Zeolite

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 cationi Na o K sono in grado di scambiare specie ioniche quali Ca e Mg. Le zeoliti possono scambiare i metalli 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. La disidratazione può avvenire per riscaldamento sottovuoto in quanto le zeoliti contengono molecole di acqua coordinata a ioni della struttura, quindi sono dei buoni agenti essiccanti.

Le zeoliti sono dei tectoalluminosilicati con strutture cristalline costituite da tetraedri TO4 (T = specie tetraedrica, Si, Al, P, etc.), i cui atomi di ossigeno sono condivisi con i tetraedri adiacenti; infatti, tali unità tetraedriche [SiO4] e [AlO4] 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. 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: - selettive per i reagenti 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 . - selettive per i prodotti quando avviene la reazione catalizzata dalle zeoliti, molto spesso si viene a formare solamente un enantiomero 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 stessa resa del processo. 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 tendenzialmente acido 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 di setacci molecolari con un'elevata selettività rispetto alla silice o al carbone attivo.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'azione catalitica: le molecole entrano in questi pori selettivamente e subiscono ad esempio le reazioni di cracking e di isomerizzazione. Inoltre il tipo di catione presente all'interno della struttura zeolitica influenza la cinetica di scambio ionico.