Siedende Steine

• Alkalifeldspäte der Zusammensetzung M[AlSi₃O₈] mit M=Na, K, Rb, Cs.
• Erdalkalifeldspäte M[Al₂Si₂O₈] mit M=Ca, Sr, Ba.

Die einzelnen Verbindungen und ihre Mineralogie sind:

• Die Alkali-Feldspäte mit der Zusammensetzung M[AlSi₃O₈] sind außer für Li für alle Alkalimetalle bekannt. Da die Lücke im Alumosilicat-Gerüst für die kleinen Na-Ionen zu groß ist, ist in der Na-Verbindung das Alkalimetallkation auf Splitlagen so verteilt, daß eine Koordinationszahl von 6 auftritt. Die K-Verbindung zeigt Koordinationszahl 8, die synthetisch zugängliche Rb-Verbindung CN 9. Im einzelnen:
  • Na[AlSi₃O₈] (Natriumfeldspat, Albit)
  • K[AlSi₃O₈] (Kaliumfeldspat, Orthoklas): bei Raumtemperatur stabil: Microclin, bei höheren Temperaturen Sanidin.
  Zwischen der Na- und der K-Verbindung treten immer dann Mischkristalle auf, wenn das Magma schnell abgekühlt ist. Beim langsamen Abkühlen erfolgt Entmischung in die sogenannten Perthite).
• Die Erdalkali-Feldspäte M[Al₂Si₂O₈] sind für M = Ca, Sr und Ba bekannt. Für alle drei Erdalkalimetalle sind daneben auch andere Strukturen stabil. Die wichtigste Verbindung ist der Calciumfeldspat Anorthit (Ca[Al₂Si₂O₈]), der mit Na[AlSi₃O₈] die lückenlose Mischkristallreihe der Plagioklase bildet.

Die einzelnen Verbindungen/Phasenfolgen auf den binären Randschnitten (mit Links zu Bildern (B) und zur Mineralogie (M) ) sind:

• Na-Ca (Plagioklase, B+M, B) ): Hier lautet die Phasenfolge:
  • Albit: M, B+M, B1, B2
  • Oligoklas: M, B+M, B
  • Andesin: M, B+M
  • Labradorit: B+M, M, B1, B2
  • Bytownit: B+M, M, B1
  • Anorthit: B+M, M, B.
• K-Na mit der Phasenfolge:
  • Albit: B+M, M, B
  • Anorthoklas: M, B1, B2
  • Microclin: B+M, M, B
  • Sanidin: M B
  • Orthoklas: B+M ??, M, B1, B2, B3, B4, Sanidin
• Zusätzlich existiert die weniger wichtige Mischkristallreihe der K-Ba-Feldspate

Übersicht zu den drei Clathrattypen und den in ihnen auftretenden Lücken: (PSP=Anordnung der Polyederschwerpunkte)

	Käfig	M12	M12b	M14	M16	M20
		[512]	[435663]	[51262]	[51264]	[51268]
Clathrasil	Gäste	N2, Ar, Xe, CH4	N2, Ar, Xe, CH4	N2O, CO2, Kr, Xe, CH3NH2	SF6, Kr, Xe, CH3NH2, (C2H5)2NH, Thiophen, Pyridin, Pyrolidin	(C2H5)2NH, Cyclohexylamin, Adamantylamin
	PSP	Zahl der Käfige					SiO2/EZ
Melanophlogite	Cr3Si	2	-	6	-	-	46
Dodecasil 1H	CaCu5	3	2	-	-	1	34
Dodecasil 3C	MgCu2	16	-	-	8	-	136

Die einzelnen vorkommenden großen Polyeder und ihre Formen sind (s.a. Tabelle oben):

• Das Pentagondodekaeder (5¹²) (M¹²) hat 570 pm Durchmesser bei kugelförmiger Form.
• Das 4³5⁶6³-Polyeder ( M^12b) hat 20 Ecken und ebenfalls einen kugelförmigen Durchmesser von ca. 570 pm.
• Der Vierzehn-Flächner (5¹²6²) (M¹⁴) hat eine elliptische Form mit Durchmessern von 580 und 770 pm.
• Der große 5¹²6⁴-Polyeder (M¹⁶) hat kugelige Form und einen Durchmesser von 750 pm bei 20 Ecken.
• Die größte Lücke liegt im 5¹²6⁸-Poyeder (M²⁰) vor. Die Abmessungen des elliptischen Hohlraum betragen 770 und 1120 pm.

• M¹²: N₂, Methan, Edelgase
• M¹⁴: N₂, N₂O, CO₂, Kr, Xe, CH₃NH₂
• M¹⁶: SF₆, Kr, Xe, CH₃NH₂, Cyclopentan,...
• M²⁰: (C₂H₅)₂NH, Adamantylamin, ...

• Die Struktur des Melanophlogit, einem schwarzen Mineral, das organische Reste in den Käfigen enthält und natürlich in Sizilien vorkommt, entspricht der des Cl₂-Hydrats der Zusammensetzung 46 H₂O . 8 X. Die Lücken, die zugleich Raumteiler sind, sind zwei 12-Flächner (Pentagondodekaeder) und sechs 14-Flächner pro Elementarzelle. Die Anordnung der Schwerpunkt der Polyeder entspricht dem Cr₃Si-Typ.

Clathrat I	Dodecasil 1H	Dodecasil 3C

Unter dem Begriff Dodecasil werden zwei weitere nur synthetisch herstellbare SiO₂-Formen mit großen Hohlräumen zusammengefaßt. Als strukturelle Gemeinsamkeiten treten wiederum Pentagondodekaeder auf, die in unterschiedlicher Weise gestapelt sind:

• AA-Stapelung von Pentagondodekaten liegt im Dodecasil 1H vor. Zusätzlich entstehen weitere große Hohlräume so daß insgesamt auf 34 SiO₂ drei M¹², zwei M^12b und ein M²⁰-Polyeder kommt. Die Schwerpunkte der M¹²-Polyeder entsprechen den Cu-Positionen in CaCu₅ (identisch übereinander angeordnete Cu-Kagome-Netze. Die Ca-Posititonen sind mit den Schwerpunkten der M²⁰-Polyeder identisch.

  VRML-Bilder

  • Anordnung der Pentagondodekaeder (AA) in der Zelle (z=0,1)
  • großer Ausschnitt
  • M^12b- und M²⁰-Polyeder bei z=1/2
  • Gesamtstruktur
• Bei ABC-Stapelung von Pentagondodekaedern ergibt sich die Struktur von Dodecasil 3C (auch ZSM-39). Auf 136 SiO₂-Einheiten kommen 16 M¹² und 8 M¹⁶-Polyeder. Die Schwerpunkte der 12-er Polyeder entsprechen den Cu-Positionen im MgCu₂-Typ, die M¹⁶-Polyeder nehmen die Mg-Positionen ein.

  VRML-Bilder

  • kleiner Ausschnitt der Pentagondodekaeder-Anordnung
  • großer Ausschnitt
  • Die M¹⁶-Polyeder bilden ein Diamant-Gitter (bzw. besetzen die Mg-Positionen des MgCu₂-Typs)
  • gekappt-tetraedrisch um M16 angeordnete M12-Polyeder
  • M₁₂- und M₁₆-Polyeder in der Elementarzelle

1. Zeolithe mit eindimensionalen Kanäle (Faserzeolithe)
2. Zeolithe mit zweidimenensionalen Kanalsystemen (lamellare Zeolithe)
3. Zeolithe mit dreidimensionalen Kanalsystemen (z.B. Würfelzeolithe, Pentasile)

Bei den natürlichen Zeolithe gibt es verschiedene Gruppen:

• Natrolith-Gruppe
• Harmoton-Gruppe
• Mordenit-Gruppe
• Chabasit-Gruppe
• Faujasit-Gruppe (Sodalith-Gruppe)
• Analcit-Gruppe

Die Strukturchemie läßt sich am einfachsten nach den Kanalsystemen einteilen. Zu jedem werden jeweils die einfachsten und bekanntesten Beispiele genannt:

• Faserzeolithe zeigen ein eindimensionales Kanalsystem. Die bekanntesten Beispiele sind
  • Edingtonit Ba[Al₂Si₃O₁₀] . 4 H₂O, der fast die identische Struktur aufweist wie der synthetische Z-F
  • Thomsonit NaCa₂[Al₅Si₅O₂₀] . 6 H₂O (Abb. unten links) zeigt ebenfalls eine sehr ähnliche Struktur (Struktur mit Tetraedern und nur der Si-Verband)
  • Natrolit Na₂[Al₂Si₃O₁₀] . 2 H₂O. Mineralogie mit Bild
  • Scolecite mit Bild
  • Mordenit mit Bild

Thomsonit (Si-Teilverband)	Phillipsit (Si-Teilverband)

• lamellare Zeolithe sind meist von plattigem Habitus. Die bekanntesten Vertreter sind
  • Phillipsit: (K,Na)₅[Si₁₁Al₅O₃₂] . 10 H₂O (Abb. oben rechts) mit Tetraedern und nur Si-Verband
  • Heulandit Ca[AlSi₃O₈] . 5 H₂O. Hier einige Links zur Mineralogie:
    • Clinoptilolite mit Bild
    • Heulandite mit Bild
    • Laumontite mit Bild.

Zeolith A	Zeolith A ('anti')	Faujasit	ZK5	RHO

• Zeolithe mit dreidimensionalen Kanälen (Würfelzeolithe, Pentasile usw.) sind die größte Gruppe der Zeolithe. Man kann weiter nach den vorliegenden Bauelementen unterscheiden:
  • Zeolithe aus ß-Käfigen (gekappte Oktaeder)
    • bei Verknüpfung über die Vierringe des ß-Käfigs (D4R, Würfel) ergibt sich die Struktur des Zeolithes Linde A
    • bei Verknüpfung über die Sechsringe des Beta-käfigs (D6R, hexagonale Prismen) ergibt sich die Struktur des Zeolithes Faujasit.
  • Zeolithe aus gekappten Kuboktaedern. Entsprechend dem Grundkörper können die gekappten Kuboktaeder über die Viereckflächen (D4R, Würfel), die Sechseckflächen oder die Achteckflächen miteinander verknüpft werden.
    • Verknüpfung über D4R (Würfel) für ebenfalls zum Zeolith Linde A
    • Verknüpfung über D6R (hexagonale Prismen) ergibt die Struktur des Zeolithen ZK-5. (2 identische Netze ineinander, P statt I dargestellt)
    • Verknüpfung über D8R (8-eckige Prismen) ergibt die Struktur des Zeolithen RHO.
  • Zeolithe mit Stapelung hexagonaler Prismen: Ähnlich wie bei den dichten Kugelpackungen können die hexagonalen Prismen in unterschiedlicher Stapelfolge angeordnet sein:
    • Im Gmelinit sind die hexagonalen Prismen nach ..ABAB.. angeordnet, so daß sich neben den hexagnoalen Kanälen diese Hohlräume ergeben.
    • Im Chabazit sind sie dagegen nach ..ABC.. angeordnet und es entstehen diese Hohlräume. Hier zur Mineralogie und ein Bild
  • Die Pentasile enthalten 5-Ringe als gemeinsame Bauelemente. Es gibt eine sehr große Zahl verschiedener Pentasile, die z.T. sehr wichtige Katalysatoren sind. Der bekannteste Vertreter ist der ZSM-5, mit einem dreidimensionalen Kanalsystem: In eine Richtung (Abb. 1) liegen lineare Kanäle vor, in der anderen Richtung Zick-Zack-förmige Hohlräme.

Gmelinit (1)	Gmelinit (2)	Chabazit (1)	Chabazit (2)

ZSM-5 (1)	ZSM-5 (2)

Die Synthese von Zeolithen kann auf drei Wegen erfolgen:

1. Reinigen von natürlichem Zeolith durch Auswaschen mit Wasser oder mit Salzlösungen bei verschiedenem pH-Werten.
2. Rekristallisation des natürlichen Materials in konzentrierten Salzlösungen (hydrothermal)
3. direkte Synthese aus Alkalialuminat, Alkalisilicate und amorphem SiO₂ unter hydrothermalen Bedingungen. Hierbei kann nicht nur über die Template, sondern auch über die Temperatur die Art der gebildeten Kanalsysteme gesteuert werden. Bei niedrigen Temperaturen (ca. 50^oC) werden lockerere Strukturen, bei 350 ^oC dichtere Packungen ausgebildet.

Links zu Mineralogie (M) und Bilder (B) natürlicher Zeolithe (in alphabetischer Reihenfolge): ( Übersicht Zeolithe).

• Analcim-Familie
  • Analcim: M, B, B+M
  • Leucit: M, B, B+M
  • Pollucite B+M
  • Wairakite
• Bellbergite
• Bikitaite
• Boggsite
• Brewsterite
• Chabasit-Familie
  • Chabazit: M, B, B+M
  • Willhendersonite
• Cowlesite
• Dachiardite
• Edingtonit: M, B
• Epistilbit: M, B+M
• Erionit: M, B
• Faujasit
• Ferrierite
• Gismondin-Familie:
  • Amicite
  • Garronite
  • Gismondine: B+M
  • Gobbinsite
• Gmelinit: M, B
• Gonnardite
• Goosecreekit M, B
• Harmotom-Familie:
  • Harmotom M, B, B+M
  • Phillipsit: M, B, B+M
  • Wellsite
• Heulandit Familie:
  • Clinoptilolit: M, B
  • Heulandit: M, B, B+M
  • Laumontit: M, B, B+M
• Levyne
• Mazzite
• Merlinoite
• Montesommaite
• Mordenit: M, B
• Natrolit-Familie:
  • Mesolit: M, B
  • Natrolit: M, B, B+M
  • Scolecit: M, B, B+M
• Offretite
• Paranatrolite
• Paulingite
• Perlialite
• Stilbit-Familie
  • Barrerite
  • Stilbit: M, B, B+M
  • Stellerit: M, B
  • Thomsonit: M, B B+M
• Tschernichite
• Yugawaralite