ZEOLITHEZEOLITHE

Ein Vortrag vonEin Vortrag vonJulia Kisling, Andreas Haltermann, Pia TewesJulia Kisling, Andreas Haltermann, Pia Tewes

HistorischesHistorisches

1756 entdeckte der schwedische Mineraloge Axel 1756 entdeckte der schwedische Mineraloge Axel Fredrick von Cronstedt eine Gruppe von Silicat-Fredrick von Cronstedt eine Gruppe von Silicat-Mineralen, die sich durch eine besondere Mineralen, die sich durch eine besondere Eigenschaft hervorhoben: Eigenschaft hervorhoben:

Sie verlieren Wasser wenn sie erhitzt Sie verlieren Wasser wenn sie erhitzt werden, scheinen zu sieden und schmelzen werden, scheinen zu sieden und schmelzen schließlich zu einer weißen Glasperleschließlich zu einer weißen Glasperle

DefinitionDefinition

zeo (griechisch = ich siede) zeo (griechisch = ich siede)

lithos (griechisch = Stein)lithos (griechisch = Stein)

= = SiedesteinSiedestein

SteckbriefSteckbrief

Farbe:Farbe: weiß, weiß, gelb, braun, rosagelb, braun, rosa

Strichfarbe :Strichfarbe : weißweiß

Härte (Mohs) :Härte (Mohs) : 3,5-5,53,5-5,5

Kristallsysteme :Kristallsysteme : monoklin, kubisch, monoklin, kubisch,

orthorhombischorthorhombisch

Dichte :Dichte : 2,0-2,5g/cm2,0-2,5g/cm³³

Chemische Elemente in ZeolithenChemische Elemente in Zeolithen

Allgemeine Formel:Allgemeine Formel:Mx/n[(AlOMx/n[(AlO22)x(SiO)x(SiO22)y] . cH)y] . cH22OO

(Ca,Na,K ,Ba,Sr,Mg,Cs ,Li )(Ca,Na,K ,Ba,Sr,Mg,Cs ,Li )aa[Al[AlaaSiSib-ab-aOO22 bb] ·] ·cc H H22OO

Der Teil der Formel in den eckigen Klammern repräsentiert Der Teil der Formel in den eckigen Klammern repräsentiert die Gitteratome, der Teil in den runden Klammern die die Gitteratome, der Teil in den runden Klammern die austauschbaren Kationen, der Rest nach dem Punkt die austauschbaren Kationen, der Rest nach dem Punkt die Wassermoleküle. Die Variablen Wassermoleküle. Die Variablen aa, , bb und und cc hängen von der hängen von der Zusammensetzung der Zeolithe ab.Zusammensetzung der Zeolithe ab.

Bei den Gitteratomen, die die AlOBei den Gitteratomen, die die AlO44- und SiO- und SiO44-Tetraeder des -Tetraeder des Kristallgitters bilden, können bei natürlichen Zeolithen Kristallgitters bilden, können bei natürlichen Zeolithen Aluminium und Silizium teilweise oder ganz durch Aluminium und Silizium teilweise oder ganz durch Phosphor, Beryllium und Zink ersetzt sein. Ungebundene Phosphor, Beryllium und Zink ersetzt sein. Ungebundene Sauerstoff-Atome an den Tetraedern des Kristallgitters Sauerstoff-Atome an den Tetraedern des Kristallgitters können durch (OH)-Moleküle oder Fluor-Atome ersetzt sein.können durch (OH)-Moleküle oder Fluor-Atome ersetzt sein.

Natürliche VorkommenNatürliche Vorkommen

Nahezu in allen Vulkangebieten der Nahezu in allen Vulkangebieten der ErdeErde

Bsp.: Bsp.: Dekkan Gebiet Indiens, Island, EifelDekkan Gebiet Indiens, Island, Eifel

Basalt-HohlräumeBasalt-Hohlräume

Sedimentgesteine Sedimentgesteine

BildungBildung

Entsprechend ihres Löslichkeitsproduktes Entsprechend ihres Löslichkeitsproduktes kristallisieren die Ionen bei Abkühlung aus kristallisieren die Ionen bei Abkühlung aus

der Lösung ausder Lösung aus

abhängig von:abhängig von:

ph-Wert, Temperatur, Zusammensetzung ph-Wert, Temperatur, Zusammensetzung der Minerallösungder Minerallösung

Bsp. : Lahn Dill-Stilbit und LaumontitBsp. : Lahn Dill-Stilbit und Laumontit

NaCaNaCa44[Al[Al99SiSi2727OO77]·30 ]·30 HH22O (Stilbit)O (Stilbit)

CaCa44[Al[Al88SiSi1616OO4848]·16 ]·16 HH22O (Laumontit)O (Laumontit)

ÜbersichtÜbersicht

Terrestrisch abgelagerte vulkanische Asche und Terrestrisch abgelagerte vulkanische Asche und TuffeTuffe

Vulkanische See-SedimenteVulkanische See-Sedimente LavaergüsseLavaergüsse Hydrothermal geprägte BasalteHydrothermal geprägte Basalte Terrestrische heiße QuellenTerrestrische heiße Quellen Hydrothermale ErzgängeHydrothermale Erzgänge PegmatitePegmatite KontaktmetamorphosenKontaktmetamorphosen Metamorphe SedimenteMetamorphe Sedimente Alpine KlüfteAlpine Klüfte Submarine heiße QuellenSubmarine heiße Quellen Tiefsee-SedimenteTiefsee-Sedimente

Die ZeolithfaziesDie Zeolithfazies

Die metamorphe Fazies ist ein Bereich Die metamorphe Fazies ist ein Bereich bestimmter Druck- und Temperaturwerte bestimmter Druck- und Temperaturwerte bei der Metamorphose von Gesteinen. Aus bei der Metamorphose von Gesteinen. Aus den verschiedenen metamorphen Fazies den verschiedenen metamorphen Fazies gehen jeweils unterschiedliche gehen jeweils unterschiedliche Metamorphite mit charakteristischen Metamorphite mit charakteristischen Mineralgesellschaften hervor.Mineralgesellschaften hervor.

Die Zeolithfazies repräsentiert die P-T-Die Zeolithfazies repräsentiert die P-T-Bedingungen der niedrigstgradigen Bedingungen der niedrigstgradigen GesteinsmetamorphoseGesteinsmetamorphose

StrukturStruktur

Zeolithe sind aus Kationen und Anionen Zeolithe sind aus Kationen und Anionen aufgebaute Salzeaufgebaute Salze

Besonderheit Besonderheit Kationen - einzelne TeilchenKationen - einzelne Teilchen

Anionen – gitterartige, weit ausgedehnte Anionen – gitterartige, weit ausgedehnte Alumosilikat-Strukturen Alumosilikat-Strukturen

komplexe Gerüststruktur mit Poren komplexe Gerüststruktur mit Poren und Kanälenund Kanälen

Der GrundbausteinDer Grundbaustein

Das einfachste Anion ist das tetraedrisch Das einfachste Anion ist das tetraedrisch

gebaute Monosilicat-Ion (SiOgebaute Monosilicat-Ion (SiO44) ) 4-4-

Die RingstrukturenDie Ringstrukturen

Die ((SiODie ((SiO44))4-4-)-)-Tetraeder sind Tetraeder sind über gemeinsame über gemeinsame O-Atome O-Atome verknüpftverknüpft

Die GerüststrukturDie Gerüststruktur

Bei Gerüstsilikaten gehört jedes Bei Gerüstsilikaten gehört jedes Sauerstoffion gleichzeitig zwei Sauerstoffion gleichzeitig zwei benachbarten Tetraedern an. benachbarten Tetraedern an. dreidimensionale dreidimensionale Netzwerkstrukturen. Netzwerkstrukturen.

Für weitere Gerüstsilikate wird Für weitere Gerüstsilikate wird SiSi4+4+ durch Al durch Al3+3+ ersetzt ersetzt AlumosilikateAlumosilikateLadungsausgleich:Ladungsausgleich: Einlagerung von Einlagerung von KationenKationen

Verschiede Erscheinungsformen Verschiede Erscheinungsformen des Habitus:des Habitus:

Stilbit aus Indien Chabasit aus der Slowakei

Natrolith aus Polen

Würfelzeolith

BlätterzeolithFaserzeolith

Poren und KanälePoren und Kanäle

Durch die Ringbildung des Grundbausteines (Al,Si)ODurch die Ringbildung des Grundbausteines (Al,Si)O44

entstehen im Zeolith-Kristallgitter Hohlräume. Die entstehen im Zeolith-Kristallgitter Hohlräume. Die einfachste Form ist hierbei ein Kanaleinfachste Form ist hierbei ein Kanal

Teile des Zeolith-Kristallgitters enthalten nicht Teile des Zeolith-Kristallgitters enthalten nicht geschlossene Hohlräume, sogenannte Käfige geschlossene Hohlräume, sogenannte Käfige

In wasserhaltigen Zeolithen liegen häufig Kationen in gelöster

Form in den Kanälen vor.

EigenschaftenEigenschaften

regelmäßige Anordnung von Hohlräumen und Kanälen regelmäßige Anordnung von Hohlräumen und Kanälen große innere Oberflächegroße innere Oberfläche Anionische Gerüstladung durch AluminiumatomeAnionische Gerüstladung durch Aluminiumatome Kationen an innerer und äußerer OberflächeKationen an innerer und äußerer Oberfläche In wasserhaltigen Zeolithen liegen diese Kationen In wasserhaltigen Zeolithen liegen diese Kationen

häufig in gelöster Form in den Kanälen vorhäufig in gelöster Form in den Kanälen vor leichte Modifizierungleichte Modifizierung

spezifische Ionenaustausch-, spezifische Ionenaustausch-, Adsorptions- und Hydratationsfähigkeit Adsorptions- und Hydratationsfähigkeit

Synthetische ZeolitheSynthetische Zeolithe

Synthetische ZeolitheSynthetische Zeolithe

werden aus stark alkalischen, wässrigen Lösungen werden aus stark alkalischen, wässrigen Lösungen von Silicium- und Aluminiumverbindungen von Silicium- und Aluminiumverbindungen hergestellthergestellt

Bsp : ZSM-5Bsp : ZSM-5Zeolite Socony MobilZeolite Socony Mobil

- besonderes strukturelles Merkmal sind fünfgliedriges Ringe, deren Anordnung zu einer Gitterstruktur mit zehngliedrigen Ringen führt. - geradlinige Kanäle mit Durchmesser von 5.1 Å x 5.6 Å senkrecht zu zickzackförmig verlaufenden Kanälen mit einem Durchmesser 5.4 Å x 5.6 Å

Industrielle VerwendungIndustrielle Verwendung

Drei wichtige Anwendungen :Drei wichtige Anwendungen :

(1)(1) IonentauscherIonentauscher z.B. Säuberung von Industrie– z.B. Säuberung von Industrie– abwässern, Wasserenthärtung abwässern, Wasserenthärtung

(2)(2) TrocknenTrocknen z.B. von verflüssigtem Erdgas (für z.B. von verflüssigtem Erdgas (für den Transport)den Transport)(3) „Molekulares Sieb“(3) „Molekulares Sieb“ z.B. Trennung von Molekülen bzgl. Ihrer z.B. Trennung von Molekülen bzgl. Ihrer Größe Größe

IonentauscherIonentauscher

Verbindungen mit Gerüststruktur, deren Verbindungen mit Gerüststruktur, deren

Gerüst Ionenladung trägt.Gerüst Ionenladung trägt.

In den Hohlräumen befinden sich neben In den Hohlräumen befinden sich neben

Wasser die beweglichen GegenionenWasser die beweglichen Gegenionen

Synthese von ZeolithenSynthese von Zeolithen

Bsp. 1:Hydrothermal-Verfahren :Bsp. 1:Hydrothermal-Verfahren : Si(OH) Si(OH) 44 + Na[Al(OH) + Na[Al(OH)44]] → → Na[AlSiONa[AlSiO44] + 4H] + 4H22OO

Die Reaktion läuft unter hohem Druck und hoher Die Reaktion läuft unter hohem Druck und hoher

Temperatur ab, wodurch die Temperatur ab, wodurch die Kondensationsprozesse der Kieselsäure Kondensationsprozesse der Kieselsäure

begünstigt werden.begünstigt werden.

Nachbildung der geologischen Situation der Nachbildung der geologischen Situation der Gesteins/KristallbildungGesteins/Kristallbildung

Bsp1:Hydrothermal-VerfahrenBsp1:Hydrothermal-Verfahren

(1) Halterung(1) Halterung

(2) Impfkristall(2) Impfkristall

(3) Autoklav (3) Autoklav (Stahlbehälter)(Stahlbehälter)

(4) wässrige, gesättigte (4) wässrige, gesättigte

LösungLösung

(5)Ausgangsverbindungen (5)Ausgangsverbindungen RohmaterialRohmaterial

Bsp.2:TemplatsyntheseBsp.2:Templatsynthese

Bei dieser Art der Synthese verwendet man große Kationen , um die sich das Gerüst des Zeolithen aufbaut.

Durch Variation der (organischen) Substituenten kann die Größe der Zeolithporen gezielt gesteuert werden. Das Kation dient somit als Schablone (= engl. template).

Zeolith-artige Materialien anderer Zeolith-artige Materialien anderer chemischer Zusammensetzungchemischer Zusammensetzung

Bsp.1:EisBsp.1:Eis

Bsp.2:AktivkohleBsp.2:AktivkohleEntstehungEntstehung

Erhitzung von organischen Erhitzung von organischen Materialien (Holz, Torf) Materialien (Holz, Torf) unter Luftausschluss im unter Luftausschluss im

Beisein von Beisein von Phosphorsäure oder Phosphorsäure oder

Zinkchlorid Zinkchlorid PorenbildungPorenbildung

VerwendungVerwendungWegen ihrer großen Wegen ihrer großen

Oberfläche kann Oberfläche kann Aktivkohle andere Stoffe Aktivkohle andere Stoffe physikalisch adsorbieren physikalisch adsorbieren

Entfernung von Entfernung von Verunreinigungen aus Verunreinigungen aus

LösungenLösungen Filtermaterial in Filtermaterial in

GasmaskenGasmasken

QuellenangabenQuellenangaben Charles E. Mortimer; Chemie, 8. Aufl., ThiemeCharles E. Mortimer; Chemie, 8. Aufl., Thieme http://www.mineralienatlas.dehttp://www.mineralienatlas.de http://www.old.unibayreuth.de/departments/ http://www.old.unibayreuth.de/departments/

didaktikchemie/umat/ zeolithe/zeolithe.htm ; didaktikchemie/umat/ zeolithe/zeolithe.htm ; 19.05.2008, 23:43Uhr19.05.2008, 23:43Uhr

Okrusch Matthes; Mineralogie, 7. Aufl., SpringerOkrusch Matthes; Mineralogie, 7. Aufl., Springer Walter Schuhmann; Steine und Mineralien-Führer, Walter Schuhmann; Steine und Mineralien-Führer,

7. Aufl., BLV7. Aufl., BLV Skript zur Vorlesung „Allgemeine Chemie“; Prof. Skript zur Vorlesung „Allgemeine Chemie“; Prof.

R. Fischer, RUB, 2005R. Fischer, RUB, 2005 http://www.chemgapedia.dehttp://www.chemgapedia.de http://www.Arnold-Chemie.dehttp://www.Arnold-Chemie.de