Zeolithe - Anorganische Chemie, AK Röhr, Freiburg
Zeolithe - Anorganische Chemie, AK Röhr, Freiburg
Zeolithe - Anorganische Chemie, AK Röhr, Freiburg
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Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
(altgriechisch: ζǫon = zeon = siedend + λιθoσ = lithos = Stein)<br />
Caroline <strong>Röhr</strong>, Institut für <strong>Anorganische</strong> und Analytische <strong>Chemie</strong>, Universität <strong>Freiburg</strong><br />
Schülertage April 2013
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
Strukturen<br />
Synthese<br />
Verwendung<br />
Zusammenfassung<br />
Literatur
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
Einleitung<br />
Strukturen<br />
Synthese<br />
Verwendung<br />
Zusammenfassung<br />
Literatur
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
Gerüstalumosilicate: Struktur ←→ Eigenschaft (Beispiel Ca[Al 2 Si 2 O 8 ])
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
Gerüstalumosilicate: Struktur ←→ Eigenschaft (Beispiel Ca[Al 2 Si 2 O 8 ])<br />
◮ Siedesteine: z.B. Ca-Feldspat (Anorthit) Ca[Al 2Si 2O 8]
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
Gerüstalumosilicate: Struktur ←→ Eigenschaft (Beispiel Ca[Al 2 Si 2 O 8 ])<br />
◮ Siedesteine: z.B. Ca-Feldspat (Anorthit) Ca[Al 2Si 2O 8]<br />
◮ Siedende Steine: Zeo Lithos (griech.: Zeo = ich siede, Lithos = Stein) ↑<br />
◮ z.B. Gismondin Ca[Al 2Si 2O 8] · 5H 2O
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
Gerüstalumosilicate: Struktur ←→ Eigenschaft (Beispiel Ca[Al 2 Si 2 O 8 ])<br />
◮ Siedesteine: z.B. Ca-Feldspat (Anorthit) Ca[Al 2Si 2O 8]<br />
◮ Siedende Steine: Zeo Lithos (griech.: Zeo = ich siede, Lithos = Stein) ↑<br />
◮ z.B. Gismondin Ca[Al 2Si 2O 8] · 5H 2O
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
<strong>Chemie</strong><br />
I<br />
II<br />
III IV V VI VII VIII<br />
Periodensystem<br />
der Elemente<br />
H<br />
Li<br />
Be<br />
B<br />
C<br />
N<br />
O<br />
F<br />
He<br />
Ne<br />
Nicht−<br />
metalle<br />
Na<br />
Mg<br />
Al<br />
Si<br />
P<br />
S<br />
Cl<br />
Ar<br />
Metalle<br />
K<br />
Rb<br />
Ca<br />
...<br />
Ga<br />
Sr In<br />
Ge<br />
Sn<br />
As<br />
Sb<br />
Se<br />
Te<br />
Br<br />
I<br />
Kr<br />
Xe<br />
Cs Ba<br />
Tl<br />
Pb<br />
Bi
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
<strong>Chemie</strong><br />
I<br />
II<br />
III IV V VI VII VIII<br />
Periodensystem<br />
der Elemente<br />
H<br />
Li<br />
Be<br />
B<br />
C<br />
N<br />
O<br />
F<br />
He<br />
Ne<br />
Nicht−<br />
metalle<br />
Na<br />
Mg<br />
Al<br />
Si<br />
P<br />
S<br />
Cl<br />
Ar<br />
Metalle<br />
K<br />
Rb<br />
Ca<br />
...<br />
Ga<br />
Sr In<br />
Ge<br />
Sn<br />
As<br />
Sb<br />
Se<br />
Te<br />
Br<br />
I<br />
Kr<br />
Xe<br />
Cs Ba<br />
Tl<br />
Pb<br />
Bi<br />
Salze<br />
(ionische Bindung)<br />
Moleküle<br />
(kovalente Bindung)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
<strong>Chemie</strong><br />
I<br />
II<br />
III IV V VI VII VIII<br />
Periodensystem<br />
der Elemente<br />
H<br />
Li<br />
Be<br />
B<br />
C<br />
N<br />
O<br />
F<br />
He<br />
Ne<br />
Nicht−<br />
metalle<br />
Na<br />
Mg<br />
Al<br />
Si<br />
P<br />
S<br />
Cl<br />
Ar<br />
Metalle<br />
K<br />
Rb<br />
Ca<br />
...<br />
Ga<br />
Sr In<br />
Ge<br />
Sn<br />
As<br />
Sb<br />
Se<br />
Te<br />
Br<br />
I<br />
Kr<br />
Xe<br />
Cs Ba<br />
Tl<br />
Pb<br />
Bi<br />
Salze<br />
(ionische Bindung)<br />
einfaches Beispiel<br />
CaO (gebr. Kalk)<br />
2+ 2−<br />
Ca + O<br />
Moleküle<br />
(kovalente Bindung)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
<strong>Chemie</strong><br />
I<br />
II<br />
III IV V VI VII VIII<br />
Periodensystem<br />
der Elemente<br />
H<br />
Li<br />
Be<br />
B<br />
C<br />
N<br />
O<br />
F<br />
He<br />
Ne<br />
Nicht−<br />
metalle<br />
Na<br />
Mg<br />
Al<br />
Si<br />
P<br />
S<br />
Cl<br />
Ar<br />
Metalle<br />
K<br />
Rb<br />
Ca<br />
...<br />
Ga<br />
Sr In<br />
Ge<br />
Sn<br />
As<br />
Sb<br />
Se<br />
Te<br />
Br<br />
I<br />
Kr<br />
Xe<br />
Cs Ba<br />
Tl<br />
Pb<br />
Bi<br />
Salze<br />
(ionische Bindung)<br />
einfaches Beispiel<br />
CaO (gebr. Kalk)<br />
CO<br />
2+ 2−<br />
Ca + O<br />
Moleküle (Kohlenstoffdioxid)<br />
O C O<br />
(kovalente Bindung)<br />
2
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
<strong>Chemie</strong><br />
I<br />
II<br />
III IV V VI VII VIII<br />
Periodensystem<br />
der Elemente<br />
H<br />
Li<br />
Be<br />
B<br />
C<br />
N<br />
O<br />
F<br />
He<br />
Ne<br />
Nicht−<br />
metalle<br />
Na<br />
Mg<br />
Al<br />
Si<br />
P<br />
S<br />
Cl<br />
Ar<br />
Metalle<br />
K<br />
Rb<br />
Ca<br />
...<br />
Ga<br />
Sr In<br />
Ge<br />
Sn<br />
As<br />
Sb<br />
Se<br />
Te<br />
Br<br />
I<br />
Kr<br />
Xe<br />
Cs Ba<br />
Tl<br />
Pb<br />
Bi<br />
Salze<br />
(ionische Bindung)<br />
einfaches Beispiel<br />
CaO (gebr. Kalk)<br />
2+ 2−<br />
Ca + O<br />
SiO (Quarz)<br />
2<br />
Si 4+ + 2 O 2−<br />
CO<br />
Moleküle (Kohlenstoffdioxid)<br />
O C O<br />
(kovalente Bindung)<br />
2
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
<strong>Chemie</strong><br />
I<br />
II<br />
III IV V VI VII VIII<br />
Periodensystem<br />
der Elemente<br />
H<br />
Li<br />
Be<br />
B<br />
C<br />
N<br />
O<br />
F<br />
He<br />
Ne<br />
Nicht−<br />
metalle<br />
Na<br />
Mg<br />
Al<br />
Si<br />
P<br />
S<br />
Cl<br />
Ar<br />
Metalle<br />
K<br />
Rb<br />
Ca<br />
...<br />
Ga<br />
Sr In<br />
Ge<br />
Sn<br />
As<br />
Sb<br />
Se<br />
Te<br />
Br<br />
I<br />
Kr<br />
Xe<br />
Cs Ba<br />
Tl<br />
Pb<br />
Bi<br />
Salze<br />
(ionische Bindung)<br />
einfaches Beispiel<br />
CaO (gebr. Kalk)<br />
2+ 2−<br />
Ca + O<br />
SiO (Quarz)<br />
2<br />
Si 4+ + 2 O 2−<br />
CO<br />
Moleküle (Kohlenstoffdioxid)<br />
O C O<br />
(kovalente Bindung)<br />
2<br />
O<br />
Si<br />
O
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
<strong>Chemie</strong><br />
I<br />
II<br />
III IV V VI VII VIII<br />
Periodensystem<br />
der Elemente<br />
H<br />
Li<br />
Be<br />
B<br />
C<br />
N<br />
O<br />
F<br />
He<br />
Ne<br />
Nicht−<br />
metalle<br />
Na<br />
Mg<br />
Al<br />
Si<br />
P<br />
S<br />
Cl<br />
Ar<br />
Metalle<br />
K<br />
Rb<br />
Ca<br />
...<br />
Ga<br />
Sr In<br />
Ge<br />
Sn<br />
As<br />
Sb<br />
Se<br />
Te<br />
Br<br />
I<br />
Kr<br />
Xe<br />
Cs Ba<br />
Tl<br />
Pb<br />
Bi<br />
Salze<br />
(ionische Bindung)<br />
einfaches Beispiel<br />
CaO (gebr. Kalk)<br />
2+ 2−<br />
Ca + O<br />
SiO (Quarz)<br />
2<br />
Si 4+ + 2 O 2−<br />
CO<br />
Moleküle (Kohlenstoffdioxid)<br />
O C O<br />
(kovalente Bindung)<br />
2<br />
O<br />
Si<br />
O
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
<strong>Chemie</strong><br />
I<br />
II<br />
III IV V VI VII VIII<br />
Periodensystem<br />
der Elemente<br />
H<br />
Li<br />
Be<br />
B<br />
C<br />
N<br />
O<br />
F<br />
He<br />
Ne<br />
Nicht−<br />
metalle<br />
Na<br />
Mg<br />
Al<br />
Si<br />
P<br />
S<br />
Cl<br />
Ar<br />
Metalle<br />
K<br />
Rb<br />
Ca<br />
...<br />
Ga<br />
Sr In<br />
Ge<br />
Sn<br />
As<br />
Sb<br />
Se<br />
Te<br />
Br<br />
I<br />
Kr<br />
Xe<br />
Cs Ba<br />
Tl<br />
Pb<br />
Bi<br />
Salze<br />
(ionische Bindung)<br />
einfaches Beispiel<br />
CaO (gebr. Kalk)<br />
2+ 2−<br />
Ca + O<br />
SiO (Quarz)<br />
2<br />
Si 4+ + 2 O 2−<br />
CO<br />
Moleküle (Kohlenstoffdioxid)<br />
O C O<br />
(kovalente Bindung)<br />
2<br />
O<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
O<br />
SiO 4/2
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
<strong>Chemie</strong><br />
I<br />
II<br />
III IV V VI VII VIII<br />
Periodensystem<br />
der Elemente<br />
H<br />
Li<br />
Be<br />
B<br />
C<br />
N<br />
O<br />
F<br />
He<br />
Ne<br />
Nicht−<br />
metalle<br />
Na<br />
Mg<br />
Al<br />
Si<br />
P<br />
S<br />
Cl<br />
Ar<br />
Metalle<br />
K<br />
Rb<br />
Ca<br />
...<br />
Ga<br />
Sr In<br />
Ge<br />
Sn<br />
As<br />
Sb<br />
Se<br />
Te<br />
Br<br />
I<br />
Kr<br />
Xe<br />
Cs Ba<br />
Tl<br />
Pb<br />
Bi<br />
Salze<br />
(ionische Bindung)<br />
einfaches Beispiel<br />
CaO (gebr. Kalk)<br />
2+ 2−<br />
Ca + O<br />
SiO (Quarz)<br />
2 Ca[Al Si O ] 2 2 8<br />
Si 4+ + 2 O 2−<br />
2+ 3+ 4+ 2−<br />
Ca + 2 Al + 2 Si + 8 O<br />
CO<br />
Moleküle (Kohlenstoffdioxid)<br />
O C O<br />
(kovalente Bindung)<br />
2<br />
O<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
O<br />
SiO 4/2
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
<strong>Chemie</strong><br />
I<br />
II<br />
III IV V VI VII VIII<br />
Periodensystem<br />
der Elemente<br />
H<br />
Li<br />
Be<br />
B<br />
C<br />
N<br />
O<br />
F<br />
He<br />
Ne<br />
Nicht−<br />
metalle<br />
Na<br />
Mg<br />
Al<br />
Si<br />
P<br />
S<br />
Cl<br />
Ar<br />
Metalle<br />
K<br />
Rb<br />
Ca<br />
...<br />
Ga<br />
Sr In<br />
Ge<br />
Sn<br />
As<br />
Sb<br />
Se<br />
Te<br />
Br<br />
I<br />
Kr<br />
Xe<br />
Cs Ba<br />
Tl<br />
Pb<br />
Bi<br />
Salze<br />
(ionische Bindung)<br />
einfaches Beispiel<br />
CaO (gebr. Kalk)<br />
2+ 2−<br />
Ca + O<br />
SiO (Quarz)<br />
2 Ca[Al Si O ] 2 2 8<br />
Si 4+ + 2 O 2−<br />
2+ 3+ 4+ 2−<br />
Ca + 2 Al + 2 Si + 8 O<br />
CO<br />
Moleküle (Kohlenstoffdioxid)<br />
O C O<br />
(kovalente Bindung)<br />
2<br />
O<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
Si O<br />
O<br />
O<br />
O Si O O Si<br />
O<br />
O<br />
Al<br />
1/2 Ca 2+<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O<br />
SiO 4/2
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
<strong>Chemie</strong><br />
I<br />
II<br />
III IV V VI VII VIII<br />
Periodensystem<br />
der Elemente<br />
H<br />
Li<br />
Be<br />
B<br />
C<br />
N<br />
O<br />
F<br />
He<br />
Ne<br />
Nicht−<br />
metalle<br />
Na<br />
Mg<br />
Al<br />
Si<br />
P<br />
S<br />
Cl<br />
Ar<br />
Metalle<br />
K<br />
Rb<br />
Ca<br />
...<br />
Ga<br />
Sr In<br />
Ge<br />
Sn<br />
As<br />
Sb<br />
Se<br />
Te<br />
Br<br />
I<br />
Kr<br />
Xe<br />
Cs Ba<br />
Tl<br />
Pb<br />
Bi<br />
Salze<br />
(ionische Bindung)<br />
einfaches Beispiel<br />
CaO (gebr. Kalk)<br />
2+ 2−<br />
Ca + O<br />
SiO (Quarz)<br />
2 Ca[Al Si O ] 2 2 8<br />
Si 4+ + 2 O 2−<br />
2+ 3+ 4+ 2−<br />
Ca + 2 Al + 2 Si + 8 O<br />
CO<br />
Moleküle (Kohlenstoffdioxid)<br />
O C O<br />
(kovalente Bindung)<br />
2<br />
O<br />
O<br />
O Si<br />
O<br />
SiO 4/2<br />
Si O<br />
1/2 Ca 2+<br />
O<br />
O O<br />
O Si O O Si O Al O<br />
O<br />
O O<br />
Alumosilicate
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Einleitung<br />
Natürliche und synthetische <strong>Zeolithe</strong><br />
◮ ca. 200 verschiedene Strukturtypen, davon 40 bei natürlichen <strong>Zeolithe</strong>n<br />
Skolezit<br />
Chabazit<br />
synthetischer Chabazit<br />
(elektronenmikroskopische Aufnahme)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Einleitung<br />
Strukturen<br />
Synthese<br />
Verwendung<br />
Zusammenfassung<br />
Literatur
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Strukturen I: Bauprinzipien<br />
◮ [SiO 4/2 ]- bzw. [AlO 4/2 ]-Tetraeder (Primary Building Units)<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
O 2− 4+<br />
Si<br />
Si<br />
O<br />
O
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Strukturen I: Bauprinzipien<br />
◮ [SiO 4/2 ]- bzw. [AlO 4/2 ]-Tetraeder (Primary Building Units)<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
O 2− 4+<br />
Si<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
◮ Verknüpfung (über O-Ecken) zu kleineren Baugruppen (Secondary<br />
Building Units, SBU)<br />
4−4 6−6<br />
4 5 6<br />
D4R<br />
D6R
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Strukturen I: Bauprinzipien<br />
◮ [SiO 4/2 ]- bzw. [AlO 4/2 ]-Tetraeder (Primary Building Units)<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
O 2− 4+<br />
Si<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
◮ Verknüpfung (über O-Ecken) zu kleineren Baugruppen (Secondary<br />
Building Units, SBU)<br />
4−4 6−6<br />
4 5 6<br />
◮ Verknüpfung der SBUs zum 3D-Raumnetz ↦→ Gerüst/Tecto-Silicate<br />
◮ ↦→ Polyanion: [Al nSi mO 2(n+m) ] n− (vgl. Ca[Al 2Si 2O 8])<br />
◮ <strong>Zeolithe</strong>: Tectosilicate mit großen Kanälen und Käfigen, die für Gäste<br />
(Kationen, Wasser, organische Moleküle) zugänglich sind<br />
D4R<br />
D6R
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Nomenklatur und Klassifizierung<br />
◮ Nomenklatur: Dreibuchstaben-Code<br />
◮ LTA (Linde Typ A)<br />
◮ FAU (Faujasit, Zeolith X, Zeolith Y)<br />
◮ MFI (Mobil Five, ZSM-5, Zeolite Socony Mobile No. 5)<br />
◮ MOR (Mordenit)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Nomenklatur und Klassifizierung<br />
◮ Nomenklatur: Dreibuchstaben-Code<br />
◮ LTA (Linde Typ A)<br />
◮ FAU (Faujasit, Zeolith X, Zeolith Y)<br />
◮ MFI (Mobil Five, ZSM-5, Zeolite Socony Mobile No. 5)<br />
◮ MOR (Mordenit)<br />
◮ Klassifizierung: nach Dimensionalität der Kanalsysteme<br />
1. eindimensionale Kanäle (Faser-<strong>Zeolithe</strong>)<br />
2. zweidimensionale Kanalsysteme (lamellare <strong>Zeolithe</strong>)<br />
3. dreidimensionale Kanalsysteme (Würfelzeolithe, Pentasil)<br />
Natrolith: ein Faser-Zeolith Heulandit: ein lamellarer Zeolith Chabazit, ein Würfel-Z.
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Strukturen II: Würfelzeolithe<br />
◮ Verknüpfung der SBUs zu β-Käfigen in Würfelzeolithen<br />
•
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Würfelzeolith LTA (Linde Typ A)<br />
◮ wichtiger synthetischer Zeolith (2 · 10 6 t/a)<br />
◮ Struktur: Verknüpfung von β-Käfigen über quadratische Prismen (4-4,<br />
D4R) •
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Würfelzeolith LTA (Linde Typ A)<br />
◮ wichtiger synthetischer Zeolith (2 · 10 6 t/a)<br />
◮ Struktur: Verknüpfung von β-Käfigen über quadratische Prismen (4-4,<br />
D4R) •<br />
410 pm<br />
◮ Fenster: 8-Ringe, ⊘ = 410 pm ↦→ engporiger Zeolith
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Würfelzeolith Faujasit (Zeolith-X und -Y)<br />
◮ natürlich und synthetisch (100 000 t/a)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Würfelzeolith Faujasit (Zeolith-X und -Y)<br />
◮ natürlich und synthetisch (100 000 t/a)<br />
◮ Struktur: Verknüpfung von β-Käfigen über hexagonale Prismen (6-6, D6R)<br />
•
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Würfelzeolith Faujasit (Zeolith-X und -Y)<br />
◮ natürlich und synthetisch (100 000 t/a)<br />
◮ Struktur: Verknüpfung von β-Käfigen über hexagonale Prismen (6-6, D6R)<br />
•<br />
740 pm<br />
◮ Fenster: 12-Ringe, ⊘ = 740 pm ↦→ weitporiger Zeolith
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Strukturen III: Pentasile: Beispiel ZSM-5<br />
◮ wichtiger synthetischer Zeolith (3000 t/a)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Strukturen III: Pentasile: Beispiel ZSM-5<br />
◮ wichtiger synthetischer Zeolith (3000 t/a)<br />
◮ Struktur: 5-Ringe als SBUs •
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Strukturen<br />
Strukturen III: Pentasile: Beispiel ZSM-5<br />
◮ wichtiger synthetischer Zeolith (3000 t/a)<br />
◮ Struktur: 5-Ringe als SBUs •<br />
◮ lineare und Zick-Zack-Kanäle<br />
10-Ringe, ⊘ = 510 - 550 pm ↦→ mittelporiger Zeolith
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Synthese<br />
Einleitung<br />
Strukturen<br />
Synthese<br />
Verwendung<br />
Zusammenfassung<br />
Literatur
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Synthese<br />
Synthese von <strong>Zeolithe</strong>n I<br />
◮ Edukte: Silicate (Quarz, Silicagel) und Aluminate (Tonerde), in<br />
Natronlauge gelöst
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Synthese<br />
Synthese von <strong>Zeolithe</strong>n I<br />
◮ Edukte: Silicate (Quarz, Silicagel) und Aluminate (Tonerde), in<br />
Natronlauge gelöst<br />
◮ ggf. Template für bestimmte Kanalsysteme
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Synthese<br />
Synthese von <strong>Zeolithe</strong>n I<br />
◮ Edukte: Silicate (Quarz, Silicagel) und Aluminate (Tonerde), in<br />
Natronlauge gelöst<br />
◮ ggf. Template für bestimmte Kanalsysteme<br />
◮ z.B. Einbau von Alkylaminen (Tetrapropylammonium-Kation) bei<br />
ZSM-5-Synthese:<br />
CH 3<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
+<br />
CH 3 CH 2 CH 2 N CH2 CH2 CH3<br />
Tetrapropyl−<br />
ammonium−<br />
Kation<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 3
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Synthese<br />
Synthese von <strong>Zeolithe</strong>n I<br />
◮ Edukte: Silicate (Quarz, Silicagel) und Aluminate (Tonerde), in<br />
Natronlauge gelöst<br />
◮ ggf. Template für bestimmte Kanalsysteme<br />
◮ z.B. Einbau von Alkylaminen (Tetrapropylammonium-Kation) bei<br />
ZSM-5-Synthese:
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Synthese<br />
Synthese von <strong>Zeolithe</strong>n I<br />
◮ Edukte: Silicate (Quarz, Silicagel) und Aluminate (Tonerde), in<br />
Natronlauge gelöst<br />
◮ ggf. Template für bestimmte Kanalsysteme<br />
◮ z.B. Einbau von Alkylaminen (Tetrapropylammonium-Kation) bei<br />
ZSM-5-Synthese:
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Synthese<br />
Synthese von <strong>Zeolithe</strong>n I<br />
◮ Edukte: Silicate (Quarz, Silicagel) und Aluminate (Tonerde), in<br />
Natronlauge gelöst<br />
◮ ggf. Template für bestimmte Kanalsysteme<br />
◮ z.B. Einbau von Alkylaminen (Tetrapropylammonium-Kation) bei<br />
ZSM-5-Synthese:<br />
◮ ggf. Entfernen der organischen Template durch Ausbrennen ↦→ H-Form<br />
◮ Modifizierung durch Kationen-Austausch (H + , Na + , Pt, Pd usw.)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Synthese<br />
Synthese von <strong>Zeolithe</strong>n II<br />
◮ hydrothermale Synthesen: 50 - 300 o C (unter Druck, in Autoklaven)<br />
Labor-Autoklav<br />
techn. Druck-Rührkessel<br />
(Batch-Betrieb)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Einleitung<br />
Strukturen<br />
Synthese<br />
Verwendung<br />
Zusammenfassung<br />
Literatur
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung I: <strong>Zeolithe</strong> als Ionenaustauscher<br />
◮ Prinzip: Austausch von Na + -Ionen gegen andere Kationen<br />
◮ Austauschkapazität steigt mit Al-Gehalt (Modul)<br />
◮ ggf. Regeneration durch Behandeln mit Kochsalz-Lösung
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung I: <strong>Zeolithe</strong> als Ionenaustauscher<br />
◮ Prinzip: Austausch von Na + -Ionen gegen andere Kationen<br />
◮ Austauschkapazität steigt mit Al-Gehalt (Modul)<br />
◮ ggf. Regeneration durch Behandeln mit Kochsalz-Lösung<br />
◮ Beispiele:<br />
◮ Zeolith A in Wasch- und Reinigungsmitteln (LTA, Permutite, Sasil)<br />
◮ Austausch von Na + gegen Ca 2+ und/oder Mg 2+ (Wasserenthärtung)<br />
◮ Ersatz umweltschädlicher Phosphate
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung I: <strong>Zeolithe</strong> als Ionenaustauscher<br />
◮ Prinzip: Austausch von Na + -Ionen gegen andere Kationen<br />
◮ Austauschkapazität steigt mit Al-Gehalt (Modul)<br />
◮ ggf. Regeneration durch Behandeln mit Kochsalz-Lösung<br />
◮ Beispiele:<br />
◮ Zeolith A in Wasch- und Reinigungsmitteln (LTA, Permutite, Sasil)<br />
◮ Austausch von Na + gegen Ca 2+ und/oder Mg 2+ (Wasserenthärtung)<br />
◮ Ersatz umweltschädlicher Phosphate<br />
◮ Reinigung radioaktiver Abwässer<br />
◮ Immobilisierung radioaktiver Ionen z.B. Caesium ( 137<br />
55 Cs+ ) oder Strontium<br />
( 90<br />
38 Sr2+ )
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung II: <strong>Zeolithe</strong> als Adsorptionsmittel/Trockenmittel<br />
◮ entwässerte <strong>Zeolithe</strong>: Adsorption kleiner Moleküle (H 2O, CO 2) auch bei<br />
niedrigen Partialdrucken<br />
◮ Beispiele:<br />
◮ Trocknung bzw. Entfernung von CO 2 und Schwefel-Verbindungen aus<br />
Erdgas/Synthesegas<br />
◮ Trocknung von Lösungsmitteln (Molsiebe 3 Å, 4 Å, 5 Å)<br />
◮ Trockenmitteln in Doppelfenstern<br />
◮ Verbesserung der Rieselfähigkeit div. Produkte
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung II: <strong>Zeolithe</strong> als Adsorptionsmittel/Trockenmittel<br />
◮ entwässerte <strong>Zeolithe</strong>: Adsorption kleiner Moleküle (H 2O, CO 2) auch bei<br />
niedrigen Partialdrucken<br />
◮ Beispiele:<br />
◮ Trocknung bzw. Entfernung von CO 2 und Schwefel-Verbindungen aus<br />
Erdgas/Synthesegas<br />
◮ Trocknung von Lösungsmitteln (Molsiebe 3 Å, 4 Å, 5 Å)<br />
◮ Trockenmitteln in Doppelfenstern<br />
◮ Verbesserung der Rieselfähigkeit div. Produkte<br />
◮ Abtrennung unerwünschter Gasbestandteile (Landwirtschaft, Großküchen)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung III: <strong>Zeolithe</strong> als (Molekular-)Siebe<br />
◮ Trennung von Molekülen nach Größe/Gestalt<br />
◮ Beispiele:<br />
◮ Trennung unverzweigter von verzweigten Alkanen oder Aromaten (Ca-LTA)<br />
passend zu sperrig<br />
380 pm<br />
430 pm<br />
530 pm<br />
500 pm<br />
◮ Sauerstoffanreicherung in Luft, Luftzerlegung (N 2 -Adsorption an Ca-LTA)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung IV: <strong>Zeolithe</strong> als saure Katalysatoren<br />
◮ H-Formen als Lewis- bzw. Brönsted-Säuren:<br />
H−Zeolith<br />
H<br />
_ +<br />
O O<br />
Si Al Si<br />
O O O O O O<br />
Brönsted−S.<br />
+<br />
H<br />
_<br />
O O<br />
Si Al Si<br />
O O O O O O<br />
Lewis−S.<br />
H<br />
O<br />
O<br />
Si Al Si<br />
O O O O O O
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung IV: <strong>Zeolithe</strong> als saure Katalysatoren<br />
◮ Vorteile gegenüber Mineralsäuren (z.B. Schwefelsäure)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung IV: <strong>Zeolithe</strong> als saure Katalysatoren<br />
◮ Vorteile gegenüber Mineralsäuren (z.B. Schwefelsäure)<br />
◮ einfache Abtrennung (heterogene Katalysatoren)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung IV: <strong>Zeolithe</strong> als saure Katalysatoren<br />
◮ Vorteile gegenüber Mineralsäuren (z.B. Schwefelsäure)<br />
◮ einfache Abtrennung (heterogene Katalysatoren)<br />
◮ Regeneration möglich
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung IV: <strong>Zeolithe</strong> als saure Katalysatoren<br />
◮ Vorteile gegenüber Mineralsäuren (z.B. Schwefelsäure)<br />
◮ einfache Abtrennung (heterogene Katalysatoren)<br />
◮ Regeneration möglich<br />
◮ keine Korrosionsprobleme
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
Verwendung IV: <strong>Zeolithe</strong> als saure Katalysatoren<br />
◮ Vorteile gegenüber Mineralsäuren (z.B. Schwefelsäure)<br />
◮ einfache Abtrennung (heterogene Katalysatoren)<br />
◮ Regeneration möglich<br />
◮ keine Korrosionsprobleme<br />
◮ Formselektivität:<br />
Reaktanden−S.<br />
Produkt−S.
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
<strong>Zeolithe</strong> als formselektive Heterogen-Katalysatoren<br />
◮ saure Katalyse<br />
◮ Friedl-Crafts-Acylierung und -Alkylierung (H-ZSM-5)<br />
H−ZSM5<br />
400°C<br />
meta<br />
ortho<br />
+<br />
Toluol<br />
Ethen<br />
para<br />
◮ Katalytisches Cracken (FCC) (Ultra Stable Y: USY)<br />
◮ Dewaxing (Entfernung/Abbau langkettiger Paraffine aus Erdölfraktionen;<br />
ZSM-5)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Verwendung<br />
<strong>Zeolithe</strong> als formselektive Heterogen-Katalysatoren<br />
◮ saure Katalyse<br />
◮ Friedl-Crafts-Acylierung und -Alkylierung (H-ZSM-5)<br />
H−ZSM5<br />
400°C<br />
meta<br />
ortho<br />
+<br />
Toluol<br />
Ethen<br />
para<br />
◮ Katalytisches Cracken (FCC) (Ultra Stable Y: USY)<br />
◮ Dewaxing (Entfernung/Abbau langkettiger Paraffine aus Erdölfraktionen;<br />
ZSM-5)<br />
◮ Übergangsmetallkatalyse<br />
◮ Pd/Pt-Cluster in Zeolith-Käfigen ↦→ sehr große Oberflächen<br />
◮ z.B: Isomerisierung von Alkanen (Pt-Mordenit: Pt-MOR)
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Zusammenfassung<br />
Zusammenfassung<br />
◮ Zeo-lithe = Siedende Steine<br />
◮ Gerüst-Alumosilicate<br />
◮ allgemeine Formel: A n+<br />
x/n<br />
[(AlO2)x(SiO2)1−x] · y H2O<br />
◮ natürliche und synthetische Vertreter<br />
◮ Strukturen: Gerüststrukturen mit Kanalsystemen; für Gäste zugänglich<br />
◮ Synthese: gezielte Steuerung der Porenabmessungen durch Template<br />
◮ Verwendung:<br />
◮ Ionenaustauscher<br />
◮ Trockenmittel, Molsiebe<br />
◮ Heterogen-Katalysatoren
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
Literatur<br />
Literatur<br />
◮ M. Okrusch, S. Matthes, Mineralogie, Springer (2004).<br />
◮ extraLapis Nr. 33: <strong>Zeolithe</strong>: Mineralien - zugleich nützlich und<br />
wunderschön, Weise-Verlag München (2007).<br />
◮ F. Liebau: Structural Chemistry of Silicates, Springer (1985).<br />
◮ L. Puppe, <strong>Chemie</strong> in unserer Zeit, 4, 117 (1986).<br />
◮ Database of Zeolite Structures der Structure Commission der International<br />
Zeolite Association (IZA-SC)<br />
◮ Web-Seite ’Silicatchemie’:<br />
http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/silicate 0.html<br />
◮ PDF dieses Vortrags<br />
http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/Seminare/zeolithe 2013.pdf
Siedende Steine – <strong>Zeolithe</strong><br />
ENDE<br />
DANKE!