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Zeolithe

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Zeolithe

Zeolithe kommen an den meisten Orten der Welt vor. Bisher wurden 60 verschiedene Zeolithe entdeckt, die sich sowohl in ihrer chemischen Zusammensetzung, als auch in ihrer Farbe und dem Kristallsystem unterscheiden. In der Industrie finden sie vielseitige Verwendung.

Zeolithe gehören der Gruppe der kristallinen Alumosilikaten an. Sie werden auch als Vulkanmineralien bezeichnet. Bei Zeolithe handelt es sich allgemein gesagt um Mineralien. Aufgebaut sind Zeolithe aus Silizium und Aluminium. Zeolithe kommen in der Natur vor, können aber auch synthetisch hergestellt werden.

Zeolithe Beispiel natürlicher Zeolith StudySmarterAbbildung 1: Natrolith – ein natürliches ZeolithQuelle: keinsteins-kiste.ch

Zeolith Eigenschaften

EigenschaftBeschreibung
Chemische Zusammensetzungvariabel
MineralklasseSilikate
Kristallsystemmonoklin, kubisch, orthorhombisch, trigonal, hexagonal, tetragonal, triklin
FarbeReine Zeolithe: weiß oder farblossonst rosa, braun, gelb
Strichfarbeweiß
Glanzglasartig
Transparenzdurchsichtig, durchscheinend – undurchsichtig
beim Bruchspröde, muschelig
Dichte2,0 - 2,5 g cm 3

Zeolithe – Struktur

Die allgemeine Formel der Zeolithe lautet M x / n [ ( AlO 2 ) x ( SiO 2 ) y ] · z H 2 O .

Innerhalb der eckigen Klammer wird das Kristallgitter beschrieben, das Du im Verlauf des Artikels näher kennenlernen wirst.

Alle Mineralien, also auch Zeolithe, sind Salze. Sie setzen sich aus Kationen (positiv geladene Ionen) und Anionen (negativ geladene Ionen) zusammen. Dabei sind die Metallkationen, zum Beispiel Na+, welches in der Formel mit einem "M" dargestellt ist, einzelne Teilchen. Die dazugehörigen Anionen sind jedoch gitterartig angeordnete Teilchen aus Silizium, Aluminium und Sauerstoff. Diese Struktur wird Aluminosilikat-Struktur bezeichnet.

Zeolith A

Das Zeolith A gehört zu den meistverwendeten synthetisch hergestellten Zeolithen. In der folgenden Abbildung ist dessen schematischer Aufbau anhand eines Polyedermodells dargestellt:

Zeolithe Aufbau des Zeoliths A StudySmarterAbbildung 2: Aufbau des Zeoliths AQuelle: arnold-chemie.de

Die realistischen Gittermodelle des Zeoliths A findest Du in der Strukturdatenbank der IZA (International Zeolithe Association).

Beim Aufbau ist zu beachten, dass jede gerade Kante eigentlich eine gewinkelte Sauerstoffbrücke (-O-) darstellt. Zudem sitzen an den Ecken die Aluminium- beziehungsweise Siliziumatome. In der Mitte siehst Du einen Hohlraum. Alle anderen Teile sind geschlossen gezeichnet, denn diese sind für gewöhnlich zu klein und deshalb auch meist nicht zugänglich.

Es wird zudem nach der Porungsart unterschieden: Je nachdem, wie die Struktur aufgebaut ist, sind die Poren mit ein- oder zweidimensionalen, geradlinigen oder zickzackförmigen Kanalsystemen verbunden.

Die Kationen sitzen dabei in den Öffnungen der Poren. Dadurch wird ihnen eine Bewegungsfreiheit ermöglicht: Sie können von einer Pore in die nächste wandern oder sogar das Gitter komplett verlassen. Durch diese Vorgehensweise können Kationen auch verhältnismäßig leicht ausgetauscht werden und zudem können sich in den Poren neutrale Moleküle anreichern.

Das Anion stellt dabei das gesamte Kristallgitter eines Zeoliths dar. Somit ist dieses Gitter ein "Riesen-Anion", welches tausendfach negativ geladen ist.

In der Chemie versteht man unter "Anreicherung" die Aufkonzentrierung von Stoffen durch chemische oder physische Verfahren (beispielsweise durch die Aufbereitung, Extraktion oder Destillation).

Das Zeolith-Gitter genauer erklärt

Zeolithe Tetraeder als Primärbaustein der Zeolith-Grundstruktur StudySmarterAbbildung 3: Tetraeder als Primärbaustein der Zeolith-Grundstruktur

In der obigen Abbildung siehst Du den Grundaufbau eines Tetraeders. Dieser Körper bildet die Grundbausteine der Zeolith-Gerüststruktur. Sie werden auch als Primärbausteine bezeichnet. Dabei besteht der Tetraeder aus vier Sauerstoffatomen (hier blau eingefärbt). Diese befinden sich jeweils an den Ecken des Tetraeders. Im Zentrum liegt das Silizium- bzw. Aluminiumatom (hier pink eingefärbt). Zeolithe gehören somit der Gruppe der Gerüstsilikate an.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass das Zeolith-Gitter aus einander überlappenden Sauerstoff-Tetraedern mit jeweils einem Silizium- bzw. Aluminiumatom im Zentrum besteht.

Einfluss der Struktur auf die Eigenschaften

Insbesondere zwei Parameter beschreiben die Eigenschaften eines Zeoliths als Adsorbtionsmittel:

  • Form der Pore
  • Größe der Pore

Aus räumlichen Gründen können große Poren auch große Moleküle aufnehmen. Daher kommt auch der "Siebeffekt", der auch als Molekularsieb bezeichnet wird. Kleine Poren dagegen können die kleinen Teilchen, die sie aufnehmen können, fester binden als große Poren. Das kommt daher, dass aus allen Seiten Bindungskräfte wirken.

Aber auch die Gerüststruktur ist kennzeichnend für die Eigenschaften von Zeolithen.

Zeolithe Aufbau des Zeoliths A StudySmarterAbbildung 2: Aufbau des Zeoliths AQuelle: arnold-chemie.deZeolithe Aufbau des Zeoliths X StudySmarterAbbildung 4: Aufbau des Zeoliths XQuelle: arnold-chemie.de

Bei der A-Struktur wird eine Pore von acht SiO 4 - bzw . AlO 4 - Tetraedern umfasst. Bei dem Zeolith X jedoch handelt es sich um jeweils 12Tetraeder. Daraus kann geschlossen werden, dass die Porengröße bei der X-Struktur größer ist, als bei der A-Struktur.

Zeolithe – Ursprung

Herleitung des Namens

Bereits im Jahr 1756 erfand der schwedische Mineraloge und Chemiker Baron Axel Fredrick Cronstedt (1722–1765) einen Namen für eine Mineraliengruppe, die bei starkem Erhitzen zu brodeln beginnen, als würden sie sieden. Dabei wird gebundenes Wasser freigesetzt. Aus dieser Eigenschaft ergab sich der altgriechische Name Zeolithe, was "siedende Steine" bedeutet.

Zeolithe Baron Axel F. Cronstedt Urpsrung StudySmarterAbbildung 5: Baron Axel F. CronstedtQuelle: wikipedia.org

Industrielle Verwendung der Zeolithe

Zeolithe fanden seit Mitte der 1950er-Jahre in der Industrie Verwendung als Adsorptionsmittel und als Ionentauscher. Die Union Carbide Corporation (ein US-amerikanisches Chemieunternehmen) verwendete 1959 erstmals Y-Zeolithe als Bestandteil eines Katalysators.

Gewinnung von natürlichen Zeolithen

Natürlich vorkommende Zeolithe stammen aus Mineralien, die aus Magma entstanden sind. Häufiger sind natürliche Zeolithe jedoch als Sekundärmineralien zu finden, das bedeutet, sie gehen aus anderen Mineralien hervor. Das geschieht beispielsweise durch die hydrothermale und/oder kontaktmetamorphobe Umwandlung. Die Zeolithe als Sekundärmineralien finden sich aber auch um Thermalquellen. Vorkommen von Zeolithen finden sich beispielsweise in Irland, Schottland, Österreich, Italien oder auch am Ettringer Bellerberg in Deutschland.

In natürlichem Zeolith finden sich die Siliziummineralien Klinoptilolith oder Heulandit. Diese Zeolithe weisen aber auch andere Mineralien und Spurenelemente auf.

Natürliche Zeolithe im Überblick

  • Bellbergi
  • Laumontit
  • Stilbit
  • Amicit
  • Gismondin
  • Skolezit
  • Pollucit

und viele weitere.

Herstellung von synthetischen Zeolithen

Künstlich hergestellte Zeolithe werden aus anorganischen Vorläufern gewonnen. Zu den Vorläufern gehören Kieselgel, Aluminiumoxid, Soda und andere Salze, die unter hydrothermale Bedingungen auskristallisiert sind. Die synthetische Herstellung leitet sich ein wenig von dem natürlichen Vorkommen ab – zum Teil kommen bei der künstlichen Herstellung auch Sekundärrohstoffe wie Flugasche in Verwendung, damit der Preis der Zeolithe gering ist.

Unter hydrothermale Bedingungen versteht man einen Stoff, der sich in wässriger Lösung bei Hitze und gegebenenfalls Unterdruck befindet.

Synthetische Zeolithe im Überblick

  • Zeolith A
  • Zeolith X
  • Zeolith Y
  • ZSM-5
  • Erionit
  • Faujasit
  • Ferrierit
  • Laumonit

und viele weitere

Natürliche und synthetische Zeolithe im Vergleich

Zeolithe finden sich sowohl als natürlich vorkommende Mineralien, als auch als vollsynthetische. Bei letzterem werden also, mit Hilfe der Technik, künstliche Zeolithe gewonnen. In der Mineralogie gehören Zeolithe natürlichen Ursprungs der Zeolith-Gruppe an.

Natürliche und künstlich hergestellte Zeolithe sind teilweise sehr unterschiedlich chemisch zusammengesetzt und haben damit hergehend auch verschiedene Eigenschaften – als Adsorptionsmittel oder als Ionenaustauscher. Die Eigenschaften hängen auch von der Fundstelle ab, jedoch variieren sie teilweise sogar innerhalb einer selben Lagerstätte.

Für die modernen industriellen Anwendungen (beispielsweise für die Katalyse) muss sehr auf das genaue Einstellen und die Konstanz der gewünschten Eigenschaften geachtet werden. Demzufolge werden in der Technik fast nur noch vollsynthetisch hergestellte Zeolithe verwendet, die im Vergleich zu den Natürlichen teurer sind.

Natürliche und künstliche Zeolithe teilen sich jedoch eine Eigenschaft: ihre Gitter weisen mehr oder weniger große Hohlräume auf.

Mehr als 150 unterschiedliche Zeolithtypen wurden von Chemikern synthetisiert hergestellt. Es sind 60 Zeolithtypen bekannt, die dagegen ein natürliches Vorkommen aufweisen.

Zeolithe – Verwendung

Verwendung von Zeolithen als Katalysator

Zu den wichtigsten Katalysatoren der chemischen Industrie-Prozesse gehören die Zeolithe. Die Katalyse findet dabei in den Poren des Zeolithgitters statt. Dabei stellt entweder das Zeolith selbst den sauren Katalysator dar, oder eingebrachte Metallpartikel stellen das Zentrum dar, welche dann die Aufgabe eines Katalysators übernehmen. In der chemischen Industrie werden Zeolithe beispielsweise für das katalytische Cracken von Kohlenwasserstoffen verwendet.

Wirkung von Zeolith auf den menschlichen Körper

Die medizinische Wirkung von Zeolith ist wissenschaftlich nicht bewiesen. Einige Studien konnten jedoch bisher zeigen, dass Zeolithe Eigenschaften aufweisen, die sich positiv auf den menschlichen Organismus auswirken können. Zeolithe sollen antibakteriell, antiviral, entgiftend und antioxidativ wirken. Zudem sollen sie auch im Menschen als Katalysator dienen.

Zeolithe stellen beispielsweise eine natürliche Methode dar, um die Darmgesundheit aufrechtzuerhalten.

Verwendung von Zeolithen als Wärmespeicher

Verwendet werden die Zeolithe auch in Wärmespeicherübungsheizungen. Zeolithe haben die Eigenschaft, die Wärme vollkommen ohne Verluste zu speichern, ohne aber selbst warm zu werden. Somit verliert dieses Kristallit auch keine Energie.

Die schwammartige Struktur bewirkt ebenfalls eine Wärmespeicherung. Diese Struktur ist besonders wasseranziehend. Wenn sich dabei Wasserdampf in den Poren der Zeolithe anlagert, wird Bindungsenergie freigesetzt. Dadurch erwärmen sich die Mikrokristalle. Durch zugeführte Wärme kann das gebundene Wasser wieder verdampfen. Somit wird der Speicher wieder aufgeladen. Je trockener das Zeolith dabei ist, desto mehr Energie konnte darin gespeichert werden.

Zeolithe können bis zu 270 Kilowattstunden an Wärmeenergie pro Kubikmeter speichern. Das entspricht fast fünfmal so viel, wie ein Tank mit warmem Wasser speichern kann. Aus diesem Grund wird die Nutzung als mobiler Wärmespeicher derzeit in Hamm erforscht.

Zum Vergleich: Mit einer Kilowattstunde kannst Du beispielsweise ein Mittagessen für vier Personen auf einem elektronischen Herd kochen, 133 Scheiben Brot toasten oder 70 Tassen Kaffee kochen.

Verwendung von Zeolithen als Waschmittelzusatzstoff

Zeolithe haben die Eigenschaft, Wasser zu enthärten. Das liegt daran, dass die Natrium-Ionen in den Hohlräumen von Wasser umhüllt sind. Dadurch werden diese leicht beweglich. In dem Wasser, das Du für das Wäschewaschen benutzt, finden sich auch Ionen auf – genauer Calcium- (Ca2+) und Carbonat- (CO32-) Ionen. Zusammen bilden diese die typischen Kalkbeläge.

Kommen jedoch Zeolithe ins Spiel, wandern die Calcium-Ionen in die Hohlräume des Zeolith-Gitters. Die Natrium-Ionen werden dabei aus dem Zeolith weggedrängt. Es werden also dabei Natrium- gegen Calcium-Ionen getauscht. Somit ersetzen sie zudem den Einsatz von Phosphaten in Waschmitteln.

Das Zeolith A, dass Du zu Beginn des Artikels kennengelernt hast, kommt wegen der eben erklärten Eigenschaft unter anderem in Waschmitteln zum Einsatz.

Zeolithe Anwendung Waschpulver Zeolith A StudySmarterAbbildung 6: Das Zeolith A als WaschpulverQuelle: daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de

Zeolithe - Das Wichtigste

  • Zeolithe gehören der Gruppe der kristallinen Alumosilikaten an.
  • Ein Tetraeder bildet die Grundbausteine der Zeolith-Gerüststruktur.
    • Es besteht aus vier Sauerstoffatomen, die sich jeweils an den Ecken des Tetraeders befinden.
    • Im Zentrum liegt das Silizium- bzw. Aluminiumatom.
    • Zeolithe gehören somit der Gruppe der Gerüstsilikate an.
  • Der altgriechische Name Zeolithe bedeutet soviel wie "siedende Steine".
  • Natürlich vorkommende Zeolithe stammen aus Mineralien, die aus Magma entstanden sind.
    • Häufiger sind natürliche Zeolithe jedoch als Sekundärmineralien zu finden.
  • Künstlich hergestellte Zeolithe werden aus anorganischen Vorläufern gewonnen.
    • Zum Teil kommen bei der künstlichen Herstellung auch Sekundärrohstoffe wie Flugasche in Verwendung.
  • Zeolithe können als Katalysator, Wärmespeicher und Wasserenthärter eingesetzt werden.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Zeolithe

Die Wirkung von Zeolith ist nicht wissenschaftlich bewiesen. Einige Studien haben aber gezeigt, dass Zeolithe Eigenschaften aufweisen, die sich positiv auf den menschlichen Organismus auswirken können. Zeolithe sollen antiviral, antibakteriell, antioxidativ sowie entgiftend und als Katalysator wirken.

Zeolithe stellen beispielswiese eine natürliche Methode dar, um die Darmgesundheit aufrecht zu erhalten.  

Zeolithe gehören der Gruppe der kristallinen Alumosilikaten an. Sie werden auch als Vulkanmineralien bezeichnet. Aufgebaut sind Zeolithe aus Silizium und Aluminium. Zeolithe haben ein natürliches Vorkommen, können aber auch synthetisch hergestellt werden. Bei Zeolithe handelt es sich allgemein gesagt um Mineralien.

Natürliche Zeolithe bestehen meistens aus den Siliziummineralien Klinoptilolith oder Heulandit. Sie enthalten aber auch andere Mineralien und Spurenelemente.  

Finales Zeolithe Quiz

Frage

Fülle die Lücken:


Zeolithe gehören der Gruppe der kristallinen 1) ... an. Sie werden auch als 2) ... bezeichnet. Aufgebaut sind Zeolithe aus 3) ... und Aluminium. Zeolithe haben ein natürliches Vorkommen, können aber auch synthetisch hergestellt werden. Bei Zeolithe handelt es sich allgemein gesagt um 4) ....

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Antwort

1) Alumosilikaten 

2) Vulkanmineralien 

3) Silizium 

4) Mineralien 

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Frage

Eigenschaften von Zeolithen

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Antwort

Stichfarbe: weiß

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Frage

Richtig oder Falsch


Die allgemeine Formel der Zeolithe lautet .


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Antwort

Richtig

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Frage

Zeolithe setzen sich aus 1) ... (positiv geladene Ionen) und 2) ... (negativ geladene Ionen) zusammen. 


Die 3) ... sind gitterartig und weit ausgedehnte Teile aus Silizium, 4) ... und Sauerstoff. Diese Struktur wird 5) ...  bezeichnet. 

Antwort anzeigen

Antwort

1) Kationen 

2) Anionen 

3) Anionen 

4) Aluminium 

5) Aluminosilikat-Struktur 

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Frage

Erkläre den Aufbau der Zeolithe anhand der Abbildung. Wo sind die Sauerstoffbrücken, die Kationen und die Anionen?




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Antwort

  • Jede gerade Kante ist eine gewinkelte Sauerstoffbrücke (-O-).
  • Die Kationen sitzen in den Öffnungen der Poren.
  • Das Anion stellt dabei das gesamte Kristallgitter eines Zeoliths dar. Somit ist dieses Gitter in "Riesen-Anion".
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Frage

Erkläre anhand der Abbildung den Aufbau eines Zeolith-Gitters genauer.



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Antwort

In der Abbildung man einen Grundaufbau eines Tetraeders. Dieser Körper bildet die Grundbausteine der Zeolith-Gerüststruktur. Dabei besteht der Tetraeder aus vier Sauerstoffatomen. Diese befinden sich jeweils an den Ecken des Tetraeders. Im Zentrum liegt das Silizium- bzw. Aluminiumatom. Zeolithe gehören somit der Gruppe der Gerüstsilikate an. 

Frage anzeigen

Frage

Vergleiche die Porungsart der beiden Abbildungen miteinander.


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Antwort

Bei der A-Struktur wird eine Pore von acht umfasst. Bei dem Zeolith X jedoch handelt es sich um jeweils 12Tetraeder. Daraus kann man schließen, dass die Porengröße bei der X-Struktur größer ist, als bei der A-Struktur.

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Frage

Fülle die Lücken.


Im Jahr 1756 erfand der 1) ... Mineraloge und Chemiker Baron Axel Fredrick Cronstedt (1722 - 1765) einen Namen für eine 2) ..., die bei starkem erhitzen zu brodeln beginnen, als würden sie 3) .... Dabei wird gebundenes Wasser freigesetzt. Aus dieser Eigenschaft ergab sich der altgriechische Name Zeolithe - was soviel wie "4) ... ... " bedeutet.

Antwort anzeigen

Antwort

1) schwedische 

2) Mineraliengruppe 

3) sieden 

4) siedende Steine 

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Frage

Zeolithe fanden seit Mitte der 1950er Jahre in der Industrie Verwendung als ...  und als ... .

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Antwort

Adsorbtionsmittel

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Frage

Wie werden natürliche Zeolithe gewonnen?

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Antwort

Natürlich vorkommende Zeolithe stammen aus Mineralien, die aus Magma entstanden sind. Häufiger sind natürliche Zeolithe jedoch als Sekundärmineralien zu finden, das bedeutet sie gehen aus anderen Mineralien hervor. Die Zeolithe als Sekundärmineralien finden sich aber auch um Thermalquellen. 

Frage anzeigen

Frage

Wie werden künstliche Zeolithe hergestellt?

Antwort anzeigen

Antwort

Künstlich hergestellte Zeolithe werden aus anorganischen Vorläufern gewonnen. Zu den Vorläufern gehören Kieselgel, Aluminiumoxid, Soda und andere Salze, die unter hydrothermale Bedingungen auskristallisiert sind. Zum Teil kommen bei der künstlichen Herstellung auch Sekundärrohstoffe wie Flugasche in Verwendung, damit der Preis der Zeolithe gering ist.

Frage anzeigen

Frage

Wie wirken sich Zeolithe auf den menschlichen Körper aus?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Wirkung von Zeolith ist nicht wissenschaftlich bewiesen. Zeolithe sollen antibakteriell, antiviral, entgiftend und antioxidativ wirken. Zudem sollen sie auch im Menschen als Katalysator dienen. Zeolithe stellen beispielsweise eine natürliche Methode dar, um die Darmgesundheit aufrecht zu erhalten.

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Frage

Wieso werden Zeolithe als Waschmittelzusatzstoff verwendet? Erkläre die Funktionsweise.

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Antwort

Zeolithe haben die Eigenschaft, Wasser zu enthärten. Das liegt daran, dass die Natrium-Ionen in den Hohlräumen von Wasser umhüllt sind. Dadurch werden diese leicht beweglich. In dem Wasser finden sich auch Ionen - genauer Calcium-  und Carbonat-Ionen. Zusammen bilden diese die typischen Kalkbeläge.


Kommen jedoch Zeolithe ins Spiel, "wandern" die Calcium-Ionen in die Hohlräume des Zeolith-Gitters. Die Natrium-Ionen werden dabei aus dem Zeolith weggedrängt. Es werden also dabei Natrium- gegen Calcium-Ionen getauscht.

Frage anzeigen

Frage

Zeolithe haben die Eigenschaft Wärme vollkommen ohne Verluste zu speichern, ohne aber selbst warm zu werden.

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Antwort

Richtig

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