Minerali: Le Zeoliti

Le zeoliti (dal greco zein, "bollire" e lithos, "pietra" per il motivo che se le zeoliti vengono riscaldate si rigonfiano) sono una famiglia di minerali con una struttura cristallina regolare e microporosa caratterizzati da una enorme quantità di volumi vuoti interni ai cristalli. La parola zeolite (pietra che bolle) fu coniata dallo studioso svedese Axel Fredrik Cronstedt che osservò il liberarsi di vapore acqueo (dovuto all'acqua intrappolata nelle cavità) scaldando uno di questi minerali.

La chimica dello stato solido ha permesso di ricavare approfondite informazioni riguardo alla struttura e alle proprietà delle zeoliti. Questi minerali presentano una intelaiatura strutturale a base di alluminosilicato con formula chimica bruta Na12[(SiO2)12(AlO2)12]·27H2O e cationi intrappolati all'interno di cavità a "tunnel" o a "gabbia". Una classe cospicua ed importante di zeoliti possiede una struttura a gabbia sodalite, consistente in un ottaedro tronco ottenuto asportando con il taglio tutti i vertici. Dato che le gabbie possiedono simmetria cristallina, le zeoliti rappresentano una classe di setacci molecolari con selettività maggiore rispetto, ad esempio, alla silice o alcarbone attivo, che possiedono vuoti irregolari. Altra peculiarità consiste nello scambio ionico, processo chimico-fisico consistente nello scambio del catione contenuto all'interno della struttura cristallina con ioni presenti insoluzione e 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 Ca2+ e Mg2+.

La struttura molecolare nanoporosa della zeolite ZSM-5

Dal punto di vista della loro struttura le zeoliti sono dei tettosilicati: il silicio o l'alluminio sono siti al centro di un tetraedro ai cui vertici sono disposti gli atomi di ossigeno. L'impalcatura così creata lascia all'interno dei cristalli varie cavità che possono essere riempite da acqua (che il minerale può perdere con l'esposizione all'aria o se è riscaldato) e gli altri metalli presenti.

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 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.