Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 27.04.16

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Zeolithe - Struktur und Eigenschaften

Vortrag von Markus Gantner im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 06/07

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Gliederung:

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[Hier befanden sich mehrere Bilder zum Thema Zeolithe, welche aufgrund einer Verletzung des Urheberrechts entfernt wurden.] 
 

Viele von uns haben jeden Tag Zeolithe in Form ihrer Alltagsgegenstände in Gebrauch und haben dennoch noch nie etwas von ihnen gehört. Sie sind meist in Pulverform oder als dünne Schichten in unseren Gebrauchsgegenständen verwendet und leisten seit Jahrzehnten nützliche Dienste in unserem Alltag, wie wir später sehen werden.

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1 Was sind Zeolithe?

Im Jahre 1756 fand der schwedische Baron Axel F. Cronstedt einen Namen für eine „neue“ Gruppe von Mineralien, die „beginnen zu brodeln, wenn man sie stark genug erhitzt – gerade so, als würden sie sieden.“ Deshalb nannte er sie Zeolithe – „siedende Steine“.Heute weis man, dass die Zeolithe eine Riesenfamilie von Alumosilikaten mit Gerüststruktur sind, die von der Definition nach D.W. Breck wesentlich besser beschrieben werden:

„Zeolithe sind kristalline, hydratisierte Alumosilikate, synthetisiert oder natürlich vorkommend, mit Gerüststruktur, die Alkali- oder Erdalkalikationen enthalten.“

Sie bestehen wie alle Minerale aus Anionen und Kationen. Die Anionen sind in diesem Fall riesige Gitterstrukturen aus Al3+- und Si4+-Oxidtetraedern, die Kationen sind verschiedene Alkali- und Erdalkali-Ionen.

Man kennt bis heute über 150 natürliche und künstliche Zeolithe mit der allgemeinen empirischen Formel: Mx/n [(AlO2)x (SiO2)y]*(H2O)z

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2 Aufbau und Struktur

Der Grundbaustein der Zeolith-Gitterstruktur ist der Al- bzw. Si-Oxid-Tetraeder (Abb. 1), der durch verschiedene Kombinationen neun unterschiedliche Sekundärbausteine aufbaut (Abb. 2).

[Hier befand sich ein Bild eines Zeoliths, welches aufgrund einer Verletzung des Urheberrechts entfernt wurde.]


Abb. 1: Oxid-Tatraeder mit zentralem Kation und Sauerstoff an den Ecken [4].

[Hier befand sich ein Bild von mehreren Zeolithen, welches aufgrund einer Verletzung des Urheberrechts entfernt wurde.]


Abb. 2: Neun sekundäre Baueinheiten [4].

Diese neun und alle weiteren Strukturen folgen allerdings der sog. Löwenstein-Regel, nach der niemals zwei Aluminium-Atome nebeneinander in den Tetraederverband eingebaut sind. Sie kann als Konsequenz der vierten von fünf Pauling´schen Regeln zur Strukturchemie von Ionenkristallen betrachtet werden.

Diese bisher neun bekannten Sekundärstrukturen bauen weitere, höher symmetrische Strukturen auf. Tertiärstrukturen, wie den alpha-Käfig, beta-Käfig, Super-Käfig und den Fünfring-Polyeder (Bsp. siehe Abb. 3).

 
Abb. 3:  Super-Käfig,              Fünfring-Polyeder,   weiterer Käfig [1].

Aus den tertiären Strukturen werden die Zeolith-Gerüste (als Anionen) aufgebaut, wie das Faujasit-, das Modernit- oder das Sodalith-Gerüst (Bsp. siehe Abb. 4).


Abb. 4: Beispiel für Zeolith-Gerüst und dessen inneren Hohlraum [1].

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3 Eigenschaften von Zeolithen

Zeolithe sind hochsymmetrische Gitterstrukturen, die große, von der Art des Zeoliths abhängige Hohlräume beinhalten. Diese Räume sind direkt oder über Kanäle miteinander verbunden. Das Zeolithgerüst an sich ist durch die Einlagerung der AlO4- -Tetraeder das Anion des Minerals, das in seinen Hohlräumen die Kationen koordiniert enthält. Im Grundzustand ist ein Zeolith hydratisiert, was beim Erhitzen zum Entweichen des Wassers führt („brodeln“, welches 1756 Baron Cronstedt beobachtete). Die Eigenschaften der Zeolithe ändern sich dadurch mit deren Aufbau. So sind natürliche und künstliche Zeolithe mit steigendem Si/Al-Verhältnis zunehmend stabiler, z.B. gegenüber Laugen und Säuren. Durch Einbringen von sauren oder basischen Gruppen und/oder Austausch der vorhandenen Kationen gegen Ionen mit höherer Ladung können Eigenschaften wie z.B. die Poren-/ Kanalgröße oder die Selektivität in der Synthese verändert werden.

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4 Anwendungen

Mit den verschiedenen Zeolithen werden seit Jahrzehnten etliche, uns zum Teil unbekannte Anwendungen betrieben und in Gang gehalten.

Eine der bekannteren Anwendungen ist der Ionenaustausch mit hydratisierten Zeolithen:

bulletPhosphat- und Nitrat-Austausch in Waschmitteln,
bulletIonentauscher in chemischen Laboratorien (allerdings nur sehr eingeschränkt) und
bulletAustausch von radioaktiven und giftigen Metallen aus Industrieabwässern (nach der „Verglasung“ der verwendeten Mineralien werden diese dauerhaft eingelagert).

Die zweite Anwendungssparte ist das Trocknen verschiedener Substanzen mit dehydratisierten Zeolithen:

bulletTrocknen von wasserfreien Polyurethan(-schaum-)massen,
bulletVon Isoliergas in Fensterscheiben,
bulletVon Kühlgas in Kühlschränken, Gefriertruhen etc. und
bulletVon (zum Transport) verflüssigtem Erdgas.

Durch die bereits erwähnten Veränderungen in den natürlichen und künstlichen Zeolithen werden folgende Anwendungen möglich:

bulletKatalytisches Cracken von Mineralölen in der Petro-Industrie,
bulletTrennung von n- und iso-Paraffinen,
bulletz.B. O2-Anreicherung aus der Luft,
bulletSelektive Trennung von Gasen in Luftzerlegungsanlagen und
bulletDer seit ca. 20 Jahren bekannte MTG Mobil-Prozess (methanol to gasoline), der die Fahrbenzin-Herstellung aus beliebig gewonnenem Methanol ermöglicht.

Eine wichtige Anwendung von Zeolithen wurde bis jetzt nicht erwähnt. Durch die Kombination der bereits genannten Eigenschaften und Anwendungen ist es seit einiger Zeit nicht nur möglich, vorhandene Stoffe selektiv zu trennen, sondern wie schon im MTG-Prozess an geklungen ist, bestimmte Stoffe gestaltselektiv darzustellen. Hierbei können nur Produkte, die die erwünschte Geometrie aufweisen den Reaktionsraum im Inneren der Zeolithe verlassen.

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5 Zusammenfassung

Wie nun erkennbar ist sind Zeolithe hochsymmetrische Minerale, die natürlich aus negativen Al- und positiven Si-Tetraedern aufgebaut sind und Kationen enthalten. Sie lassen sich verändern oder auch zu bestimmten Zwecken künstlich darstellen. Durch diese Veränderungen lassen sie sich für vielfältige Verwendungszwecke gewinnen, wie die Katalyse, den Ionenaustausch oder die Trennung von Stoffen in verschiedenen Aggregatzuständen. Zeolithe sind also heutzutage für Industrie und Haushalt immens wichtig und lassen sich nur schwer ersetzen.

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6 Versuch

Eine alkoholhaltige Lösung von Phenolphthalein (farblos) wird mit einem beliebigen Zeolith versetzt (am besten ein Ionentauscher-Granulat). Die Lösung verfärbt sich rot-violett => Die Lösung reagiert alkalisch!

Das Zeolith hat eine Ionentauscherfunktion; deshalb werden hier die im Zeolith koordinierten Kationen durch Protonen ausgetauscht. Das Zeolith reagiert hier als Base, was durch den Farbumschlag des Phenolphthalein angezeigt wird.

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7 Literatur

  1. Riedel, Anorganische Chemie, 5. Auflage, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin 2002.

  2. http://www.arnold-chemie.de - 20.10.06

  3. www.chemgeo.uni-hd.de/AC/huttner/heinze/katja/kombichem/kombichem8_zeolithe.pdf - 20.10.06

  4. http://www.zeolithe.de.vu/ - 20.10.06

  5. www.professional-care.de/pool/files/Eltra_40_Oekozertifikat.pdf - 20.10.06

  6. http://www.iza-structure.org/databases/Catalog/Faujasite.pdf  - 20.12.06

  7. http://www.iza-structure.org/databases/Catalog/Pentasils.pdf - 20.12.06

  8. http://www.iza-structure.org/databases/Catalog/decasile.pdf - 20.12.06

  9. http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/strukturchemie_4_2.html - 04.01.07

  10. http://www.axel-schunk.de/experiment/edm0106.html - 08.01.07

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