Zeolithe

Zeolịthe

 

[zu griechisch zeĩn »kochen«, »wallen« und líthos »Stein«], Singular Zeolịth der, -s und -en, Gruppe meist farbloser oder weißer, seltener durch Beimengungen schwach gefärbter Alumosilikatminerale mit der allgemeinen chemischen Zusammensetzung (M^I₂, M^II)O · Al₂O₃ · nSiO₂ · mH₂O (M^I sind Alkali-, M^II Erdalkaliionen); sie gehören zu den Gerüst- oder Tektosilikaten (Silikate); Härte nach Mohs 3-5, geringe Dichte. Die Kristalle sind besonders als Zwillinge oder Viellinge ausgebildet. Zeolithe kommen v. a. einzeln aufgewachsen oder als Aggregate in Hohlräumen (Mandeln, Drusen) von jungvulkanischen Gesteinen (v. a. Basalte und Phonolithe) vor, auch in ihren Tuffen, seltener auf Klüften und Drusen von Tiefengesteinen oder in hydrothermalen Erzgängen, außerdem rezent in bestimmten Thermen. - Nach der Kristallform unterscheidet man die überwiegend pseudotetragonalen Faser-, die pseudohexagonalen Blätter- und die kubischen oder pseudokub. Würfelzeolithe; die Übergänge sind jedoch fließend.

 

Zu den Faserzeolithen gehören die Minerale der Natrolithgruppe (Natrolith, Mesolith, Skolezit und der rhombische Thomsonit, NaCa₂[Al₅Si₅O₂₀] · 6 H₂O), Laumontit und der rhombische Mordenit mit der Formel (Ca, K₂, Na₂) [AlSi₅O₁₂]₂ · 6 H₂O.

 

Die Blätterzeolithe besitzen oft vollkommene Spaltbarkeit. Wichtigste Vertreter der Heulandit-Stilbit-Gruppe sind Heulandit und Desmin. Eine weitere Gruppe umfasst Phillipsit, Harmotom und den monoklinen, meist kugelige oder garbenförmige Aggregate bildenden Gismondin, Ca[Al₂Si₂O₈] · 4 H₂O.

 

Der häufigste Würfelzeolith ist der Chabasit; überwiegen Natrium und Kalium statt Calcium, heißt er Herschelit. Linsenförmige Zwillingsformen werden Phakolith, natriumreicher Chabasit wird Seebachit genannt. Zu dieser Gruppe gehören auch der hexagonale Gmelinit, (Na₂, Ca) [Al₂Si₄O₁₂] · 6 H₂O, und der trigonale Levyn, Ca[Al₂Si₄O₁₂] · 6 H₂O. Besonders wasserreich sind die beiden kubischen Minerale Faujasit, Na₂Ca [Al₂Si₄O₁₂] · 16 H₂O, und Paulingit, (K, Ca, Na)₂[Al₃Si₁₁O₂₈] · 12 H₂O.

 

Die Zeolithe haben trotz unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und Gitterstruktur mehrere gemeinsame Eigenschaften. So sind die Kristallgitter von Kanälen und Hohlräumen durchzogen. Das hierin unter natürlichen Bedingungen enthaltene Wasser (Zeolithwasser, Kristallwasser) wird bei langsamem Erhitzen stufenweise und reversibel abgegeben (Verwendung als Trockenmittel); Gleiches gilt für andere enthaltene Moleküle wie z. B. Ammoniak, Schwefelwasserstoff. Bei sehr schnellem Erhitzen schäumen die Zeolithe auf, sie »sieden«. Die die Tetraeder verbindenden Kationen sind gegen andere Alkali- und Erdalkaliionen leicht austauschbar, sodass die Zeolithe als Ionenaustauscher (»natürliche Permutite«) wirken.

 

Zunehmende technische Bedeutung haben seit dem Zweiten Weltkrieg synthetische Zeolithe erlangt. Für technische Zwecke wichtige Eigenschaften sind die von der Oberfläche ausgehenden starken Adsorptionskräfte für polare Stoffe (z. B. Wasser), das einheitliche Porensystem mit Porenöffnungen von weniger als 1 nm und die Fähigkeit zum Ionenaustausch. In Zeolithen bilden SiO₄- und AlO₄-Tetraeder Kubooktaeder oder andere Struktureinheiten. Durch Verknüpfung der quadratischen Kubooktaederflächen über Würfel entsteht die Struktur von Zeolith A, durch Verknüpfung der Sechseckflächen über hexagonale Prismen die der Zeolithe X und Y, die mit dem natürlich vorkommenden Mineral Faujasit identisch sind. Der wichtigste Zeolith mit einem Fünfringpolyeder als Strukturelement (Gruppe der »Pentasile«) hat die Bezeichnung ZSM-5. Aus unterschiedlichen Kristallstrukturen, Verhältnissen zwischen Silicium- und Aluminiumatomen sowie Kationen für den Ladungsausgleich resultieren Zeolithe mit unterschiedlichen Porenöffnungen und Eigenschaften, z. B. Typ X (SiO₂ /Al₂O₃ = 2—3; Porenöffnung: 0,74 nm), Typ A (SiO₂ /Al₂O₃ = 2; Porenöffnung mit K⁺-Ionen: 0,3 nm, mit Ca²⁺-Ionen: 0,5 nm). Zeolithe finden u. a. Anwendung als Molekularsiebe, zum Trocknen von Gasen (z. B. Luft zwischen Isolierglasscheiben, Erdgas vor der Verflüssigung), zur Gasreinigung (z. B. Entfernung von Kohlendioxid aus Brenngasen zur Erhöhung des Brennwertes), als Katalysatoren (z. B. Cracken) und als Builder in Waschmitteln.