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La zeolite è un minerale vulcanico naturale che si trova nei depositi della metà occidentale degli Stati Uniti. La zeolite è uno dei rari minerali che possiede una carica negativa naturale. La combinazione della struttura a nido d’ape e della carica negativa netta consente alla zeolite di assorbire sia liquidi che elementi in base alla forza del legame chimico.

Inoltre, l’attrazione magnetica che un elemento ha per la zeolite è chiamata valore CEC o capacità di scambio ionico mentre la struttura a nido d’ape utilizza un setaccio molecolare per filtrare i composti. Nelle prossime righe, vedremo ne dettaglio quali sono le caratteristiche della zeolite e quali utilizzi può avere questa tipologia di minerale.

Cosa è la zeolite?

Le zeoliti sono minerali idrati di alluminosilicato costituiti da tetraedri interconnessi di allumina (AlO4) e silice (SiO4). In parole più semplici, sono solidi con una struttura cristallina tridimensionale relativamente aperta costruita dagli elementi alluminio, ossigeno e silicio, con metalli alcalini o alcalino-terrosi (come sodio, potassio e magnesio) più molecole d’acqua.

Le zeoliti si formano con molte diverse strutture cristalline, che hanno grandi pori aperti (a volte indicati come cavità) in una disposizione molto regolare e all’incirca le stesse dimensioni di piccole molecole.

Ci sono circa 40 zeoliti presenti in natura, che si formano sia nelle rocce vulcaniche che in quelle sedimentarie. Decine di altre zeoliti sintetiche artificiali (circa 150) sono state progettate per scopi specifici, le più note delle quali sono la zeolite A (comunemente usata come detersivo per il bucato), le zeoliti X e Y.

Proprietà della zeolite: quali sono?

Le zeoliti sono solidi molto stabili che resistono ai tipi di condizioni ambientali che sfidano molti altri materiali. Le alte temperature non li disturbano perché hanno punti di fusione relativamente alti (oltre 1000°C). Resistono inoltre alle alte pressioni, non si dissolvono in acqua o altri solventi inorganici e non si ossidano nell’aria. Non si ritiene che causino problemi di salute attraverso, ad esempio, il contatto con la pelle o l’inalazione, sebbene in forma fibrosa possano avere effetti cancerogeni.

La cosa più interessante delle zeoliti è la loro struttura aperta, simile a una gabbia, a “quadro” e il modo in cui può intrappolare altre molecole al suo interno. È così che le molecole d’acqua e gli ioni di metalli alcalini o alcalino-terrosi diventano parte dei cristalli di zeolite.

Le zeoliti possono scambiare altri ioni con carica positiva con gli ioni metallici originariamente intrappolati al loro interno e, come ha scoperto Cronstedt oltre 250 anni fa, possono anche guadagnare o perdere le loro molecole d’acqua molto facilmente.

Le zeoliti hanno aperture regolari di dimensioni fisse, che lasciano passare piccole molecole direttamente ma intrappolano quelle più grandi; ecco perché a volte vengono chiamati setacci molecolari. A differenza delle zeoliti naturali, che si presentano in forme casuali e dimensioni miste, le zeoliti sintetiche sono prodotte in dimensioni molto precise e uniformi.

A cosa servono le zeoliti?

La struttura a gabbia delle zeoliti le rende utili in diversi modi. Uno dei più grandi usi quotidiani delle zeoliti è negli addolcitori d’acqua e nei filtri dell’acqua. Negli addolcitori d’acqua a scambio ionico, ad esempio, l’acqua viene convogliata attraverso una colonna riempita con zeoliti contenenti sodio. Le zeoliti intrappolano gli ioni calcio e magnesio e rilasciano ioni sodio al loro posto, così l’acqua diventa più ricca di sodio.

Molti detersivi per bucato e lavastoviglie di uso quotidiano contengono zeoliti per rimuovere calcio e magnesio.

Altri due usi quotidiani molto comuni delle zeoliti sono nel controllo degli odori e nella lettiera degli animali domestici; in entrambi, la struttura cristallina porosa delle zeoliti aiuta intrappolando i liquidi indesiderati e le molecole riguardanti gli odori.

Le zeoliti si sono rivelate estremamente efficaci nel rimuovere le particelle radioattive dalle scorie nucleari e nel ripulire i terreni contaminati da metalli pesanti tossici. Dopo il disastro nucleare di Fukushima in Giappone nel 2011, i coltivatori di riso hanno diffuso zeoliti nei loro campi nel tentativo di intrappolare eventuali contaminanti radioattivi persistenti. I molti altri usi delle zeoliti tra cui produzione di calcestruzzo, ammendanti e cibo per animali.

Le zeoliti come catalizzatori

Un altro uso importante delle zeoliti è come catalizzatori nella produzione di farmaci (farmaceutici) e nell’industria petrolchimica, dove vengono utilizzati cracker incatalitici per rompere grandi molecole di idrocarburi in benzina, diesel, cherosene, cere e tutti i tipi di altri sottoprodotti del petrolio. Ancora una volta, è la struttura porosa delle zeoliti che si rivela importante.

I numerosi pori nella struttura aperta di una zeolite sono come milioni di minuscole provette in cui atomi e molecole rimangono intrappolati e le reazioni chimiche hanno luogo prontamente.

Poiché i pori in una particolare zeolite hanno una dimensione e una forma fissa, i catalizzatori di zeolite possono agire selettivamente su determinate molecole, motivo per cui a volte vengono definiti catalizzatori selettivi di forma.