekasil 3C in Form skelettartiger Kristalle beobachtet werden. Nach insgesamt
6 Wochen war die Umsetzung abgeschlossen.
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In seiner chemischen und thermischen Stabilität gleicht das Dodekasil
1H weitgehend der 3C-Phase. Da Übereinstimmung außerdem in den für Austausch bzw.
Durchtritt von Gastmolekülen kritischen Struktureinheiten, nämlich Fünfer- und Sechserringen,
besteht, gelten für beide Polytypen (und darüber hinaus für alle Polytypen dieser
Reihe) dieselben bereits erläuterten Anwendungsmöglichkeiten. Dies ist insbesondere
der Fall für die Speicherung und Lagerung von Stoffen (nukleare Entsorgung) sowie
für die Abtrennung von Gasen mit sehr kleinen kinetischen Moleküldurchmessern (Molekularsiebwirkung).
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Es sei noch ergänzend bemerkt, daß als weitere Beispiele für radioaktive
Gastspezies radioaktives Jod und radioaktives Radon angegeben werden können. Die
beigefügte Tabelle I für Dodekasil 3C ist hinsichtlich der hkl-Werte ergänzt und
hinsichtlich der Meßwerte verfeinert. Die beigefügte Figur 1 ist eine verbesserte
Version der Fig. 1 des Hauptpatentes.
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Schließlich hat sich inzwischen gezeigt, daß der kinetische Durchmesser
nach Lennard-Jones mitt 411 i angegeben werden kann (statt 9 i ). Dies ergibt sich
durch das Auftreten der 20-Flächner in Dodekasil 1H, 3H, 4H1, 4H2, 4H3 u.s.w., in
denen Schichten mit gleichem Symbol benachbart sind.
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TABELLE I Intensität hkl P.D. P.D. D.S.
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11.28*) - 20 6.862 5 40 220 5.840 65 80 311 5.609 70 100 222 4.853
20 60 400 4.455 15 50 331 3.962 35 50 422 3.739 95 90 333 3.428 <5 70 440 3.280
100 80 531 3.232 10 5 600 3.071 ' 15 25 620 2.960 10 25 533 2.527 5 25 731, 553
2.370 10 25 820 2.2855 45 30 822 2.2397 5 10 751, 555 2.2238 < 5 5 662 2.1691
5 5 840 2.1285 5 5 911, 753 1.9799 5 5 844 1.9493 10 5 » 933, 771, 755 1.9012 <5
10 10.2.0, 862 1.8671 5 25 665 Röntgenbeugungsdiagramm von Dodekasil 3C (CuKα,
# = 1.5418Å) P.D. : Werte aus einem mit Zählrohr registrierten Pulver-Diffraktogramm
D.S. : Werte aus einem photographisch registrierten Debye-Scherrer-Diagramm *) :
Dieser Reflex war nur auf dem Debye-Scherrer-Diagramm sichtbar
Gitterkonstan- |
Schicht- |
folge [512] [4³566³] [51264] [51268] ten |
Dodekasil Z(SiO2) (F = 12) (F = 16) (F = 20) a0[Å]co[Å] Symmetrie |
1H A 34 (136) 3 (12) 2 (8) - 1 (4) 13.8 11.2 hexag. |
2H AB 68 (136) 8 (16) - 4 (8) - 13.8 22.4 hexag. |
3H AAB 102 (136) 11 (14.67) 2 (2.67) 4 (5.33) 1 (1.33) 13.8
33.6 hexag. |
3C ABC (102) 136 16 - 8 - 19.4 cubic |
4H¹ 4AAB 136 14 4 4 2 13.8 44.8 hexag. |
4H² AABB 136 14 4 4 2 13.8 44.8 hexag. |
4H³ AABC 136 15 2 6 1 13.8 44.8 hexag. |
4H4 ABAC 136 16 - 8 - 13.8 44.8 hexag. |
. . . . . . . . . |
. . . . . . . . . |
. . . . . . . . . |
. . . . . . . . . |
. . . . . . . . . |
D disor- - - - - - 13.8 nicht hexag. |
dered periodisch |
TABELLE II Polytype Reihe der Dodekasile: Schichtfolgen, Zellinhalt Z(SiO2), Anzahl
der verschiedenen käfigförmigen Hohlräume, Gitterkonstanten und kristallographische
Symmetrie.
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TABELLE III Atom Punktlagea) x y z Si 1 12a 0,209 0,419 0,225 Si
2 12n 0,387 0 0,363 Si 3 61 0,131 0,263 o Si 4 4h 0,533 0,667 0,138 0 1 24r , 0,105
0,393 0,303 0 2 12q 0,170 0,340 0,i14 0 3 12O 0,272 0,543 0,815 0 4 6k 0,360 0 0,500
0 5 6j 0,164 0 0 0 6 61 0,500 0 0,345 0 7 2c 0,333 0,667 0 M 1 Ib 0 0 0,500 M 2
2d 0,333 0,667 0,500 M 3 3f 0,500 0 0 Tabelle III Koordinaten (in Bruchteilen der
Gitterkonstanten) der Silizium- und Sauerstoffatome und der Mittelpunkte der käfigförmigen
Hohlräume von Dodekasil 1H in welche die Moleküle M eingelagert sind.
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a) Punktlage entsprechend der Bezeichnung in Internatic Tables for
X-Ray Crystallography, Vol. 1, S. 298f, Kynoch Press, Birmingham 1965.
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Tabelle IV Intensität d Å P.D. D.S. hkl
11,98 * - 20 100 |
11,26 * - 5 001 |
8,19 * - 15 101 |
6,93 * - 30 110 |
5,985 15 25 200 |
5,879 25 40 111 |
5,602 100 30 002 |
5,280 80 100 201 |
5,070 65 50 102 |
4,518 15 35 210 |
4,201 10 25 . 211 |
4,095 10 15 202 |
3,986 25 25 300 |
3,757 50 301 |
45# |
3,740 60 003 |
3,566 40 10 103 |
3,522 90 55 212 |
3,456 20 30 220 |
3,324 35 310 |
3,302 45 80# 221 |
3,290 75 113 |
3,172 55 30 203 |
- |
2,867# 15# 213 |
- 312 |
2,730 25 10 104 |
2,539 20 15 204 |
2,4675 15 15 322 |
2,3933 10 500 |
- - 214 |
2,341 * - 10 501 |
- - 330 |
2,2936 20 15# 333004 |
Röntgenbeugungsdiagramm von Dodekasil 1H (CuKα, # = 1.5418Å) P.D. : Werte
aus einem mit Zählrohr registrierten Pulver-Diffraktogramm D.S. : Werte aus einem
photographisch registrierten Debye-Scherrer-Diagramm *) : Dieser Reflex war nur
auf dem Debye-Scherrer-Diagramm sichtbar
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