Zeolithe - komplex und wichtig

Hinter dem exotisch klingenden Namen „Zeolithe“ verbergen sich viele natürliche Mineralien sowie auch zahlreiche synthetische Stoffe. Zeolithe spielen eine wichtige Rolle und werden in verschiedenen Bereichen verwendet, so beispielsweise finden wir sie unter den Inhaltsstoffen von Waschmitteln (Abb. 1a).

                                   Abb. 1 Zeolithe a) Anwendungsbeispiel, b) Strukturbeispiel

Gruppe der Zeolithe

Die Gruppe der Zeolithe umfasst wasserhaltige Gerüstsilikate mit einer komplexen chemischen Zusammensetzung, die sich durch eine besonders offene Kristallstruktur auszeichnen. Ihre Grundbausteine bilden (Si, Al)O4-Tetraeder, bei denen die Aluminium- und Silizium-Atome untereinander durch Sauerstoffatome verbunden sind. Dabei entstehen Vierer- Sechser- und Achter-Ringe, was beispielsweise in Abb. 1b gezeigt ist.

Der Ladungsaustausch erfolgt durch ein- und zweiwertige Kationen. Ein dreidimensionales Gitter aus diesen Tetraedern umschließt offene Hohlräume (vgl. Abb. 1b), die Wassermoleküle oder andere Elemente wie Kalium, Calcium oder Natrium aufnehmen können. Diese Hohlräume sind durch Kanäle verbunden, die sich über die gesamte Länge der Kristalle erstrecken und an den Kristallflächen offen sind.

Ionenaustauschfähigkeit

In den Kanälen können sich Ionen zwischen den Hohlräumen bewegen. Auf diese Weise lassen sich Ionen einfangen oder austauschen. Dies geschieht zum Teil selektiv, da die Größe der Hohlräume von Zeolith zu Zeolith variiert. Damit stellt diese besondere Zeolithstruktur ein natürliches Sieb dar, was sie technisch hochinteressant macht. Die Wirkung von Zeolithen als Molekularsiebe ermöglicht z. B. die zuverlässige Trennung von Komponenten unterschiedlicher Struktur mit sich überschneidenden Siedepunkten oder von azeotropen Gemischen.

Die Ionenaustauschfähigkeit der Zeolithe beruht auf der schwachen Bindung von Ionen an das Zeolithgerüst, was ein leichtes Austauschen gegen andere Ionen möglich macht. So werden Zeolithe in großem Maßstab als Wasserenthärter eingesetzt, weil sie in hartem Wasser ihre Natriumionen gegen Calciumionen austauschen können.

Wirkung als Katalysatoren

Bedingt durch die strukturellen Hohlräume besitzen Zeolithe eine große spezifische Oberfläche, was sie als gute Katalysatoren in Stoffwandlungsprozessen, z. B. Erdölraffination in der Petrolchemie, einsetzen lässt. Zeolithe gehören zu den wichtigsten Katalysatoren der chemischen Industrie; dabei bedenken wir, dass etwa 90 % aller chemischen Erzeugnisse mithilfe von katalysierten Reaktionen hergestellt werden. Also auch mithilfe von Zeolithen, was ihre große technische Bedeutung ermessen kann.

                Abb. 2 Lapislazuli a) Eine Schale und mikroskopische Bestandteile, b) Lasurit

Natürliche und synthetische Zeolithe

Natürliche Zeolithe entstehen weltweit bei der Alterung vulkanischer Gesteine. Sie kommen in zahlreichen Modifikationen vor, es sind etwa 60 Zeolith-Minerale bekannt. Unterscheidung der Zeolithe untereinander ist nur mittels Röntgendiffraktometrie möglich.

Der häufigste natürliche Zeolith ist das Mineral Natrolith. Vielleicht der schönste ist der wohl gut bekannte und relativ seltene Lapislazuli (Abb. 2a). Der Hauptbestandteil von Lapislazuli ist Lasurit (Abb. 2b), der selber deutlich erkennbare Kristalle bildet (vgl. Abb. 2b-klein) und für die schöne blaue Farbe verantwortlich ist. Daneben enthält Lapislazuli noch Pyrit und Calcit (vgl. Abb. 2a-klein) und meist noch andere Bestandteile.

Lapislazuli wird meist glatt geschliffen und poliert, um seine kräftige Farbe mit Flecken aus weißem Calcit und messinggelben Pyrit bestmöglich zur Geltung bringen. Dies lässt sich auch gut bei der abgebildeten kleinen Schale erkennen. Jahrhunderte lang wurde das Farbpigment Ultramarinblau aus pulverisiertem Lasurit bzw. Lapislazuli gewonnen.

Mehr als 150 verschiedene synthetische Zeolithtypen sind bis heute hergestellt worden. Diese für bestimmte Ionen optimierte Zeolithe haben die natürlichen weitgehend aus dem technischen Bereich verdrängt.

Übrigens: Der Name Zeolith stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie „kochender (siedender) Stein“. Er bezieht sich auf das lebhafte Aufbrausen (Sieden) des Minerals beim Erhitzen, da dabei gebundenes Wasser freigesetzt wird. Der Begriff „Zeolith“ wurde 1756 vom schwedischen Mineralogen Baron Axel Fredrick von Cronstedt geprägt.<<

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