Lezeoliti (dalgrecoζέω, "bollire" eλίθος, "pietra" per il motivo che se le zeoliti vengono riscaldate si rigonfiano[1]) sono alluminosilicati, sottoclasse deitectosilicati, e costituiscono una famiglia diminerali con unastruttura cristallina molto aperta e canali interconnessi.
Sonoalluminosilicati con impalcatura tectosilicatica con ioniNa, Ca, K e molecole di H2O in quantità variabile in ampie cavità strutturali.[2]
La parola zeolite fu coniata nel 1756 dal mineralogista svedeseAxel Fredrik Cronstedt, che osservò il liberarsi divapore acqueo dovuto all'acqua intrappolata nelle cavità scaldando uno di questi minerali, che si rigonfia e sembra bollire.
In natura esistono 46 tipi di zeoliti di origine diversa.
Le zeoliti sono dei tectoalluminosilicati con strutturecristalline costituite da tetraedri TO4 (T = specie tetraedrica, Si, Al, P, ecc.), i cuiatomi di ossigeno sono condivisi con i tetraedri adiacenti; infatti, tali unità tetraedriche [SiO4]4- e [AlO4]5- condividono gli ossigeni in modo da formare ponti non-lineari.
Si può immaginare la struttura zeolitica come un insieme di tetraedri SiO4 e AlO4 che si legano tra di loro, secondo forme geometriche semplici, che si uniscono a formare unità complesse quali catene, anelli o gabbie di bassa energia potenziale[3]. Proprio perché hanno strutture cristalline geometriche molto regolari, le zeoliti sono spesso utilizzate come catalizzatori data la loro selettività, infatti possono essere selettive nei seguenti modi:
ovvero solamente alcuni reagenti possono essere catalizzati dalle zeoliti in quanto la precisa geometria del sito attivo implica proprio un'alta selettività oppure, vi sono molecole che sono invece stericamente impedite nell'accesso del sito attivo.
quando avviene la reazione catalizzata dalle zeoliti, molto spesso si viene a formare solamente unenantiomero del prodotto (enantioselettività), il che le rende molto utili anche nel settore farmaceutico dove ad esempio nella produzione di farmaci si richiede la sola produzione della molecola enantiomericamente attiva (enantiomero D o L) evitando così la produzione di molecole non attive, o peggio addirittura nocive in taluni casi, in modo da aumentare anche la stessaresa del processo.[senza fonte]
Come detto in precedenza essendo costituite da un insieme di tetraedri di SiO4 e AlO4 legati tra di loro, possiamo anche affermare che queste strutture hanno un carattere tendenzialmenteacido e le stesse zeoliti possono essere rese ancora più acide attraverso la sostituzione in esse con alcuni gruppi atomici come gli alogeni (F, Cl, Br in genere).
Una classe importante di zeoliti possiede una struttura a gabbia.
Dato che le gabbie possiedono simmetria cristallina, le zeoliti rappresentano una classe disetacci molecolari con un'elevata selettività rispetto allasilice o alcarbone attivo.[4]
All'interno delle strutture si formano varie cavità che possono essere riempite da acqua.
Il minerale può perdere H2O con l'esposizione all'aria, per riscaldamento o tramite sostituzione con metalli presenti.
La dimensione dei pori è importante, in quanto ad essi è legata l'azionecatalitica: le molecole entrano in questi pori selettivamente e subiscono ad esempio le reazioni dicracking e diisomerizzazione. Inoltre il tipo di catione presente all'interno della struttura zeolitica influenza la cinetica di scambio ionico.
Le proprietà zeolitiche sono la capacità di scambio cationico, la disidratazione reversibile e la porosità strutturale.
Lo scambio cationico è un processo chimico-fisico consistente nello scambio del catione contenuto all'interno della struttura cristallina con ioni presenti in soluzione che possiedono dimensioni e proprietà elettrostatiche compatibili con la struttura entro la quale vanno ad inserirsi. Ad esempio zeoliti naturali contenenti cationisodio (Na+) opotassio (K+) sono in grado di scambiare specie ioniche qualicalcio (Ca2+) emagnesio (Mg2+).
Le zeoliti possono scambiare imetalli siti nei loro canali con altri metalli; ad esempio se una zeolite di sodio viene immersa in una soluzione concentrata di ioni potassio tale zeolite diverrà una zeolite di potassio.
Ladisidratazione può avvenire per riscaldamento sottovuoto in quanto le zeoliti contengono molecole di acqua coordinata a ioni della struttura, quindi sono dei buoni agenti essiccanti.
Esistono numerose zeoliti naturali e di sintesi, di cui molte hanno proprietà utili in diversi settori come l'industria petrolchimica, l'edilizia, l'agricoltura e lazootecnia.[5]
Industria
Le zeoliti sono noticatalizzatori, in quanto possiedono un'elevata area superficiale che permette di trattare una quantità di molecole 100 volte superiore rispetto ad un tradizionale catalizzatoreamorfo. Inoltre possono agire come setacci molecolari grazie alla loro selettività.
Agiscono da setacci molecolari in diversi campi come nellaraffineria e nell'industria petrolchimica, neigas industriali e nellefornaci, dove vengono impiegate per essiccare, purificare e separare sostanze chimiche da trattare.
Questi minerali sono sfruttati anche per la desalinizzazione delleacque di mare, sintetizzando una miscela di zeoliti con ioniargento (Ag+) ebario (Ba2+) che consentono di addolcire le acque.
Importante è l'utilizzo della Zeolite-A addizionata con Na+ neidetergenti, perlavatrice elavastoviglie. Questo processo permette lo scambio Na+-Ca2+ per contrastare leacque dure.
Edilizia
Le zeoliti assumono un ruolo significativo nella produzione dicartongesso, in quanto, assieme alle fibre dicellulosa tratte dallacarta riciclata e ai residui diargilla fibrosa conferiscono durezza superficiale al pannello digesso.
La loro presenza permette una rimozione, attraverso uno scambio ionico, dagli agenti contaminanti nella carta straccia.
Altre applicazioni prevedono il mescolamento di zeoliti conmalte per catturare componentiammoniacali e trattenere l'umidità, prolungando la malleabilità del prodotto.[6]
Agricoltura
La struttura microporosa delle zeoliti permette di assorbire o filtrare molecole liquide o gassose; infatti nei terreni assorbono acqua e la rilasciano lentamente evitando così, nei periodi caldi, un'eccessivaaridità del terreno.
Le zeoliti trattengono le sostanze nutritive evitando che quest'ultime vengano dilavate con lapioggia, un terreno ricco in zeoliti ha bisogno di un minor quantitativi diconcime.
Tali minerali fungono anche da correttori dipH e da stabilizzatori ditemperatura.[7]
Zootecnia
La capacità di scambio ionico permette di trattenere e neutralizzare molecole selettive comeammonio,metalli pesanti e diversesostanze organiche oltreché assorbire gas odorosi quali ammoniaca,acido solfidrico emercaptani, assieme agli odori provenienti dallebiomasse dellestalle. Per questo le zeoliti sono di grande utilità nell’allevamento e nel trattamento deireflui.
Di rilevante interesse zootecnico vi è la Chabasite che, grazie alla sua struttura, trattiene l’ammonio così da impedirne la trasformazione in ammoniaca limitandone quindi l’odore.
Recentemente le zeolite sono state addizionate ai mangimi dibovini,suini eavicoli per: aumentare la crescita dell’animale, ridurre gli odori e di conseguenza evitareinfezioni allevie respiratorie a causa dell’ammoniaca, combattere e ridurre lafragilità ossea, abbassare leaflatossine ed evitare casi dirabbia ecannibalismo.
In futuro seguiranno alcuni esperimenti svolti nel tentativo di studiare gli effetti della chabasite.
Si è osservato quanto riportato in tabella.
| Ulcera gastrica | Polmonite | Dilatazione cardiaca | Mortalità | |
|---|---|---|---|---|
| Mangime tradizionale | 77 casi | 128 casi | 6 casi | 4 individui |
| Mangime con 3% di Chabasite | 22 casi | 51 casi | 4 casi | 2 individui |
Il noto mineralogista svedeseAlex F. Cronstedt, conosciuto per aver scoperto ilnichel, nel 1756 descrive le particolari proprietà di un minerale proveniente dallaminiera dirame diSvappavari (Lapponia), identificate in piccole cavità di rocce di originevulcanica.
Egli osserva che se posto su un letto diborace riscaldato ad alcune centinaia digradi centigradi, questo minerale sembra bollire; infatti se sottoposte all’azione delcalore, perdono acqua rigonfiandosi vistosamente. Per questa particolare proprietà, non rilevata in altri minerali conosciuti, Cronstedt conia il termine zeolite (dal greco zein=bollire e lithos=pietra).
Nel 1963 Joseph V. Smith propone la prima definizione di Zeolite come "un alluminosilicato con impalcaturatetraedrica tridimensionale aperta, le cui cavità possono ospitarecationi extra-impalcatura e molecole d'acqua, dotati di elevata mobilità che ne determina le caratteristiche proprietà di scambioionico e di disidratazione reversibile”, ampliata poi con "Una zeolite è una sostanza cristallina con struttura caratterizzata da un'impalcatura di tetraedri uniti tra loro, dove ciascun tetraedro è formato da quattroossigeni disposti attorno a un catione. Il framework comprende cavità aperte sotto forma di gabbie e canali. Queste cavità sono solitamente occupate da molecole di acqua e da cationi extra-framework scambiabili. I canali sono sufficientemente grandi da permettere il passaggio di specie ospiti. Nelle fasi idrate, la disidratazione interviene a temperature normalmente inferiori ai 400 °C ed è un processo reversibile. Il framework può essere interrotto da gruppi (OH, F); questi occupano un vertice di un tetraedro del framework che non è condiviso con i tetraedri adiacenti".
Anticamente le zeoliti naturali venivano utilizzate come scambiatori di ioni, disidratanti esetacci molecolari. Tuttavia per questi scopi vengono prodotte zeoliti sintetiche, più performanti, pertanto le zeoliti naturali vengono attualmente usate solo per scopi scientifici ocollezionistici.
L'uso della zeolite come additivo alimentare è stato autorizzato in Giappone sin dal 1996, dove si è visto che l'aggiunta di zeolite comportava un maggiore valore nutritivo degli alimenti e minori disturbi digestivi.
Dal 1998 ad oggi si sono registrati una quarantina di brevetti utilizzati in campo medico.
La zeolite fu utilizzata anche ad Hiroshima e Nagasaki, in seguito a Chernobyl, per aiutare le persone colpite da radiazioni. In tempi più recenti è stata utilizzata per ripulire il mare dalle radiazioni.
Oggigiorno le zeoliti hanno diversi impieghi nell'edilizia, nell'agricoltura, nella depurazione deireflui e nell'assorbimento di micro e macro-molecole, grazie alle loro proprietà quali: ritenzione idrica, resistenza meccanica, permeabilità, densità.[9][10]
Le zeoliti sintetiche vengono generalmente sintetizzate lavorando ad alte pressioni con l'ausilio di autoclavi, pur essendo talvolta ottenibili anche a pressione atmosferica. Ad esempio è possibile effettuarne una sintesi scaldando in autoclave a 100-200 °C una soluzione di idrossido di tetrapropilammonio, che fa da templante, con silice colloidale.[11]
Lepermutiti sono una classe di zeoliti sintetiche ottenute generalmente fondendo miscele di quarzo, caolino e soda; è possibile ricavarne varietà di composizione differente, che possiedono un migliore potere di scambio e hanno proprietà fisiche diverse rispetto alle zeoliti naturali.
Il gruppo delle zeoliti è una serie di gruppi di minerali con la struttura delle zeoliti,[12][13] ed è suddiviso in sottogruppi; alcuni minerali (contrassegnati da*), pur essendo assegnati a un sottogruppo, non ne fanno ancora ufficialmente parte e sono in attesa di una conferma definitiva da parte dell'IMA.[14]
Altri progetti
Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sullazeolite
| Controllo di autorità | Thesaurus BNCF5711 ·LCCN(EN) sh85149750 ·GND(DE) 4067660-2 ·J9U(EN, HE) 987007534243405171 ·NDL(EN, JA) 00563784 |
|---|
Portale Mineralogia: accedi alle voci di Wikipedia che trattano di mineralogia