Le zeoliti sono alluminosilicati cristallini microporosi con cavità e canali di dimensione molecolare. La loro formula generale può essere scritta come:
M^{n+} è un catione di compensazione, necessario perché ogni tetraedro AlO_4^- introduce una carica negativa nel reticolo.
Struttura microporosa
Il reticolo è costruito da tetraedri SiO_4 e AlO_4 collegati tramite atomi di ossigeno condivisi. La connessione ordinata genera canali e cavità con aperture dell’ordine degli angstrom. Per questo le zeoliti possono discriminare molecole in base a dimensione, forma e polarità.
La dimensione dei pori dipende dalla topologia del reticolo. Zeoliti diverse, come zeolite A, X, Y, mordenite o ZSM-5, hanno sistemi di canali differenti e quindi comportamenti diversi in adsorbimento e catalisi.
Rapporto silicio-alluminio
Il rapporto Si/Al controlla carica del reticolo, idrofilia, stabilità termica e acidità. Più alluminio significa più cariche negative e più cationi compensanti; più silicio significa in genere maggiore idrofobicità e maggiore stabilità in condizioni severe.
Quando i cationi sono protoni, si formano siti acidi di Bronsted:
Questi siti sono responsabili di molte reazioni catalitiche acide, come cracking, isomerizzazione e alchilazione.
Scambio ionico
Le zeoliti possono scambiare i cationi presenti nei pori con altri cationi in soluzione. Nell’addolcimento delle acque possono ridurre la durezza dell’acqua catturando Ca^{2+} e Mg^{2+} e rilasciando Na^+.
Lo scambio ionico è reversibile entro certi limiti e dipende da selettività, concentrazione, pH, temperatura e accessibilità dei siti interni. La rigenerazione con soluzioni saline è alla base di molti addolcitori domestici e industriali.
Adsorbimento e setacci molecolari
Le zeoliti funzionano come setacci molecolari perché molecole troppo grandi non entrano nei pori, mentre molecole compatibili possono essere adsorbite. L’acqua è fortemente trattenuta da zeoliti idrofile, perciò alcune sono usate come essiccanti.
La selettività non dipende solo dalla dimensione geometrica. Interazioni elettrostatiche, polarità, momento quadrupolare e diffusione nei canali influenzano la separazione. Questo rende le zeoliti utili per purificazione di gas, separazione di isomeri, rimozione di ammonio e cattura selettiva di specie inquinanti.
Catalisi industriale
Le zeoliti sono catalizzatori acidi solidi fondamentali nella petrolchimica. La zeolite Y è storicamente centrale nel cracking catalitico fluido; ZSM-5 è importante per trasformazioni selettive di idrocarburi e reazioni con vincoli di forma.
Il vantaggio è combinare acidità e selettività geometrica. Una molecola può reagire solo se entra nel poro e se lo stato di transizione è compatibile con la cavità disponibile. Questa selettività di forma può orientare distribuzione dei prodotti, limitare reazioni secondarie e migliorare resa.
Limiti e stabilità
Le zeoliti possono disattivarsi per coke, avvelenamento, dealuminazione, occlusione dei pori o collasso strutturale. In applicazioni reali contano rigenerabilità, resistenza idrotermale, diffusione interna, dimensione dei cristalli e formulazione del catalizzatore con leganti.
Vedi anche: Catalisi eterogenea, Cristallochimica.