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Bikitaite, esempio di zeolite naturale.

Le zeoliti sono silicati, sottoclasse dei Tectosilicati, e costituiscono una famiglia di minerali con una struttura cristallina molto aperta e canali interconnessi.

Sono alluminosilicati con impalcatura tectosilicatica con ioni Na, Ca, K e molecole di H₂O in quantità variabile in ampie cavità strutturali.

La parola zeolite (dal greco ζέω, "bollire" e λίθος, "pietra") 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, che si rigonfia e sembra bollire.

In natura esistono 46 tipi di Zeoliti di origine diversa.

Struttura cristallina

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]^4- e [AlO₄]^5- condividono gli ossigeni in modo da formare ponti non-lineari.

Si può immaginare la struttura zeolitca 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.

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.

Struttura cristallina generica di zeolite.

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.

Proprietà chimico-fisiche

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 Ca²⁺ e Mg²⁺.

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.

Utilizzi

Zeoliti sintetici.

Esistono numerosissime zeoliti naturali e di sintesi, di cui molte hanno proprietà utili in diversi settori come l'industria petrolchimica, l'edilizia, l'agricoltura e la zootecnia.

Industria

Le zeoliti sono noti catalizzatori, in quanto possiedono un'elevata area superficiale che permette di trattare una quantità di molecole 100 volte superiore rispetto ad un tradizionale catalizzatore amorfo. Inoltre possono agire come setacci molecolari grazie alla loro selettività.

Agiscono da setacci molecolari in diversi campi come nella raffineria e nell'industria petrolchimica, nei gas industriali e nelle fornaci, dove vengono impiegate per essiccare, purificare e separare sostanze chimiche da trattare.

Questi minerali sono sfruttati anche per la desalinizzazione delle acque di mare, sintetizzando una miscela di zeoliti con ioni ${\ce {Ag+}}$ e ${\ce {Ba++}}$ che consentono di addolcire le acque. Importante è l'utilizzo della Zeolite-A addizionata con Na⁺ nei detergenti, per lavatrice e lavastoviglie. questo processo permette lo scambio Na⁺-Ca²⁺ per contrastare le acque dure.

Edilizia

Le zeoliti assumono un ruolo significativo nella produzione di cartongesso, in quanto, assieme alle fibre di cellulosa tratte dalla carta riciclata e i residui di argilla fibrosa conferiscono durezza superficiale al pannello di gesso.

La loro presenza permette una rimozione, attraverso uno scambio ionico, dagli agenti contaminanti nella carta straccia.

Altre applicazioni prevedono il mescolamento di zeoliti con malte per catturare componenti ammoniacali e trattenere l'umidità, prolungando la malleabilità del prodotto.

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'eccessiva aridità del terreno.

Le zeoliti trattengono le sostanze nutritive evitando che quest'ultime vengano dilavate con la pioggia, un terreno ricco in zeoliti ha bisogno di un minor quantitativi di concime.

Tali minerali fungono anche da correttori di pH e da stabilizzatori di temperatura.

Zootecnia

Chabasite.

La capacità di scambio ionico permette di trattenere e neutralizzare molecole selettive come ammonio, metalli pesanti e diverse sostanze organiche oltreché assorbire gas odorosi quali ammoniaca, acido solfidrico e mercaptani, assieme agli odori provenienti dalle biomasse delle stalle. Per questo le zeoliti sono di grande utilità nell’allevamento e nel trattamento dei reflui.

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 di bovini, suini e avicoli per: aumentare la crescita dell’animale, ridurre gli odori e di conseguenza evitare infezioni alle vie respiratorie a causa dell’ammoniaca, combattere e ridurre la fragilità ossea, abbassare le aflatossine ed evitare casi di rabbia e cannibalismo.

A seguito seguiranno alcuni esperimenti svolti nel tentativo di studiare gli effetti della chabasite.

• Nel 1974 è stato condotto uno studio in Giappone, presso Keai farm, su 4000 maiali. Alcuni sono stati alimentati con mangime addizionato a chabasite, altri senza.

Si è osservato quanto riportato in tabella.

	Ulcera gastrica	Pneumonia	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

• A sostegno della riduzione dei cattivi odori e alla fragilità ossea, IFIP (international Federation for Information Processing) ha compiuto una ricerca su un totale di 144 maiali controllando l’effetto della chabasite nell’alimentazione. Si è scoperto che l’ammonio nel liquame era ridotto del 30%, i cattivi odori ridotti del 40% e una conseguente diminuzione del 20% dell’emissione di ammoniaca e CO₂ nell’atmosfera.

Storia

Il noto mineralogista svedese Alex F. Cronstedt, conosciuto per aver scoperto il nichel, nel 1756 descrive le particolari proprietà di un minerale proveniente dalla miniera di rame di Svappavari (Lapponia), identificate in piccole cavità di rocce di origine vulcanica.

Zeoliti in roccia vulcanica.

Egli osserva che se posto su un letto di borace riscaldato ad alcune centinaia di gradi centigradi, questo minerale sembra bollire; infatti se sottoposte all’azione del calore, 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 impalcatura tetraedrica tridimensionale aperta, le cui cavità possono ospitare cationi extra-impalcatura e molecole d'acqua, dotati di elevata mobilità che ne determina le caratteristiche proprietà di scambio ionico 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 quattro ossigeni 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 e setacci molecolari. Tuttavia per questi scopi vengono prodotte zeoliti sintetiche, più performanti, pertanto le zeoliti naturali vengono attualmente usate solo per scopi scientifici o collezionistici.

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 dei reflui e nell'assorbimento di micro e macro-molecole, grazie alle loro proprietà quali: ritenzione idrica, resistenza meccanica, permeabilità, densità.

Le zeoliti sintetiche

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.

Le permutiti 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.

Minerali del gruppo delle zeoliti

• Alflarsenite
• Amicite
• Ammonioleucite
• Analcime
• Barrerite
• Bellbergite
• Bikitaite
• Boggsite
• Chiavennite
• Cowlesite
• Direnzoite
• Edingtonite
• Epistilbite
• Ferrochiavennite
• Flörkeite
• Garronite
• Gaultite
• Gismondina
• Gobbinsite
• Gonnardite
• Goosecreekite
• Gottardiite
• Harmotome
• Hsianghualite
• Kalborsite
• Laumontite
• Leucite
• Lithosite
• Lovdarite
• Maricopaite
• Merlinoite
• Mesolite
• Montesommaite
• Mordenite
• Mountainite
• Mutinaite
• Nabesite
• Natrolite
• Offretite
• Pahasapaite
• Paranatrolite
• Parthéite
• Perlialite
• Pollucite
• Roggianite
• Rongibbsite
• Scolecite
• Stellerite
• Terranovaite
• Thornasite
• Tschernichite
• Tschörtnerite
• Wairakite
• Weinebeneite
• Willhendersonite
• Yugawaralite

Serie della brewsterite

• Brewsterite-Ba
• Brewsterite-Sr

Serie della chabazite

• Chabazite-Ca
• Chabazite-K
• Chabazite-Mg
• Chabazite-Na
• Chabazite-Sr

Serie della clinoptilolite

• Clinoptilolite-Ca
• Clinoptilolite-K
• Clinoptilolite-Na

Serie della dachiardite

• Dachiardite-Ca
• Dachiardite-Na

Serie dell'erionite

• Erionite-Ca
• Erionite-K
• Erionite-Na

Serie della fauiasite

• Faujasite-Ca
• Faujasite-Mg
• Faujasite-Na

Serie della ferrierite

• Ferrierite-K
• Ferrierite-Mg
• Ferrierite-Na

Serie della gmelinite

• Gmelinite-Ca
• Gmelinite-K
• Gmelinite-Na

Serie dell'heulandite

• Heulandite-Ba
• Heulandite-Ca
• Heulandite-K
• Heulandite-Na
• Heulandite-Sr

Serie della lévyne

• Lévyne-Ca
• Lévyne-Na

Serie della mazzite

• Mazzite-Mg
• Mazzite-Na

Serie della paulingite

• Paulingite-Ca
• Paulingite-K

Serie della phillipsite

• Phillipsite-Ca
• Phillipsite-K
• Phillipsite-Na

Sterie della stilbite

• Stilbite-Ca
• Stilbite-Na

Serie della thomsonite

• Thomsonite-Ca
• Thomsonite-Sr

Voci Correlate

- permutite.