Zeolithe
Charakteristika und Struktur
Kationenaustausch
Die Gerüstsilikate, zu welchen die Zeolithe gehören, bilden räumliche Gitter aus SiO4-Tetraedern, wobei alle Sauerstoffatome gleichzeitig zwei Tetraeder angehören. Da jedoch die Si4+-Ionen in den Tetraedern stets zu einem Teil durch Al3+ ersetzt werden (Alumosilikate), treten freie negative Wertigkeiten auf, die durch ein- und zweiwertige Kationen ausgeglichen werden.
Eine charakteristische Eigenschaft bei einer Mehrzahl der Zeolithe, d.h. wasserhaltige Alumosilikate mit einer porösen Struktur, ist die Leichtigkeit, mit der ein Austausch zwischen den relativ locker gebundenen Kationen, welche die negative Ladung des Gerüstes ausgleichen, und den Kationen in der umgebenden wässrigen Kontaktlösung stattfindet. Die wesentlichen Kationen sind Na+, K+ und Ca2+, seltener auch Mg2+, Ba2+, Li+, Cs2+, Sr2+ und Mn2+.
Gewisse Kationen in der Lösung können die in den Hohlräumen innerhalb des Gerüstes der Zeolithe liegenden Kationen ohne Störung ihrer Struktur verdrängen. Diese Eigenschaft wird in der praktischen Verwendung künstlich hergestellter Zeolithe (Permutite) zur Wasserenthärtung genutzt.
Zeolithwasser
Die Kristallgitter der Zeolithe bestehen aus Gerüsten von Alumo-Silizium-Sauerstoff-Tetraedern, die sich von den anderen Typen der Gerüstgitter dadurch unterscheiden, dass die Hohlräume in ihnen aus breiteren Kanälen bestehen. Diese offene, jedoch feste Kristallstruktur enthält schwach gebundene Wassermoleküle. Werden die Zeolithe vorsichtig erhitzt (150 bis 400 °C), entfernt sich das Wasser allmählich, ohne dass die Kristallstruktur gestört wird. In den Entwässerungskurven der Zeolithe treten keine Knicke auf, wie dies bei Hydraten der Fall ist.
Das entfernte Wasser kann umgekehrt wieder bis zum früheren Wasservolumen adsorbiert oder durch Moleküle anderer Stoffe (Ethanol, Ammoniak etc.) ersetzt werden, wobei die Kristallsubtanz ihre Homogenität beibehält.
Molekularsiebe
Als Molekularsieb bezeichnet man natürliche und synthetische Zeolithe, welche ein starkes Adsorptionsvermögen für Gase, Dämpfe und gelöste Stoffe mit bestimmten Molekülgrößen haben.
Zeolithe sind Alumosilikat-Mitglieder aus der Familie der mikroporösen Festkörper, welche als Molekularsiebe bekannt sind. Sie bestehen aus einem Alumosilikat–Gerüst, kommen natürlich als Mineralien in der Natur vor oder werden synthetisiert.
Die Struktur der Molekularsiebe weist ein regelmäßiges, definiertes Porensystem auf. Die Molekularsiebe weisen eine große innere Oberfläche (600–700 m²/g) auf und haben einheitliche Porendurchmesser, die in der Größenordnung der Durchmesser von Molekülen liegen.
Die maximale Größe der molekularen oder ionischen Spezies (Gastmolekül), welche in die Poren eines Zeoliths eindringen kann, wird durch die Dimension der Kanäle bestimmt. Diese Kanäle werden konventionell durch die Ringgröße der Öffnung definiert, wobei zum Beispiel der Begriff "8-Ring" eine geschlossene Schleife bezeichnet, welche aus 8 tetraedrisch koordinierten Silizium- (oder Aluminium)-Atomen und 8 Sauerstoffatomen besteht. Diese Ringe sind wegen verschiedener Effekte nicht immer perfekt symmetrisch; u.a. durch die Spannung, welche durch die Bindung zwischen den Einheiten erzeugt wird, welche benötigt werden, um die Struktur herzustellen; aber auch durch die Koordination einiger Sauerstoffatome der Ringe mit den Kationen innerhalb der Struktur. Aus diesem Grunde sind die Poren in vielen Zeolithe nicht zylindrisch.
Durch eine geeignete Wahl des Molekularsiebes ist es möglich, Moleküle verschiedener Größen zu trennen.
Der Begriff Molekularsieb bezieht sich auf eine bestimmte Eigenschaft dieser Materialien, nämlich die Fähigkeit (basierend auf einem Ausschlussprozess nach Größen), Moleküle selektiv auszuscheiden. Das ist möglich durch eine sehr regelmäßige Porenstruktur in molekularen Dimensionen.
Mit Molekularsieben können Gase und Lösungsmittel dynamisch getrocknet, Gemische von geradkettigen und verzweigten Alkanen getrennt oder Wasser enthärtet werden. Molekularsiebe, die Stickstoff aufnehmen, wirken in medizinischen Sauerstoffkonzentratoren über Druckwechsel-Adsorption.
Handelsüblich sind Molekularsiebe in gepulverter, Stäbchen- oder Perlform. Die gängigsten Porenweiten sind 3 Å, 4 Å, 5 Å und 10 Å.
Ein Vorteil der Molekularsiebe ist, dass sie fast beliebig oft durch Erhitzen auf 350–400 °C regeneriert werden können. Dabei muss auf ein langsames Erwärmen geachtet werden, da das Molekularsieb ansonsten zu schnell altert oder vollständig zerstört wird. Je nach dem wie stark der Stoff am Molekularsieb gebunden ist, muss die höchste Temperatur während des Trocknungsprozesses angepasst werden.
Molekularsiebe können auch auf andere Weise regeneriert werden. Befindet es sich zum Beispiel im Gleichgewicht mit der äußeren Stoffkonzentration und wird diese gesenkt, beispielsweise durch Reduktion des Druckes, dampfen die adsorbierten Moleküle wieder ab, bis sich ein neues Gleichgewicht eingestellt.
(Auszugsweise zitiert aus Wikipedia)
Strukturtyp
Wie bereits oben beschrieben, bilden Gerüstsilikate, zu welchen die Zeolithe gehören, räumliche Gitter aus SiO4-Tetraedern, wobei alle Sauerstoffatome gleichzeitig zwei Tetraedern angehören.
Vereinfacht gesagt, ist der einfachste Grundbaustein der Zeolithe ein tetraederfömiges Molekül. Die vier Ecken sind jeweils mit einem Sauerstoffatom besetzt.
Aus diesem Grundbaustein setzen sich nun die Zeolithstrukturen zusammen. Dabei verbinden sich mehrere Moleküle über die Ecken zu 4er-, 6er- und 8er-Ringen.
Die dabei frei bleibenden Sauerstoffatome werden für die weiteren Strukturtypen benötigt.
Die Gruppe der Zeolithe besteht aus sehr vielen verschiedenen Strukturtypen. Sie können nach den unterschiedlichen Tunnelsystemen eingeteilt werden in Faser-, Blätter- und Würfelzeolithe.
Faserzeolithe
- Zeolithe mit eindimensionalen Kanälen
- eindimensionale Struktursystem (eine Richtung)
- langgezogene Ketten aus 4er-Ringen in verschiedenen Kombinationen verknüpft
- Die Faserzeolithe sind pseudotetragonal. Zu den wichtigsten Vertretern gehören Natrolith, Laumontit, Thomsonit und Skolezit.
Blätterzeolithe
- Zeolithe mit zweidimenensionalen Kanalsystemen
- flächiges Struktursystem (zwei Richtungen)
- vermischte Kombinationen aus 4er-, 6er- und 8er-Ringen
- Die Blätterzeolithe haben einen lamellaren Habitus. Zu den wichtigsten Vertretern gehören Heulandit und Stilbit.
Würfelzeolithe
- Zeolithe mit dreidimensionalen Kanalsystemen
- räumliches Struktursystem (drei Richtungen)
- vermischte Kombinationen aus 4er-, 6er- und 8er-Ringen
- Würfelzeolithe kristallisieren kubisch oder pseudokubisch. Zu den wichtigsten Vertretern gehören Chabasit, Analcim, Phillipsit und Harmotom
Zeolith - Strukturtypen (nach Strunz-ID)
Framework Typ: NAT
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Framework Typ: THO
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Framework Typ: EDI
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Framework Typ: ANA
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Framework Typ: LAU
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Framework Typ: YUG
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Framework Typ: -RON
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Framework Typ: GOO
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Framework Typ: MON
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Framework Typ: -PAR
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Framework Typ: GIS
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Framework Typ: PHI
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Framework Typ: MER
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Framework Typ: MAZ
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Framework Typ: LTL
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Framework Typ: BOG
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Strunz 9 Classification
9.GC.35 |
Paulingite-Ca |
(Ca,K,Na,Ba,☐)10(Si,Al)42O84·34H2O |
kubisch |
Im3m |
m3m |
Paulingite-K |
(K,Ca,Na,Ba,☐)10(Si,Al)42O84·34H2O |
kubisch |
Im3m |
m3m |
Framework Typ: PAU
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Framework Typ: GME
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Framework Typ: CHA
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Framework Typ: LEV
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Strunz 9 Classification
9.GD.20 |
Bellbergite |
(K,Ba,Sr)2Sr2Ca2(Ca,Na)4(Si,Al)36O72·30H2O |
hexagonal |
P63mc, P62c, P63/mmc |
6mm, 6m2, 6/mmm |
Erionite-Ca |
Ca5(Si,Al)36O72·28H2O |
hexagonal |
P63/mmc |
6/mmm |
Erionite-K |
K10(Si,Al)36O72·28H2O |
hexagonal |
P63/mmc |
6/mmm |
Erionite-Na |
Na10(Si,Al)36O72·28H2O |
hexagonal |
P63/mmc |
6/mmm |
Framework Typ: EAB
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Framework Typ: OFF
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Strunz 9 Classification
9.GD.30 Faujasit-Gruppe |
Faujasite-Ca |
(Ca,Na,Mg)5(Si,Al)12O24·15H2O |
kubisch |
Fd3m |
m3m |
Faujasite-Mg |
(Mg,Na,K,Ca)5(Si,Al)12O24·15H2O |
kubisch |
Fd3m |
m3m |
Faujasite-Na |
(Na,Ca,Mg)5(Si,Al)12O24·15H2O |
kubisch |
Fd3m |
m3m |
Framework Typ: FAU
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Framework Typ: MOR
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Framework Typ: DAC
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Framework Typ: EPI
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Framework Typ: FER
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Framework Typ: BIK
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Strunz 9 Classification
9.GE.05 Heulandit-Gruppe |
Heulandite-Ca |
(Ca,Na,K)5(Si27Al9)O72·26H2O |
monoklin |
C2/m |
2/m |
Heulandite-K |
(K,Ca,Na)5(Si27Al9)O72·24H2O |
monoklin |
C2/m, Cm, C2 |
2/m, m, 2 |
Heulandite-Na |
(Na,Ca)6(Si,Al)36O72·24H2O |
monoklin |
C2/m, Cm, C2 |
2/m, m, 2 |
Heulandite-Sr |
(Sr,Na,K)5(Si27Al9)O72·24H2O |
monoklin |
C2, , |
2, m, 2 |
Clinoptilolite-Ca |
Ca3(Si30Al6)O72·20H2O |
monoklin |
C2/m, , |
2/m, 2, m |
Clinoptilolite-K |
K6(Si30Al6)O72·20H2O |
monoklin |
C2/m |
2/m |
Clinoptilolite-Na |
Na6(Si30Al6)O72·20H2O |
monoklin |
C2/m, , |
2/m, 2, m |
Heulandite-Ba |
(Ba,Ca,K,Na,Sr)5(Si27Al9)O72·22H2O |
monoklin |
C2/m |
2/m |
Framework Typ: HEU
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Framework Typ: STI
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Framework Typ: BRE
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Framework Typ: TER
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Framework Typ: NES
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Framework Typ: LOV
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Framework Typ: VSV
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Framework Typ: BEA
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Framework Typ: MFI
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Strunz 9 Classification
9.GF.40 Tschörtnerit-Gruppe |
Tschörtnerite |
Ca4(K,Ca,Sr,Ba)3Cu3Al12Si12O48(OH)8·20H2O |
kubisch |
Fm3m |
m3m |
Framework Typ: TSC
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Framework Typ: Thornasit
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Framework Typ: EON
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Framework Typ: Cowlesit
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Keine Daten
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No Data
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Framework Typ: Mountainit
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Physikalisch-optisch-chemische Eigenschaften
Weitere Charakteristika der Zeolithe (wasserhaltige Alumosilikate) gegenüber wasserfreien Alumosilikaten sind die geringere Dichte, geringere Härte, kleinere Brechungsindizes und leichtere Säurezersetzlichkeit.
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