zeolite
Le zeoliti (dal greco zein, "bollire" e lithos, "pietra") sono minerali con una struttura cristallina regolare e microporosa caratterizzati da una enorme quantità di volumi vuoti interni ai cristalli.[1] 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 la struttura e le proprietà delle zeoliti. Questi minerali presentano una intelaiatura strutturale a base di alluminosilicato con 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 al carbone 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 in soluzione 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+.
Esistono numerosissime zeoliti, sia naturali che di sintesi, molte delle quali hanno proprietà utili nell'industria: sono ad esempio utilizzate nell'industria petrolchimica come catalizzatori eterogenei, nei detergenti in sostituzione dei polifosfati, in agricoltura, in edilizia e nell'addolcimento delle acque. Un utilizzo importante in sintesi inorganica permette di ottenere complessi facendo reagire cationi metallici, intrappolati all'interno della struttura zeolitica, con opportuni reagenti complessanti; il composto di coordinazione ottenuto resta intrappolato all'interno della gabbia, essendo troppo grande per potervi uscire.
Le zeoliti sintetiche vengono frequentemente sintetizzate lavorando ad alte pressioni con l'ausilio di autoclavi. 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 e allumina microporosa. Le permutiti sono una classe di zeoliti sintetiche ottenute fondendo miscele di quarzo, caolino e carbonato di sodio; molte di loro hanno proprietà meccaniche e di scambio ionico migliori rispetto alle zeoliti naturali.
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.