Experiment des Monats Juni 2001 Zeolithe mit Farben

Der Name "Zeolithe" wurde 1756 von dem schwedischen Mineralogen AXEL F. CRONSTEDT eingeführt. Er erkannte auch, daß es sich bei diesen Mineralien um eine eigene Gruppe handelt. Die Zeolithe sind Gerüstsilikate, enthalten also Silizium- und Aluminium-Zentren, sowie verschiedene andere Metallionen. Inzwischen sind über 150 Zeolithe bekannt, etwa 30 kommen in der Natur vor. Die technisch verwendeten Zeolithe werden jedoch in der Regel synthetisiert. Zeolithe kommen als Trockenmittel ("Molekularsieb"), Ionenaustauscher (z.B. zur Wasserenthärtung) oder als Katalysatoren zum Einsatz. Die hier vorgestellten Experimente ermöglichen Rückschlüsse auf den Aufbau der Zeolithe.
Herrn Dr. Bernd Lutz, Didaktik der Chemie der Universität Würzburg, danke ich sehr herzlich für die Hinweise und die Unterstützung.

Versuch 1: Geräte und Chemikalien: Becherglas Phenolphthalein, Molekularsieb 4 Å (oder anderen Zeolith). Durchführung: In einem Becherglas zu dest. Wasser einige Tropfen alkoholische Phenolphthalein-Lösung geben. Die Lösung ist farblos. Wird nun trockenes Molekularsieb oder (Zeolith-Pulver) zugegeben, erfolgt ein Farbumschlag nach rot-violett, die Lösung reagiert also alkalisch.

Versuch 2: Geräte und Chemikalien: Bechergläser, Büchnertrichter (Nutsche), Saugflasche, Rundfilter anionischer Farbstoff (z.B. Methylorange oder Methylrot), kationischer Farbstoff (z.B. Methylenblau), Zeolith, z.B. Sasil® (Henkel KGaA). Durchführung: Je eine Probe pulverförmiger Zeolithe mit dest. Wasser versetzen und eine Lösung von Methylrot bzw. Methylenblau zugeben. Umrühren und die Suspension abfiltrieren. Den Filterrückstand gründlich waschen. Der anionische Farbstoff Methylrot wird vollständig ausgewaschen, der Zeolith bleibt weiß. Der kationische Farbstoff Methylenblau bleibt dagegen am Zeolith gebunden.

Erklärung:
Die meisten Zeolithe können als Ionenaustauscher fungieren. Sie enthalten Alkali- oder Erdalkalimetall-Ionen, die sie an die Lösung abgeben und statt dessen andere Ionen, z.B. Ca²⁺, binden können. Auf dieser Eigenschaft beruht ihr Einsatz als Wasserenthärter in Waschmitteln. Statt Metallionen können auch Protonen aus der Lösung gebunden werden. Zeolithe reagieren deshalb als Basen, zugesetzte Indikatoren zeigen alkalische Reaktion.

Auch organische Kationen können an das Zeolith-Gerüst gebunden werden. Deshalb können Zeolithe durch kationische Farbstoffe, z.B. Methylenblau, angefärbt werden. Anionische Moleküle werden dagegen vom negativ geladenen Silikat-Gerüst abgestoßen und können wieder ausgewaschen werden.

Im Schulunterricht können diese Experimente zur "Strukturaufklärung" herangezogen werden. Der erste Versuch zeigt, daß die Zeolithe in Wasser dissoziieren. Mit Versuch 2 wird nachgewiesen, daß das Grundgerüst negativ geladen ist. Wird zusätzlich ein Silikat- und Aluminiumnachweis durchgeführt, können die Zeolithe als Alumosilikate gedeutet werden, die austauschfähige Alkali- oder Erdalkalimetalle enthalten.

Entsorgung:
Die Lösungen kommen zum Abwasser, die Feststoffe zum Hausmüll.

Literatur & Links:
B. Lutz, S. Schäfer: "Zeolithe: Kleine Poren - Große Wirkung"
   Schriftenreihe des Chemischen Instituts Dr. Flad, Bd. 8; Stuttgart: Verl. Dr. Flad, 1990
B. Lutz: "Zeolithe - ein Thema für die Schule?"; Naturwissenschaften im Unterricht - Chemie, 2 (1991), Nr. 10, 22-28
L. Puppe: "Zeolithe - Eigenschaften und technische Anwendungen"; Chemie in unserer Zeit, 20 (1986), 117-127
Dr. B. Lutz, Univ. Würzburg, persönliche Mitteilungen

Internet-Seiten zu Zeolithen (Auswahl):
Aufbau von Zeolithen, Anke Hagen, TU Dänemark
Vorlesung Silikatchemie von Caroline Röhr, Univ. Freiburg
weitere Links bei ChemLin
Fotos natürlicher Zeolithe von Volker Betz, M. und G. Spiess und Karl Günter Wünsch

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Seite erstellt am: Donnerstag, 31. Mai 2001, A. Schunk, CCC Univ. Erlangen.

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