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ZEOLITHE

ZEOLITHE. Ein Vortrag von Julia Kisling, Andreas Haltermann, Pia Tewes. Historisches. 1756 entdeckte der schwedische Mineraloge Axel Fredrick von Cronstedt eine Gruppe von Silicat-Mineralen, die sich durch eine besondere Eigenschaft hervorhoben:

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ZEOLITHE

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Presentation Transcript

  1. ZEOLITHE Ein Vortrag vonJulia Kisling, Andreas Haltermann, Pia Tewes

  2. Historisches 1756 entdeckte der schwedische Mineraloge Axel Fredrick von Cronstedt eine Gruppe von Silicat-Mineralen, die sich durch eine besondere Eigenschaft hervorhoben: Sie verlieren Wasser wenn sie erhitzt werden, scheinen zu sieden und schmelzen schließlich zu einer weißen Glasperle

  3. Definition zeo (griechisch = ich siede) lithos (griechisch = Stein) = Siedestein

  4. Steckbrief Farbe: weiß, gelb, braun, rosa Strichfarbe : weiß Härte (Mohs) : 3,5-5,5 Kristallsysteme : monoklin, kubisch, orthorhombisch Dichte : 2,0-2,5g/cm³

  5. Chemische Elemente in Zeolithen Allgemeine Formel: Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y] . cH2O (Ca,Na,K ,Ba,Sr,Mg,Cs ,Li )a[AlaSib-aO2b] ·c H2O • Der Teil der Formel in den eckigen Klammern repräsentiert die Gitteratome, der Teil in den runden Klammern die austauschbaren Kationen, der Rest nach dem Punkt die Wassermoleküle. Die Variablen a, b und c hängen von der Zusammensetzung der Zeolithe ab. • Bei den Gitteratomen, die die AlO4- und SiO4-Tetraeder des Kristallgitters bilden, können bei natürlichen Zeolithen Aluminium und Silizium teilweise oder ganz durch Phosphor, Beryllium und Zink ersetzt sein. Ungebundene Sauerstoff-Atome an den Tetraedern des Kristallgitters können durch (OH)-Moleküle oder Fluor-Atome ersetzt sein.

  6. Natürliche Vorkommen Nahezu in allen Vulkangebieten der Erde Bsp.: Dekkan Gebiet Indiens, Island, Eifel  Basalt-Hohlräume  Sedimentgesteine

  7. Bildung Entsprechend ihres Löslichkeitsproduktes kristallisieren die Ionen bei Abkühlung aus der Lösung aus abhängig von: ph-Wert, Temperatur, Zusammensetzung der Minerallösung

  8. NaCa4[Al9Si27O7]·30 H2O (Stilbit) Ca4[Al8Si16O48]·16 H2O (Laumontit) Bsp. : Lahn Dill-Stilbit und Laumontit

  9. Übersicht • Terrestrisch abgelagerte vulkanische Asche und Tuffe • Vulkanische See-Sedimente • Lavaergüsse • Hydrothermal geprägte Basalte • Terrestrische heiße Quellen • Hydrothermale Erzgänge • Pegmatite • Kontaktmetamorphosen • Metamorphe Sedimente • Alpine Klüfte • Submarine heiße Quellen • Tiefsee-Sedimente

  10. Die Zeolithfazies

  11. Die metamorphe Fazies ist ein Bereich bestimmter Druck- und Temperaturwerte bei der Metamorphose von Gesteinen. Aus den verschiedenen metamorphen Fazies gehen jeweils unterschiedliche Metamorphite mit charakteristischen Mineralgesellschaften hervor. Die Zeolithfazies repräsentiert die P-T-Bedingungen der niedrigstgradigen Gesteinsmetamorphose

  12. Struktur Zeolithe sind aus Kationen und Anionen aufgebaute Salze Besonderheit Kationen - einzelne Teilchen Anionen – gitterartige, weit ausgedehnte Alumosilikat-Strukturen  komplexe Gerüststruktur mit Poren und Kanälen

  13. Der Grundbaustein Das einfachste Anion ist das tetraedrisch gebaute Monosilicat-Ion (SiO4) 4-

  14. Die Ringstrukturen Die ((SiO4)4-)-Tetraeder sind über gemeinsame O-Atome verknüpft

  15. Die Gerüststruktur Bei Gerüstsilikaten gehört jedes Sauerstoffion gleichzeitig zwei benachbarten Tetraedern an.  dreidimensionale Netzwerkstrukturen. Für weitere Gerüstsilikate wird Si4+ durch Al3+ ersetzt Alumosilikate Ladungsausgleich:  Einlagerung von Kationen

  16. Verschiede Erscheinungsformen des Habitus: Stilbit aus Indien Blätterzeolith Faserzeolith Würfelzeolith Chabasit aus der Slowakei Natrolith aus Polen

  17. Poren und Kanäle • Durch die Ringbildung des Grundbausteines (Al,Si)O4entstehen im Zeolith-Kristallgitter Hohlräume. Die einfachste Form ist hierbei ein Kanal • Teile des Zeolith-Kristallgitters enthalten nicht geschlossene Hohlräume, sogenannte Käfige

  18. In wasserhaltigen Zeolithen liegen häufig Kationen in gelöster Form in den Kanälen vor.

  19. Eigenschaften • regelmäßige Anordnung von Hohlräumen und Kanälen große innere Oberfläche • Anionische Gerüstladung durch Aluminiumatome Kationen an innerer und äußerer Oberfläche • In wasserhaltigen Zeolithen liegen diese Kationen häufig in gelöster Form in den Kanälen vor  leichte Modifizierung  spezifische Ionenaustausch-, Adsorptions- und Hydratationsfähigkeit

  20. Synthetische Zeolithe Synthetische Zeolithe werden aus stark alkalischen, wässrigen Lösungen von Silicium- und Aluminiumverbindungen hergestellt

  21. Bsp : ZSM-5Zeolite Socony Mobil - besonderes strukturelles Merkmal sind fünfgliedriges Ringe, deren Anordnung zu einer Gitterstruktur mit zehngliedrigen Ringen führt. - geradlinige Kanäle mit Durchmesser von 5.1 Å x 5.6 Å senkrecht zu zickzackförmig verlaufenden Kanälen mit einem Durchmesser 5.4 Å x 5.6 Å

  22. Industrielle Verwendung Drei wichtige Anwendungen : (1)Ionentauscher z.B. Säuberung von Industrie– abwässern, Wasserenthärtung (2)Trocknen z.B. von verflüssigtem Erdgas (für den Transport) (3) „Molekulares Sieb“ z.B. Trennung von Molekülen bzgl. Ihrer Größe

  23. Ionentauscher Verbindungen mit Gerüststruktur, deren Gerüst Ionenladung trägt. In den Hohlräumen befinden sich neben Wasser die beweglichen Gegenionen

  24. Synthese von Zeolithen Bsp. 1:Hydrothermal-Verfahren : Si(OH) 4 + Na[Al(OH)4] → Na[AlSiO4] + 4H2O Die Reaktion läuft unter hohem Druck und hoher Temperatur ab, wodurch die Kondensationsprozesse der Kieselsäure begünstigt werden.  Nachbildung der geologischen Situation der Gesteins/Kristallbildung

  25. Bsp1:Hydrothermal-Verfahren (1) Halterung (2) Impfkristall (3) Autoklav (Stahlbehälter) (4) wässrige, gesättigte Lösung (5)Ausgangsverbindungen Rohmaterial

  26. Bsp.2:Templatsynthese Bei dieser Art der Synthese verwendet man große Kationen , um die sich das Gerüst des Zeolithen aufbaut. Durch Variation der (organischen) Substituenten kann die Größe der Zeolithporen gezielt gesteuert werden. Das Kation dient somit als Schablone (= engl. template).

  27. Zeolith-artige Materialien anderer chemischer Zusammensetzung Bsp.1:Eis

  28. Bsp.2:Aktivkohle Entstehung Erhitzung von organischen Materialien (Holz, Torf) unter Luftausschluss im Beisein von Phosphorsäure oder Zinkchlorid  Porenbildung Verwendung Wegen ihrer großen Oberfläche kann Aktivkohle andere Stoffe physikalisch adsorbieren  Entfernung von Verunreinigungen aus Lösungen  Filtermaterial in Gasmasken

  29. Quellenangaben • Charles E. Mortimer; Chemie, 8. Aufl., Thieme • http://www.mineralienatlas.de • http://www.old.unibayreuth.de/departments/ didaktikchemie/umat/ zeolithe/zeolithe.htm ; 19.05.2008, 23:43Uhr • Okrusch Matthes; Mineralogie, 7. Aufl., Springer • Walter Schuhmann; Steine und Mineralien-Führer, 7. Aufl., BLV • Skript zur Vorlesung „Allgemeine Chemie“; Prof. R. Fischer, RUB, 2005 • http://www.chemgapedia.de • http://www.Arnold-Chemie.de

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