Ein Vortrag von Julia Kisling, Andreas Haltermann, Pia Tewes ZEOLITHE Ein Vortrag von Julia Kisling, Andreas Haltermann, Pia Tewes

Historisches 1756 entdeckte der schwedische Mineraloge Axel Fredrick von Cronstedt eine Gruppe von Silicat-Mineralen, die sich durch eine besondere Eigenschaft hervorhoben: Sie verlieren Wasser wenn sie erhitzt werden, scheinen zu sieden und schmelzen schließlich zu einer weißen Glasperle

lithos (griechisch = Stein) Definition zeo (griechisch = ich siede) lithos (griechisch = Stein) = Siedestein

Steckbrief Dichte : 2,0-2,5g/cm³ Farbe: weiß, gelb, braun, rosa Strichfarbe : weiß Härte (Mohs) : 3,5-5,5 Kristallsysteme : monoklin, kubisch, orthorhombisch Dichte : 2,0-2,5g/cm³

Chemische Elemente in Zeolithen Allgemeine Formel: Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y] . cH2O (Ca,Na,K ,Ba,Sr,Mg,Cs ,Li )a[AlaSib-aO2 b] ·c H2O Der Teil der Formel in den eckigen Klammern repräsentiert die Gitteratome, der Teil in den runden Klammern die austauschbaren Kationen, der Rest nach dem Punkt die Wassermoleküle. Die Variablen a, b und c hängen von der Zusammensetzung der Zeolithe ab. Bei den Gitteratomen, die die AlO4- und SiO4-Tetraeder des Kristallgitters bilden, können bei natürlichen Zeolithen Aluminium und Silizium teilweise oder ganz durch Phosphor, Beryllium und Zink ersetzt sein. Ungebundene Sauerstoff-Atome an den Tetraedern des Kristallgitters können durch (OH)-Moleküle oder Fluor-Atome ersetzt sein.

Natürliche Vorkommen Nahezu in allen Vulkangebieten der Erde Bsp.: Dekkan Gebiet Indiens, Island, Eifel  Basalt-Hohlräume  Sedimentgesteine

ph-Wert, Temperatur, Zusammensetzung der Minerallösung Bildung Entsprechend ihres Löslichkeitsproduktes kristallisieren die Ionen bei Abkühlung aus der Lösung aus abhängig von: ph-Wert, Temperatur, Zusammensetzung der Minerallösung

Bsp. : Lahn Dill-Stilbit und Laumontit NaCa4[Al9Si27O7]·30 H2O (Stilbit) Ca4[Al8Si16O48]·16 H2O (Laumontit)

Übersicht Terrestrisch abgelagerte vulkanische Asche und Tuffe Vulkanische See-Sedimente Lavaergüsse Hydrothermal geprägte Basalte Terrestrische heiße Quellen Hydrothermale Erzgänge Pegmatite Kontaktmetamorphosen Metamorphe Sedimente Alpine Klüfte Submarine heiße Quellen Tiefsee-Sedimente

Die Zeolithfazies

Die metamorphe Fazies ist ein Bereich bestimmter Druck- und Temperaturwerte bei der Metamorphose von Gesteinen. Aus den verschiedenen metamorphen Fazies gehen jeweils unterschiedliche Metamorphite mit charakteristischen Mineralgesellschaften hervor. Die Zeolithfazies repräsentiert die P-T-Bedingungen der niedrigstgradigen Gesteinsmetamorphose

Anionen – gitterartige, weit ausgedehnte Alumosilikat-Strukturen Zeolithe sind aus Kationen und Anionen aufgebaute Salze Besonderheit Kationen - einzelne Teilchen Anionen – gitterartige, weit ausgedehnte Alumosilikat-Strukturen  komplexe Gerüststruktur mit Poren und Kanälen

Der Grundbaustein Das einfachste Anion ist das tetraedrisch gebaute Monosilicat-Ion (SiO4) 4-

Die Ringstrukturen Die ((SiO4)4-)-Tetraeder sind über gemeinsame O-Atome verknüpft

Die Gerüststruktur Bei Gerüstsilikaten gehört jedes Sauerstoffion gleichzeitig zwei benachbarten Tetraedern an.  dreidimensionale Netzwerkstrukturen. Für weitere Gerüstsilikate wird Si4+ durch Al3+ ersetzt Alumosilikate Ladungsausgleich:  Einlagerung von Kationen

Verschiede Erscheinungsformen des Habitus: Blätterzeolith Faserzeolith Würfelzeolith Stilbit aus Indien Chabasit aus der Slowakei Natrolith aus Polen

Poren und Kanäle Durch die Ringbildung des Grundbausteines (Al,Si)O4 entstehen im Zeolith-Kristallgitter Hohlräume. Die einfachste Form ist hierbei ein Kanal Teile des Zeolith-Kristallgitters enthalten nicht geschlossene Hohlräume, sogenannte Käfige

In wasserhaltigen Zeolithen liegen häufig Kationen in gelöster Form in den Kanälen vor.

Eigenschaften  spezifische Ionenaustausch-, regelmäßige Anordnung von Hohlräumen und Kanälen  große innere Oberfläche Anionische Gerüstladung durch Aluminiumatome  Kationen an innerer und äußerer Oberfläche In wasserhaltigen Zeolithen liegen diese Kationen häufig in gelöster Form in den Kanälen vor  leichte Modifizierung  spezifische Ionenaustausch-, Adsorptions- und Hydratationsfähigkeit

Synthetische Zeolithe werden aus stark alkalischen, wässrigen Lösungen von Silicium- und Aluminiumverbindungen hergestellt

Bsp : ZSM-5 Zeolite 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 Verwendung Drei wichtige Anwendungen : (1) Ionentauscher z.B. Säuberung von Industrie– abwässern, Wasserenthärtung (2) Trocknen z.B. von verflüssigtem Erdgas (für den Transport) (3) „Molekulares Sieb“ z.B. Trennung von Molekülen bzgl. Ihrer Größe

Ionentauscher Verbindungen mit Gerüststruktur, deren Gerüst Ionenladung trägt. In den Hohlräumen befinden sich neben Wasser die beweglichen Gegenionen

Synthese von Zeolithen Bsp. 1:Hydrothermal-Verfahren : Si(OH) 4 + Na[Al(OH)4] → Na[AlSiO4] + 4H2O Die Reaktion läuft unter hohem Druck und hoher Temperatur ab, wodurch die Kondensationsprozesse der Kieselsäure begünstigt werden.  Nachbildung der geologischen Situation der Gesteins/Kristallbildung

Bsp1:Hydrothermal-Verfahren (1) Halterung (2) Impfkristall (3) Autoklav (Stahlbehälter) (4) wässrige, gesättigte Lösung (5)Ausgangsverbindungen Rohmaterial

Bsp.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 chemischer Zusammensetzung Bsp.1:Eis

Bsp.2:Aktivkohle Entstehung Verwendung Erhitzung von organischen Materialien (Holz, Torf) unter Luftausschluss im Beisein von Phosphorsäure oder Zinkchlorid  Porenbildung Verwendung Wegen ihrer großen Oberfläche kann Aktivkohle andere Stoffe physikalisch adsorbieren  Entfernung von Verunreinigungen aus Lösungen  Filtermaterial in Gasmasken

Quellenangaben Charles E. Mortimer; Chemie, 8. Aufl., Thieme http://www.mineralienatlas.de http://www.old.unibayreuth.de/departments/ didaktikchemie/umat/ zeolithe/zeolithe.htm ; 19.05.2008, 23:43Uhr Okrusch Matthes; Mineralogie, 7. Aufl., Springer Walter Schuhmann; Steine und Mineralien-Führer, 7. Aufl., BLV Skript zur Vorlesung „Allgemeine Chemie“; Prof. R. Fischer, RUB, 2005 http://www.chemgapedia.de http://www.Arnold-Chemie.de