_la Zeolita Una Piedra Que Hierve

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LA ZEOLITA UNA PIEDRA QUE HIERVE

LA ZEOLI TA UNA PI EDRA QUE HI ERVE

Au to res : PEDRO BOSCH / ISAAC SCHIFTER

COMITÉ DE SELECCIÓN

EDICIONES INTRODUCCIÓN

I.¿QUÉ ES UNA ZEOLITA?

II.SÍNTESIS DE UNA ZEOLITA

III.USOS DE LAS ZEOLITAS

IV.CONCLUSIÓN

LECTURAS RECOMENDADAS

CONTRAPORTADA

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/55/htm/zeolita.htm01/08/2006 04:06:33 p.m.

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/html/quimica.html

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/menu.htm



COMITÉ DE SELECCIÓN

COMI TÉ DE SELECCI ÓN

Dr. Antonio Alonso

Dr. Gerardo Cabañas

Dr. Juan Ramón de la Fuente

Dr. Jorge Flores Valdés

Dr. Leopoldo García-Colín Scherer

Dr. Tomás Garza

Dr. Gonzalo Halffter

Dr. Raúl Herrera

Dr. Jaime Martuscelli

Dr. Héctor Nava Jaimes

Dr. Manuel Peimbert

Dr. Juan José Rivaud

Dr. Julio Rubio Oca

Dr. José Sarukhán

Dr. Guillermo Soberón

Coord inadora :

María del Carmen Farías

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/55/htm/comite.htm01/08/2006 04:06:46 p.m.


http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/55/htm/zeolita.htm



EDICIONES

EDI CI ONES

Primera edición (La ciencia desde México),1988

Cuarta reimpresión,1995

Segunda edición (La ciencia para Todos),1997

La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al quepertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretaría de EducaciónPública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

D.R. © 1988 FONDO DE CULTURA ECONÓMICA, S. A. DE C. V.

D.R. © 1997 FONDO DE CULTURA ECONÓMICA

Carretera Picacho-Ajusco 227, 14200 México, D.F.

ISBN 968-16-5257-6

Impreso en México

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/55/htm/sec_1.html01/08/2006 04:06:55 p.m.





INTRODUCCIÓN

I NTRODUCCI ÓN

Zeolitas, zeolitas y más zeolitas será el menú de este volumen, menú que es en aparienciamonótono, sin embargo, intentaremos convencer al lector de que las zeolitas son, en ciertasramas de la química, lo que el arroz en la cocina. Los usos de las zeolitas van de la engorda danimales, los desodorantes, los bactericidas y la transformación de petróleo a gasolina hasta

fabricación de detergentes no contaminantes.

Hemos planeado este volumen en tal forma que el lector no sólo se entere de lo que es unazeolita sino que también participe en su investigación, como si se tratase de una novelapoliciaca, de un verdadero "caso de conjetura". Lo invitamos, en consecuencia, a cerrar el libal toparse con una interrogante e intentar responderla por sí solo. Esperamos que sean pocaslas preguntas que sepa contestar y que lea con interés estas páginas en las que se entrevera"hacer" con el "saber". Juntos, definiremos lo que es una zeolita y para ello incursionaremospor la cristalografía, la geología y la química. Una vez entendido lo que son las zeolitas lasprepararemos y exploraremos algunos de sus usos en la industria.

Como el tema no es fácil, no siempre pudimos evitar el repelente lenguaje técnico, lenguajeque es necesario explicar. Una posibilidad hubiese sido incorporar las definiciones en el textosin embargo la exposición se hubiera visto entorpecida; otra, presentar un anexo aclaratorio final del libro corriendo el riesgo de que, aunque la lectura fuese ágil, algunos puntos noquedasen debidamente entendidos.

Una vez más, la decisión fue salomónica: ni lo uno ni lo otro o, mejor dicho, ambos. Ciertosconceptos, como "catálisis", se definen en el texto, otros, como "selectividad" o "valencia", seincluyeron en un pequeño glosario al final de cada capítulo. En el primer caso la explicación eextensa y se ilustra en relación con sus aplicaciones a las zeolitas, en el segundo, lasdefiniciones son tan escuetas como lo permite la exactitud. Los términos incluidos en elglosario van marcados en el texto con un asterisco cuando se mencionan por primera vez.







I .¿QUÉ ES UNA ZEOLI TA?

UN POLVO BLANCO

SUPONGA el lector que ha caído en su poder, por azares del destino, una botella sobre cuyaetiqueta está escrito zeolita. Hay dentro un polvo blanco y fino. Curioso, intenta enterarse designificado de "zeolita" para saber si el contenido de la botella corresponde a tal nombre.Ingenuo, cree que basta consultar un libro técnico y verificar que el polvo cumpla con ladefinición de zeolita que, por cierto, también se puede, es más, se debe escribir "ceolita". (Aqadoptaremos la ortografía "zeolita" que es la de uso corriente en México.) Recurre a uno detantos diccionarios técnicos y encuentra que:

Las zeolitas [sí, "las zeolitas" pues se trata de una familia de minerales] sonaluminosilicatos hidratados altamente cristalinos que al deshidratarsedesarrollan, en el cristal ideal, una estructura porosa con diámetros de poro

mínimos o sea de 3 a 10 angstroms.

[También se dice que] una zeolita es un aluminosilicato cuya estructuraforma cavidades ocupadas por iones grandes y moléculas de agua con granlibertad de movimiento [ambos] que permiten el intercambio iónico y ladeshidratación reversible.

Pero, ¿que es un "aluminosilicato"? ¿Qué significa "cristalino" y "cristal ideal"? ¿De quéestructura se trata? El problema resulta bastante más complejo de lo esperado y será

necesario proceder ordenadamente y con la ayuda de varios especialistas.En este capítulo, juntos, determinaremos lo que es una zeolita. En efecto, por ahora, sólo nosconsta que el polvo de la botella es un material sólido*. Suponemos que debe presentarpropiedades fisicoquímicas peculiares que justifiquen el apelativo de zeolita, así que un análisfisicoquímico debe resolver el problema.

EN EL LABORATORIO

DE ANÁLISIS

El jefe del laboratorio nos propone determinar la composición de la muestra y su estructuracristalográfica. En efecto, nos explica, que no sólo es importante determinar si la muestra estconstituida por átomos de aluminio, silicio, sodio, hidrógeno y oxígeno que, dicho entreparéntesis, son los elementos* presentes en algunas zeolitas, sino que hay que saber cómo srelacionan, cómo están distribuidos en el espacio, pues dependiendo de la forma en que losátomos se ordenen, o sea de la estructura, se obtienen compuestos* diferentes.

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/55/htm/sec_3.html (1 of 16)01/08/2006 04:07:38 p.m.




Figu ra 1 . Á tomos de carbono en e l g ra f i t o ( a ) y en e l d iaman t e (b ) .

Figu ra 2 . Á tomos de c inc ( • ) y de azu f re ( o ) en l a es fera l i t a .

Por ejemplo, el grafito y el diamante tienen una composición elemental idéntica. Ambos estánconstituidos solamente por átomos de carbono. La diferencia entre uno y otro estriba en quelos átomos de carbono están ordenados de manera distinta (Figura 1). En este diagrama serepresenta a los átomos de carbono mediante círculos y se destaca la geometría mediantelíneas.

Estos arreglos (o celdas unitarias)* se repiten infinitamente y son característicos de cadacompuesto. En el caso del diamante, los átomos se encuentran en las esquinas de un cubo, eel centro de las caras y en el centro de algunas diagonales. Esta disposición se reproduce alinfinito. El arreglo de los átomos de carbono en el grafito es en forma de hexágonos, por eso dice que el diamante cristaliza en un sistema cúbico pero que el grafito lo hace en un sistemahexagonal.

También existe en la naturaleza la situación inversa. Dos materiales pueden tener la mismaestructura cristalográfica pero estar compuestos por átomos diferentes. Por ejemplo, laesferalita (o blenda) cristaliza como el diamante pero está constituida por átomos de cinc ( Z ny de azufre ( S) distribuidos como se ilustra en la figura 2. Queda entonces clara la diferenciaentre la estructura de un material y la identidad de los átomos que lo constituyen, aunque en





los ejemplos anteriores tratamos sólo estructuras regulares y periódicas en el espacio, o seacon cristales (dicho de otro modo, en estos materiales, grupos idénticos de átomos se repitenen el espacio a intervalos iguales). Como lo que aquí nos interesa es identificar los elementosque componen a los polvos y determinar los compuestos que los forman, necesitamos, por lotanto:

1) Un análisis elemental para determinar qué átomos componen la muestra.

2) Un estudio radiocristalográfico para saber cómo se distribuyen los átomos en el espacio, o

sea de qué compuestos se trata, y

3) Un estudio por microscopía electrónica para conocer la homogeneidad del polvo.

Con estos resultados sabremos si la muestra es una zeolita y de qué tipo de zeolita se trata(Figura 3).

Figur a 3 . Aná l is is de un mat er ia l só l ido en po lvo .

RESULTADODEL ANÁLISIS

ELEMENTAL

Una semana después nos entregan la hoja de resultados correspondiente al análisis elementaen la que se informa que la muestra está constituida por aluminio ( A l ) , silicio (S i ) , sodio ( N ahidrógeno ( H) y oxígeno ( O) . Además, el experto nos hace notar que la proporción de lacantidad de átomos de aluminio ( x ) respecto a la cantidad de átomos de silicio ( y ) es:

x / y = 0 .4 08

lo cual le permite proponer la siguiente fórmula química*, determinada experimentalmente:

Na5 6 Al5 6Si 1 3 6 O3 8 4 * w H2O

en donde wH2O sólo significa un número variable de moléculas de agua ( H2O) . Esta fórmulaquiere decir que, en promedio, a 56 átomos de sodio y 56 átomos de aluminio le corresponde136 de silicio y 384 de oxígeno. Conocemos entonces la composición elemental de la muestrapero nuevamente, ¿es esto una zeolita? ¿Cuál es la fórmula de una zeolita?





Cuando J.V. Smith, en su artículo "Definición de una zeolita" publicado en la revista Zeolites (sí, existe una revista internacional dedicada exclusivamente a las zeolitas), intenta precisar que se debe entender por zeolita propone la fórmula:

Mx / nAlx Si y O2 ( x + y ) • w H2O

Antes de explicar su significado recordemos que la valencia* es el número de enlaces

moleculares* que un ion* o un átomo entabla con otros átomos o iones, y que los ionespositivos se denominan cationes y los negativos, aniones. Como son de carga opuesta loscationes y aniones se atraen mutuamente con gran fuerza.

En la fórmula propuesta por Smith, M es un catión de valencia n (en nuestro caso se trataríadel sodio cuya valencia es 1, así que Mx / n sería Na), "x" es el número de átomos de aluminio"y" es el número de átomos de silicio (según el resultado experimental antes obtenido, ennuestro caso serían 56 y 136 respectivamente) y 2 (x+y) es el número de átomos de oxígenoque en nuestro caso tendría que ser:

2 ( 5 6 + 1 3 6 ) = 3 8 4

y que es exactamente el número de oxígenos determinados en el análisis de los polvos.

Finalmente, como el número de moléculas* de agua es variable ( w H2O) concluimos que lafórmula química de la muestra es la de una zeolita. Sin embargo, como comprobamos alcomparar el grafito con el diamante y la esferalita, no basta con la fórmula química paraidentificar a un compuesto, hay que determinar, además, que la disposición en el espacio delos grupos de átomos sea la adecuada. Por lo tanto, necesitamos los resultados del análisisradiocristalográfico y del estudio por microscopía electrónica.

DISCUSIÓN CONEL CRISTALÓGRAFO

El cristalógrafo nos recibe con la noticia de que "el polvo es cristalino", y para insistir sobre laimportancia de su aseveración compara la regularidad característica de los cristales con eldesorden típico de los gases. En efecto, dice, así como se habla de un gas ideal se utiliza elconcepto de cristal ideal o cristal perfecto.

Un gas ideal está formado por partículas idénticas infinitamente pequeñas y no existen fuerzaentre ellas, además, no ocupan posiciones fijas en el espacio. En un cristal ideal hay gruposidénticos de átomos de tamaño finito, retenidos por fuerzas mutuas en posiciones fijas en elespacio, y dichos átomos se encuentran en reposo. La energía del gas ideal es totalmentecinética*, la del cristal ideal totalmente potencial.





Figu ra 4 . Orden en un c r i s ta l ( a ) y deso rden en un gas (b ) .

El gas ideal obedece leyes correspondientes a un arreglo al azar de partículas en movimientola geometría no interviene. Por el contrario, el cristal ideal está sujeto a las leyes geométrica

que rigen un arreglo periódico de partículas en reposo, el azar no se toma en cuenta, lasposiciones de los átomos o moléculas están perfectamente definidas. Todos los gases separecen (excepto por la masa de sus partículas), los cristales ideales presentan una inmensavariedad de arreglos periódicos, la complejidad o distorsión del grupo atómico no importa,siempre y cuando se repita exactamente con periodicidad perfecta. En la figura 4 se comparaorden de un cristal y un gas constituidos por el mismo tipo de átomos. La representación es eun plano, así que hay que imaginársela en el espacio.

Por lo tanto, como la muestra que estudiamos es cristalina, estamos en presencia de unaestructura regular periódica. "Se trata de una estructura cúbica", precisa nuestro interlocutorlos átomos o grupos de átomos ocupan posiciones tales que forman cubos de lado igual a 24Å (1 Å = 10-10 metros). La estructura es la de una zeolita faujasita como la de la figura 5. Enesta figura, los átomos de silicio y de aluminio ocupan los vértices. Cada uno de ellos estárodeado por oxígenos y dichos oxígenos se encuentran en medio de los segmentos. No hacefalta mucha imaginación para darse cuenta de que este motivo repetido al infinito genera unsistema de cavidades comunicadas que resulta en una serie de canales, la simetría cúbica esevidente. La estructura se basa en un conjunto de cuboctaedros (constituidos cada uno por 2tetraedros*).

La "gran cavidad" tiene un diámetro de 12.5 Å y se tiene acceso a la "cavidad sodalita" de 6.Å de diámetro por las caras hexagonales*, a través de aberturas de 2.2 Å. Son esas mismascaras hexagonales las que sirven para unir a los cuboctaedros, la pequeña cavidad decomunicación es el prisma hexagonal. Esta estructura microscópica origina grandes cristales

cúbicos, fácilmente visibles en el microscopio electrónico de barrido (Figura 6).





Figu ra 5 . Est ruc tu ra de un a zeo l it a f au j as i t a . ( b ) r ep resen tación s imp l i f i cada de l cuboctaed ro ( a ) , en e

que apa recen l os á tomos de ox ígeno (o ) y l os de a lum in io o s i l i ci o ( • ) . Es tos cuboctaed ros un idos

fo rm an a l a zeo l i t a f au jas it a ( c ) .

En resumen, los polvos de nuestra botella son cristalinos y son una zeolita. De hecho, se tratde un aluminosilicato (pues están constituidos por Al, Si, Na y O) hidratado y altamentecristalino (ya que los grupos de átomos están dispuestos ordenadamente). La estructura esporosa y los diámetros de poro son mínimos, o sea de 3 a 10 Å.





Figur a 6 . Zeo l i ta fau j as i ta X observada en e l m icro scop io e lect r ón ico de bar r ido . Los c r is ta les son de 5

aprox im adam ente . Las par t icu las es fér icas son de zeo l i ta P.

El problema inicial está resuelto: la etiqueta de la botella sí corresponde al contenido. Sin

embargo, toda esta investigación sólo ha servido para picar nuestra curiosidad, y nospreguntamos ahora: ¿Existen otros tipos de zeolitas? ¿Qué uso se les da? Y tratándose deminerales lo adecuado es interrogar a un geólogo pues él debe ser capaz de describir laabundancia de las zeolitas en la Tierra, clasificarlas y compararlas con otros minerales,escuchémoslo.

"LAS ZEOLITAS SON MINERALES",DICE EL GEÓLOGO

La existencia de una abrumadora cantidad de silicatos (o sea, compuestos del silicio) en lacorteza terrestre coloca al silicio como segundo elemento en abundancia sobre la Tierra. Casitodas las arcillas*, rocas y suelos de la Tierra están compuestos por silicatos de aluminio,hierro o magnesio. Básicamente están formados por una unidad estructural tetraédricaintegrada por un átomo de silicio en el centro y cuatro de oxígeno que constituyen el "ionortosilicato". Es ion porque le faltan cuatro cargas eléctricas para estar en equilibrio. Tiende plo tanto a asociarse para compensar esa carga.





La complejidad de las estructuras de los silicatos se debe a las muy variadas formas en que senlazan los grupos tetraedrales compartiendo iones oxígeno. De acuerdo con los resultadosexperimentales estos tetraedros se unen entre sí compartiendo oxígenos y forman,dependiendo de su disposición, la gran variedad de especies minerales conocidas.

Figu ra 7 . Nesos i l ica to const i t u ido po r l a un ión de ( a ) dos te t r aed ros , ( b ) t r es t e t r aed ros, ( c ) cua t r o

te t r aed ros o ( d ) se is t e t r aed ros .

Los tetraedros pueden agruparse y disponerse en la red cristalina de modo muy diverso paraquedar saturados en cada caso por los cationes apropiados (iones cargados positivamente) ymantenerse unidos unos a otros. Dependiendo de los tipos de estructura (o grupos) desilicatos, se distinguen:

1) Los ortosilicatos: tetraedros (S iO4 ) - 4 independientes entre sí y unidos por cationes.

2) Los nesosilicatos: dos, tres o cuatro o seis tetraedros unidos entre sí (Figura 7).3) Las redes en cadena: los tetraedros se disponen en serie, uno tras otro, o bien enlazadoscada uno al siguiente formando una cadena abierta (infinita). En la red del cristal estascadenas se unen entre sí, en forma paralela, mediante cationes. Así se forman cadenas (S iOpresentes en minerales como la jadeíta o la tremolina (Figura 8).

4) Las redes en cinta (inosilicatos): se forman cintas por unión simétrica de dos cadenas quese disponen como un objeto y su imagen reflejada.

5) Las redes estratificadas: estas estructuras en hojas (o filosilicatos) se caracterizan poranillos séxtuples de tetraedros unidos en el plano, unos a continuación de otros (Figura 9). Uejemplo típico es la caolinita, en la cual hay Al+3 en sitios octaedrales.





Figur a 8 . Red en cadenas ( S iO3 ) n . En la red c r is ta l ina m uchas de es tas cadenas se unen a d iscrec ión

ent r e sí , en fo rm a para le la , m ed ian t e ca t iones.

Figur a 9 . Red es t ra t i f i cada, an i l los séx tup les de te t raedros un idos en e l p lano.

6) Las redes en andamiaje: en este tipo de estructura de silicatos (tectosilicatos), todos losátomos de oxígeno pertenecen simultáneamente a dos tetraedros; los tetraedros Si O4 formaredes unidas tridimensionalmente.

Las zeolitas son tectosilicatos y constituyen el mayor grupo de esta categoría; constan de unandamiaje de tetraedros Si O4 , que es el esqueleto de la estructura cristalina. Esta estructuraes menos compacta que la de los feldespatos*, por ejemplo. En los huecos abiertos de laestructura se introducen las moléculas de agua sin participar en la cohesión de la red; se trat

del "agua zeolítica", y por eso las zeolitas forman espuma al calentarse. A esta propiedad sedebe su nombre: "piedra que hierve"; del griego, zeo: hiervo, y lithos: piedra.

En 1896 M.G. Friedel en un artículo del boletín de la sociedad francesa de mineralogía ycristalografía titulado "Sobre algunas propiedades nuevas de las zeolitas", comentaba:

Además, y ése es el hecho importante, esta agua no tiene ningún papel en laestabilidad de la red [cristalina] y se puede eliminar sin que [la red] sedestruya. Su papel químico en la molécula es nulo. Parece impregnar a lared como a una "esponja". Esto es lo que los experimentos siguientes meparecen establecer claramente [...]

[Si se deshidrata un cristal grande de chabasita y] se rocía con unas cuantasgotas de agua, dicho cristal frío rechina y cruje violentamente, se vuelvepolvo por el efecto de la súbita dilatación y la reacción se acompaña de unaemisión de calor considerable, muy notable aun al tacto, y que se puedeponer en evidencia con el termómetro más rudimentario. No creo que estehecho, muy curioso y fácil de comprobar, se haya señalado anteriormente.Por otro lado, si el cristal se expone al aire húmedo, recupera su estadoinicial.

Sabemos que las zeolitas son porosas, verdaderas esponjas, como dice Friedel, y por lo tanto





se impregnan de agua. Es esta porosidad, usualmente ocupada por moléculas de agua, la qules confiere a las zeolitas las propiedades notables que iremos descubriendo. Por ahoradigamos que las zeolitas son cristales tectosilicatos porosos en los cuales la relación entre elnúmero de átomos de oxígeno ( z) y los átomos de aluminio ( x ) y de silicio ( y ) es dos, o sea

z/ ( x + y ) = 2

En un inicio, las zeolitas se clasificaron en función de su apariencia externa, hoy se hace enfunción de las características estructurales y de las propiedades fisicoquímicas, aunque la

clasificación y nomenclatura todavía están en proceso de cambio y refinamiento. En algunoscasos es confusa debido a una caracterización inadecuada de zeolitas previamente bautizadaPor lo general, los materiales sintéticos equivalentes se describen con su nombre mineral, poejemplo, mordenita. Los tipos sintéticos nuevos se suelen designar con una letra o un grupo letras que les asigna el investigador original, por ejemplo: A, X, Y, L, ZSM. Así, los tipos X y están estructural y topológicamente relacionados con una zeolita mineral y se les menciona amenudo como zeolitas del tipo faujasita (Cuadro 1).

LAS FAUJASITAS

Pero volvamos a nuestra investigación. Los polvos que estamos estudiando aquí son del grupde las faujasitas según la figura anterior, ya que su fórmula es la de una zeolita X o Y.Centrémonos entonces en este grupo. La estructura de la X y la de la Y son similares:estructura cúbica constituida por celdas elementales de cerca de 192 tetraedros (Si, Al)O4. Aescribir ( Si , A l )O4 queremos decir que son tetraedros de un silicio o de un aluminiocombinados con cuatro oxígenos. La estructura es sorprendentemente estable y rígida. Dehecho, son las zeolitas más "huecas" de todas pues cerca del 50% del volumen de los cristaledeshidratados de las zeolitas faujasitas es espacio vacío (Cuadro 1). Ese espacio es el que sellena de agua cuando la zeolita se encuentra al aire.

La composición química de las faujasitas está dada por:

( M2 / n ) O • A l2O3 • 4 . 5 Si O2 • 7 H2O

en donde M es un catión de valencia n, o lo que es lo mismo:

( M5 9/ n ) [ ( A 1O2 ) 5 9 (S iO2 ) 1 3 3 ] 2 3 5 H2O

En esta última fórmula se ponen de relieve los tetraedros AlO2 y SiO2. Aquí hay 59 átomos deAl para 133 de Si. El número x de tetraedros con un aluminio en su centro, en las zeolitas X,

varía de 96 a 77. En la zeolita Y, x es de alrededor de 76 a 48. Por lo tanto, la muestra queestamos estudiando es una zeolita Y. Más convencionalmente se utiliza el parámetro R que esla razón entre el número de átomos de Si (y) y el número de átomos de Al (x)

R = y / x

El valor de R varía de 1 a 1.5 si se trata de una zeolita X, pero oscila entre 1.5 y 3 en la zeoliY. Recordemos además que los resultados del análisis elemental indicaron que esta zeolita sócontiene sodio además del aluminio, el silicio y el oxígeno. Por ahora, entendemos cómo apartir de tetraedros de silicio o de aluminio se forma la red de zeolita. La presencia de los





aluminios origina una deficiencia de carga eléctrica local que se traduce en centros ácidos.*

Luego, la capacidad de intercambio iónica será alta. En las faujasitas, como ya se mencionó,dichos iones pueden ser Na, K, Ca, etc., y se sitúan en la red de la zeolita, pero ¿dóndeexactamente?

Figu ra 10 . Loca l i zac ión de l os si t i os I , I I y I I I en l a r ed de una zeo l i t a f au jas i t a .

Si se analiza cuidadosamente la figura 10 se comprobará que hay varios tipos de cavidades(gran cavidad, cavidad sodalita y prisma hexagonal) en las cuales se pueden encontrar lossodios. En esta figura, además de la representación convencional de la zeolita, hemos incluiduna esquematización de la red, en dos dimensiones, para señalar las posiciones conocidas

como sitios.

Fueron los cristalógrafos los que demostraron que los sodios se suelen colocar en los sitios I ,I I y I I I . Es más, los cationes, con la deshidratación, se ven obligados a abandonar posicioneen las que estaban vinculados (coordinados) con moléculas de agua cercanas a los oxígenos la red. En promedio, por celda unitaria, 7.5 iones de Na+ se suelen encontrar en el sitio I , 3 0Na+ en el I I y alrededor de 2 0 Na+ en sitios I ' . Además, hay que imaginarse una ciertacantidad de cationes que, con el agua, se comportan como una solución fuerte y flotanlibremente en la red.

En monocristales de faujasitas tratadas con sales acuosas de calcio Ca+ 2 (nótese que las

cargas positivas de los iones metálicos corresponden a las valencias metálicas) y luegodeshidratados, se ha demostrado que los iones calcio prefieren los sitios I a los sitios I I . Enesos sitios las cargas positivas de los iones metálicos quedan balanceados por un número igude cargas negativas.

En zeolitas Y intercambiadas con lantano, iones La3 + se encuentran en el sitio I a temperatuambiente pero se mueven al sitio II a 700°C. Este efecto además es reversible. Sin embargoal contrario de lo que acontece con el agua, los cationes no tienen la libertad de abandonar locristales a menos que se les sustituya por su equivalente electroquímico o por otros cationes,ya que hay que neutralizar la carga aniónica de la red del aluminosilicato. Vislumbramos que,debido a la movilidad de los iones y la posibilidad de intercambiarlos, las zeolitas presentanpropiedades fisicoquímicas prácticas. Por ejemplo, ¿por qué no usarlas como intercambiadore





de iones en el tratamiento de aguas duras, como veremos más adelante?

CUADRO 1. Clas i f i cación de a lgu nas zeo l i tas (d e par t icu la r in t e rés en nuest r o caso serán las fau j as i ta

las pen tas i l ) .

INTERCAMBIO

DE IONES

Por procedimientos clásicos de intercambio que describiremos en el siguiente párrafo sepueden sustituir parte de los iones sodio de las zeolitas faujasitas por cationes de otro tamañy otra carga. Ésta es una de las características esenciales de todas las zeolitas. En efecto, asíse consigue modificar considerablemente sus propiedades y ajustar la zeolita a los usos másdiversos.

El intercambio catiónico se puede efectuar de varios modos:





1) Intercambio en contacto con una solución salina acuosa (intercambio hidrotérmico) o con solvente no acuoso;

2) Intercambio en contacto con una sal fundida. Por ejemplo, una zeolita A, originalmente cocalcio, se pone en contacto con nitratos de litio, potasio o rubidio fundidos hacia 350°C;

3) Intercambio en contacto con un compuesto gaseoso. Por ejemplo, una zeolita faujasita Y,originalmente en su forma Na, se pone en contacto con HCl anhidro o NH3, hacia 250°C.

En general, es el intercambio hidrotérmico el procedimiento más utilizado en el caso de laszeolitas. Intercambiemos entonces, según dicho procedimiento, el Na+ de nuestra faujasita piones (Ca+2). Hay que poner en contacto una cierta cantidad de zeolita faujasita (sodio) conuna solución acuosa de una sal de calcio (como el nitrato de calcio).

A continuación representamos de modo esquemático la superficie de una zeolita en formasódica que se intercambia con iones de calcio. Explícitamente se muestran los átomos de silic(Si), aluminio (Al), oxígeno (O), sodio (Na) y calcio (Ca). Las paredes de los canales queforman la superficie interna están tapizadas de iones de oxígeno. Estos canales contienen unarreglo regular de cationes cuya carga depende de qué tan mala sea la coordinación local o defecto de pantalla debido a los iones oxígeno de la red. Estos canales contienen un arreglo

regular de cationes:

Un solo calcio es suficiente para equilibrar las cargas de los dos grupos A1O4. En la estructurreal la carga negativa no se localiza en un solo tetraedro sino que queda distribuida sobrevarios oxígenos, de tal modo que entre seis y doce de ellos están vinculados con el catión.

Un caso interesante por sus propiedades ácidas es la obtención de la zeolita Y en su forma

hidrógeno. Este material se obtiene remplazando los sodios por moléculas de NH4+ que porcalentamiento se descomponen en NH3 y H+ :





Se ha obtenido una zeolita sin cationes metálicos; se le conoce como decationizada. Lalocalización exacta de los iones H+ en la estructura no está clara.

El intercambio de iones en las zeolitas depende de:

1) La naturaleza de las especies catiónicas, o sea, del catión, de su carga etc.

2) La temperatura.

3) La concentración de las especies catiónicas en solución.

4) Las especies aniónicas asociadas al catión en solución.

5) El solvente (la mayor parte de los intercambios se efectúan en solución acuosa, aunquetambién algo se hace con solventes orgánicos) y,

6) Las características estructurales de la zeolita en particular.

Es bien sabido que los sitios I son los más difíciles de intercambiar en los prismas hexagonaleEl rubidio y el cesio quedan excluidos debido a su tamaño: son demasiado grandes para pasa

a través de aberturas cuyo diámetro es de 2.2 Å.

Figur a 11 . Es t ru c tur a de una zeo l i ta A.

Además, el intercambio de cationes en las zeolitas implica alteraciones drásticas de la





estabilidad y el comportamiento fisicoquímico de la zeolita. Por si fuera poco, el tipo de sitiovaría según se trate de faujasita, mordenita o zeolita L, por ejemplo. El número total de estositios puede exceder, y a menudo excede por mucho, el número de cationes necesarios paraneutralizar la carga aniónica. Como consecuencia, los cationes y las vacancias de cationes sedistribuyen en la red.

Una aplicación particularmente interesante de intercambio de iones se da en la zeolita A, quese parece mucho a la faujasita, en la que, en vez de unirse las cavidades por canaleshexagonales lo hacen por canales cuadrados (Figura 11). La sustitución de cuatro iones de

sodio en los sitios tipo II de la estructura de la zeolita A, por dos iones de calcio altera laestructura cristalina de tal forma que permite la difusión rápida de ciertas moléculas dehidrocarburos* e impide el paso de otros.

Claramente, las características de los poros de la zeolita van a ser de primordial importancia.Es más, dada la regularidad de su estructura, es posible aprovecharlas para tamizar moléculaatrapar compuestos o absorber gases. Con el intercambio iónico es posible alterar el tamaño los canales por los que circulan las moléculas; también gracias al intercambio iónico se puedeanclar metales con propiedades químicas peculiares en algunas de esas posiciones. Pero nosestamos adelantando ya que estos temas se tratarán in extenso en el capítulo III.

GLOSARIO DEL CAPÍTULO I

só l ido . Estado de la materia en el que una sustancia tiene tamaño y forma bien definidos y ssuperficies la separan de toda la materia que la rodea.

e l e m e n t o . Sustancia constituida por una sola clase de átomos.

compues tos . Los químicos manejan muchas sustancias que no son elementos. Por elcontrario, cada una de ellas está compuesta de dos o más elementos combinados en tal formque 1) sólo la acción química puede separarlos y 2) los elementos que componen cadasustancia no pueden ser ya identificados por sus propiedades individuales originales. Talessustancias reciben el nombre de compuestos.

ce lda un i t a r i a . Las moléculas de un cristal forman un patrón estructural que al repetirsetraslacionalmente en tres dimensiones forma el cristal. Este patrón estructural, llamado celdaunitaria, está formado por un átomo o una molécula y es el "ladrillo" básico con el que seconstruye el cristal.

f ó r m u l a q u ím i ca . Así como un elemento puede ser representado por su símbolo, también ucompuesto puede representarse por su fórmula, que consiste en los símbolos de los elementoque constituyen los compuestos, colocados uno a continuación del otro. Una fórmula no dicetan sólo qué elementos están combinados en el compuesto sino también cuánto hay de cadauno.

va lenc ia . La capacidad de combinación de un elemento en un compuesto se conoce comovalencia del elemento.

en lace m o lecu la r . Ligadura química que se produce cuando se comparten los electrones y sforma una molécula de alguna sustancia; su naturaleza es esencialmente eléctrica.

i on . Átomo, o grupo de átomos cargados eléctricamente y cuyas cargas son el resultado de lganancia o pérdida de uno o más electrones molécula.

molécu la . La partícula más pequeña de un elemento o compuesto que tiene todas las





propiedades de ese elemento o compuesto.

energ ía c iné t ica . Energía asociada con un cuerpo o masa en movimiento.

t e t r a e d r o. Poliedro con cuatro caras triangulares.

po l i ed ro . Sólido limitado por todas partes por polígonos planos.

h e x á g o n o. Polígono de 6 lados.

arc i l la . Tierra compuesta de silicato de aluminio hidratado proveniente sobre todo defeldespatos, ávida de agua, impermeable y plástica.

f e ldespa to. Silicato doble de aluminio y de un metal alcalino o alcalino-férreo, de estructuralaminar y de coloración débil.

ác idos. Los ácidos se pueden definir como soluciones que: 1) liberan H2 gaseoso cuandoreaccionan con algunos metales, 2) neutralizan los efectos de las soluciones básicas, 3) haceque el tornasol vire a su forma roja, 4) tienen sabor agrio.

bases. En cuanto a sus propiedades, las bases se pueden definir como soluciones que: 1)reaccionan con soluciones de sales de metales pesados para formar hidróxidos insolubles (enalgunos casos forman óxidos insolubles), 2) neutralizan los efectos de las soluciones ácidas, 3hacen que el tornasol de color rojo vire a color azul, 4) tienen sabor amargo, 5) se sientenresbalosas al tacto.

h i d r o c a r b u r o. Compuesto que contiene solamente carbono e hidrógeno.







I I .SÍ NTESI S DE UNA ZEOLI TA

CÓMO HACER ZEOLITAS

POR ahora sabemos lo que es una zeolita, o sea que estamos en condiciones de definirla y deprobar si un compuesto es o no es una zeolita. Lo hicimos paso a paso con los polvoscontenidos en aquella pequeña botella. Aunque ya sabemos reconocer zeolitas aún no estamen condiciones de prepararlas ¡una cosa es saber y otra hacer!

Este capítulo se consagrará por entero al "hacer". Sentaremos las bases para preparar zeolitay, para ser consistentes, lo centraremos en la obtención de zeolitas faujasitas. Desde luego, euna primera parte observaremos cómo se forman las zeolitas en la naturaleza para duplicarestos procesos en el laboratorio. Así, seguiremos los pasos de los primeros investigadores quimitando los fenómenos naturales consiguieron sintetizar zeolitas. Desgraciadamente, la mayparte de sus trabajos se ha tenido que descartar debido a análisis insuficientes de los

compuestos resultantes.

LAS ZEOLITAS Y SU ÁRBOLGENEALÓGICO

¿Cómo se forman las zeolitas y de dónde provienen? Queremos saber en qué condiciones y apartir de qué compuestos se consigue, en la naturaleza, la síntesis de las zeolitas. Aunqueahora no sea una clasificación lo que buscamos sino una evolución en el tiempo, digamos queuna "historia", nuevamente nos vemos obligados a recurrir a la geología.

El experimento más sencillo sería observar en el laboratorio los procesos naturales, o sea,cristalizar muy lentamente una gran cantidad de roca fundida cuya composición promediofuese próxima a la de la litosfera. Aunque este experimento es difícilmente realizable losgeólogos aseguran, basándose en los fenómenos volcánicos, que la secuencia de cristalesdepositados sería clara. A medida que la lava fluida, homogénea y a muy alta temperatura, senfriase aparecerían primero cristales sin silicatos (o sea, sin átomos de silicio, Si) como loscristales de magnetita (Fe3O4). Luego se detectaría la formación de ortosilicatos, por ejemploel olivino (Mg2SiO4 con contenido variable de Fe2SiO4) y secuencialmente vendrían losmetasilicatos y los feldespatos que son los minerales más corrientes en la corteza terrestre. Uejemplo es la ortoclasa (K Al Si3O8 con pequeño contenido de Na y Ca), el cuarzo (SiO2) com

mineral primario y mezclas de minerales como el granito (que está compuesto por cuarzo,feldespato y mica). En condiciones particulares, estos últimos sólidos darían origen a lasarcillas, las zeolitas y a la larga a alúminas como la bauxita.

Cuando el enfriamiento fuese tal que la lava cristalizase suficientemente como para dar unmagma basáltico rico en álcalis sería probable que se formasen zeolitas por medios acuosossalinos y alcalinos (Cuadro 2). La "zeolitización" también se provoca mediante una caída súbide la temperatura en una lava basáltica.

CUADRO 2. Form ac ión de zeo l i t as en la n a tur a leza.





Hay que recordar aquí que a tan altas temperaturas se pueden generar enormes presionesque, a su vez, pueden acelerar los procesos de cristalización. Cuando la presión alcanza valorextremos es probable que ocurran explosiones, ése fue el caso del monte Pelée, en la isla deMartinica.

Un ejemplo clásico de zeolitas formadas naturalmente son las zeolitas presentes en las rocasvolcánicas de Sicilia, que incluyen la analcima, la chabasita y su variante, la herschelita, laepistilbita, la gmelinita, la gonnardita, la mesolita y la thomsonita. Los cristales de zeolita

suelen crecer bien, lo cual es típico de las reacciones hidrotérmicas en soluciones* de rocasricas en álcalis, como por ejemplo, los basaltos. Las zeolitas debidas a alteracioneshidrotérmicas de corrientes de lava basáltica en regiones geotérmicas existen en muchaspartes del mundo, por ejemplo, en los baños romanos de Plombières (Francia) o en el parquede Yellowstone (EUA). Se trata entonces de zeolitas de origen volcánico.

Por otro lado, como lo discutimos anteriormente (Cuadro 2), las zeolitas también puedenprovenir de sedimentos. En este caso se caracterizan por ser aglomerados de cristales de mupequeñas dimensiones y a menudo con caras cristalinas mal desarrolladas. De todas laszeolitas de origen sedimentario, por ahora, es la clinoptilolita la que parece ser la másabundante. Son este tipo de formaciones las que han dado los grandes depósitos de interés

tecnológico.

¿Y EN MÉXICO?

Siendo México un país en donde hay numerosas zonas volcánicas, es de esperarse que hayazeolitas naturales. Sin embargo, no es sino hasta 1973 cuando F.F. Mumpton publica en larevista American Mineralogist, 28,287 (1973) un artículo que titula "First Reported Occurrencof Zeolites in Sedimentary Rocks of Mexico" (Primer informe sobre la presencia de zeolitas enrocas sedimentarias de México). De ese trabajo transcribimos los siguientes párrafos puespreferimos que sea el mismo Mumpton quien describa el descubrimiento:





Durante las primeras etapas de la exploración para encontrar zeolitas eneste país [se refiere a EUA] (1958-1962), la similitud geológica de lasregiones volcánicas y piroclásticas entre el norte de México y el sur deArizona y California sugería que deberían existir yacimientos de zeolitas alsur de la frontera; sin embargo, no se hizo ningún esfuerzo por probar estaposibilidad, y hasta la fecha no se ha informado de minerales zeolíticos enlas rocas sedimentarias de México.

Durante el verano de 1972 el autor examinó una serie de sedimentos piroclásticos del valle drío Atoyac, alrededor de 15 km al noroeste de Oaxaca, en el sur de México. Aunque límites detiempo impidieron una exploración extensiva del área, se recogieron varias muestras de unprominente yacimiento verde, situado como a unos 100 m al este de la supercarretera 190, akm al norte del pueblo de Etla. Exámenes subsecuentes por difracción de rayos X* de estasmuestras indicaron que el yacimiento está constituido casi únicamente por zeolitas, mordenity clinoptilolita. Esta identificación confirma lo que se cree ser el primer descubrimiento dezeolitas minerales en rocas sedimentarias de México.

Figur a 12 . Yacim iento s de zeo l i tas en la zona de Et la , Oaxaca ( 197 8) .





Figur a 13 . Yac imient os de zeo l i tas en la Repúb l ica Mex icana.

Mumpton describe el yacimiento y hace notar que este tipo de piedra se usa en Oaxaca

[...]en los edificios, los muros, los cimientos y otras estructuras desdetiempos de los mayas, y predominan en los famosos edificios arqueológicosde Mitla y Monte Albán. Fue la presencia de tal material en los muros de lacatedral central en Oaxaca lo que llamó la atención del autor y propició laexploración de campo subsecuente.

En la figura 12 presentamos la geografía de la zona. Este mismo yacimiento es el que Libertode Pablo incluye en el mapa que reproducimos, simplificado, de su sobretiro "The clay deposiof Mexico" (Yacimientos de arcillas en México), trabajo presentado en la ConferenciaInternacional de Arcillas en 1978. Cinco años después del hallazgo de Mumpton ya figura, nosólo el yacimiento de Etla, sino que también el de Ixtlán de los Hervores (Figura 13). Y en 19se han reportado dos nuevos yacimientos, esta vez en el estado de Sonora, uno rico enclinoptilolita en el municipio de Rayón y el otro conteniendo erionita en el municipio de AguaPrieta.

SÍNTESIS DE UNA ZEOLITA

Los antecedentes geológicos (Cuadro 2), sugieren que las zeolitas se generan a partir de unmagma basáltico rico en Si O2 cuando disminuye la temperatura. También se forman si este

magma se pone en contacto con soluciones salinas y alcalinas. Experimentemos, entonces.

Nuestro objetivo va a ser destruir la estructura de los materiales iniciales, separar lostetraedros de silicio y los octaedros de aluminio y volverlos a cristalizar. De hecho, estacristalización sólo es un nuevo arreglo de los octaedros de aluminio y los tetraedros de silicioque constituyen los compuestos iniciales. Si los tetraedros de Si y octaedros de Al estabanordenados en cierta forma, ahora queremos "soltarlos" y volverlos a "fijar". Es como jugar alMeccano.

Iniciemos la síntesis a partir de tres soluciones acuosas: sosa (NaOH) , NaAl ( OH) 4 yNa2Si O3 . Son soluciones típicas, transparentes y fluidas; las partículas de soluto están





distribuidas homogéneamente en el disolvente. Mezclamos sin problemas el NaOH con elaluminato de sodio. Sin embargo, a medida que se va añadiendo la solución de silicato a lamezcla de aluminato y sosa, muy lentamente, a goteo, se nota que la solución resultante sevuelve turbia; ahora el líquido es gelatinoso y viscoso. Se ha formado un gel * ...

La estructura del gel se debe a una reacción* en la cual se forman moléculas grandes a partide muchas moléculas pequeñas (en química se habla de una polimerización * ) . La composicióy la estructura del gel polimerizado hidratado están controladas por el tamaño y la estructurade las especies que se polimerizan. Diferencias en la composición química y el peso molecula

de las especies iniciales en las soluciones silicato conducen a diferencias en las estructuras degel y por lo tanto a diferencias mayores en las fases zeolitícas producidas.

Los geles típicos se preparan a partir de aluminato de sodio, silicato de sodio e hidróxido desodio porque todos son solubles. Durante la cristalización del gel, los iones de sodio y loscomponentes aluminato y silicato se acomodan paulatinamente y tienden a la estructuraordenada de un cristal, lo cual se debe a la depolimerización del gel debido a los ioneshidroxilos (OH) presentes en la mezcla reactiva.

CUADRO 3. Sínt esis de un a zeol i t a.





Figur a 14 . Sín tes is de una zeo l i ta ; mecan ism o de cr is ta l i zac ión .

Viene entonces la formación de núcleos, que son pequeños cristales que a su vez sirven debase para que se formen los cristales grandes de zeolita. Estos núcleos, como en cualquierproceso de este tipo, crecen durante el periodo de cristalización. Como en los gelessupersaturados se forma un gran número de núcleos cristalinos, el producto final consiste enun polvo finamente dividido en pequeños cristales usualmente de sólo unas cuantas micras.

La naturaleza de la zeolita obtenida queda determinada por las condiciones de la síntesis, o slas concentraciones de los reactivos, el pH, el tiempo, la temperatura y la naturaleza, y laconcentración de los promotores* que se introduzcan. Muchas de las fases formadas no son

fases en equilibrio, son metaestables, que con el tiempo se convierten en otras fases másestables, así se trate de zeolitas o minerales. Las reacciones químicas que describen la síntesde la zeolita están dadas en el cuadro 3 y en la figura 14.

La zeolita resultante se debe separar en el momento apropiado y lavar cuidadosamente hastaeliminar de la estructura porosa los productos que no hayan reaccionado. En el cuadro 4resumimos las condiciones típicas para sintetizar algunas zeolitas importantes. En la figura 15dependiendo de la razón de molaridad inicial Na2O/ Si O2 y SiO2 / A l2O3 , se predice el tipo dezeolita que se obtiene. Estos resultados son válidos siempre y cuando se trabaje con salessolubles y rangos de temperatura de cristalización entre 85 y 100°C, lo cual no siempre es elcaso.

CUADRO 4. Cond ic iones t íp icas para s in t e t izar a lgunas zeo l i t as .





Figur a 15 . T ipos de zeo l i tas s in te t izadas según la p rop orc ión de óx idos.

Más aún, también se pueden sintetizar zeolitas a partir de minerales, los caolines* enparticular, cuya composición, en lo que toca al contenido de Si y Al, es muy próxima a la dealgunas zeolitas. Esta alternativa de obtención resulta interesante para nuestro país ya que lasales de aluminio se tienen que importar. Para que la síntesis sea eficaz hay que destruir porcompleto la red del caolín antes de preparar el gel. De allí que todas las patentes o artículosque tratan el tema propongan un tratamiento térmico extremo, preliminar a la disolución delcaolín. Por ejemplo, si se desea obtener zeolita A o faujasita a partir de caolín proveniente de





la región de Huayacocotla, Veracruz, hay que calcinarlo entre 750 y 1 000 °C. En el cuadro 5presentamos los resultados obtenidos: se comprueba que dependiendo de la temperatura decalcinación se obtiene una u otra zeolita y que las relaciones de la figura 15 no son válidas eneste caso.

CUADRO 5. Dependenc ia en t re e l t ip o de zeo l i ta ob t en ida y la t em pera t ura de ca lc inac ión de l cao l ín

No queremos cerrar este capítulo sin mencionar que fue R.M. Barrer, en Inglaterra, el primeren sintetizar, por el procedimiento que hemos descrito, las contrapartes sintéticas de zeolitas

tales como la mordenita, analcima, etc. En 1953, R.M. Milton y colaboradores en EUA

prepararon zeolitas cristalinas sintéticas mediante procesos de baja temperatura que fueronaltamente exitosos y que no sólo reprodujeron zeolitas naturales (faujasita, chabasita), sinoque generaron muchas especies nuevas de zeolitas, como es el caso de la zeolita A.

ZEOLITAS SOBRE PEDIDO

Hemos hablado de tetraedros que se juntan esquina con esquina hasta formar esa red porosallamada zeolita, red en la cual se encuentran cavidades, ventanas y túneles y en donde se

pueden alojar iones como el sodio (Na), el potasio (K) o el calcio (Ca) y en donde cabe unnúmero variable de moléculas de agua. Esos tetraedros son las unidades fundamentales de laestructura, los hay con un átomo de silicio en el centro o bien con un aluminio.

Sin embargo, no parece ser de mayor trascendencia que los tetraedros sean de silicio o dealuminio siempre y cuando se respete el equilibrio de cargas, o sea que las cargas libresdebidas a la presencia del Al se neutralicen con otros iones. Se nos ocurre entonces sintetizazeolitas a partir de tetraedros en cuyo centro sea otro el átomo. Para que este experimentoresulte hay que proponer átomos equivalentes al Si o al Al, o sea que ocupen el lugar del Si odel Al sin alterar demasiado la estructura.

Un caso claro es el del galio (Ga) que por su estructura electrónica puede equipararse con elaluminio. Es más, se tiene el antecedente de que existen galias, así como alúminas. Lapreparación es análoga a la de las zeolitas con aluminio, la diferencia estriba en que las salesiniciales son de silicio y galio. La zeolita resultante difiere de la que contiene aluminio porque parámetro de la red ya no es el mismo. En este tema no parece haber límite y día a día sereportan síntesis originales de sólidos con estructura zeolítica a partir de Be, Cr, Fe, B, Zn, GeV, Ti, P, etcétera.

Es más, obsérvese con cuidado la figura 14, donde se ilustra cómo, cuando el gel cristaliza,existen grandes cadenas flexibles de tetraedros que se organizan alrededor de cationes ymoléculas de agua. Son estos conglomerados, de sodios por ejemplo, rodeados de moléculasde agua, los que sirven de molde para las cavidades de las faujasitas. Una vez formados los





pequeños núcleos de zeolita, el crecimiento de los cristales es rápido.

( a) ( b )

Figur a 16 . Efec to de l semb rado en un a zeo l i ta ZSM-5. (a ) Zeo l i ta ZSM-5 observad a med ian te e l

m ic roscop io e lec t r ón i co de ba r r i do . ( b ) Zeo l i t a ZSM-5 ob t en ida med ian te l a t écn i ca del sembrado (X

6 0 0 0 ) .

En los procesos industriales, en los que el tiempo es una variable importante, convienepropiciar la cristalización mezclándole al gel un poco de zeolita cristalina. Así no hay queesperar a que se formen los núcleos de zeolita sino que de inmediato se pasa a la fase decrecimiento de los cristales. Este artificio se conoce como sembrado y es común en la síntesisde cristales diferentes de las zeolitas. Además de facilitar la síntesis de zeolitas A o X de alta

pureza, la cantidad y el tipo de semilla determina el tamaño de cristal y el estado deagregación.

Naturalmente, como también ocurre en otros procesos de cristalización, estos factores secontrolan mediante distintas variables tales como la agitación, temperatura y composición delos reactivos. Se ha probado que el control de la síntesis mediante el sembrado es una de lastécnicas de más valor. Las micrografías de la figura 16 ilustran el cambio en el tamaño decristal de una zeolita ZSM que se puede obtener mediante sembrado. En este caso el sembradprovoca la disminución del tamaño del cristal por un factor de tres.

Si la cristalización de la zeolita se puede inducir mediante un sembrado, y si depende de lospequeños núcleos de iones con agua, ¿por qué no intentar alterar este mecanismo? ¿Por qué





no cambiar "los moldes"?

Figur a 17 . Es t ru c tur a de una zeo l i ta ZSM-5.

Figu ra 18 . Esquema de l a es t r uc tu ra po rosa de zeo l i t as pen tas i l : ( a ) ZSM-11 ; ( b ) va r i an te i n te rm ed ia

(c) ZSM-5

Desde luego, es de esperarse que si el molde varía, también lo haga el sólido obtenido. Eso eprecisamente lo que hace unos años llevó a cabo Barrer, seguido posteriormente por otroslaboratorios como los de la Compañía Mobil. La síntesis se efectuó usando macromoléculasorgánicas como el TPA o el TBA (tetrapropilamonio y tetrabutilamonio). La originalidad de esttrabajo consistió en utilizar esas enormes moléculas para que alrededor de ellas se ordenaranlos tetraedros de silicio y aluminio. Una vez conseguida la cristalización se eliminan lasmoléculas orgánicas y sólo queda la zeolita, o sea un esqueleto compuesto de tetraedros desilicio y aluminio cuya porosidad se debe a la estructura del TPA o TBA.

La "receta" para sintetizar este tipo de zeolitas no difiere mucho de las síntesis convencionalede zeolitas, salvo que el componente alcalino que promueve el proceso de polimerización del





gel es una base* aminada* orgánica (hidróxido de tetrapropilamonio, por ejemplo, introduciden solución). Las condiciones típicas de cristalización requieren temperaturas entre 150 y 200C y tiempos de 1 a 7 días.

De hecho, este descubrimiento dio origen a toda una familia de zeolitas designadas con lassiglas ZSM, también se le suele llamar pentasil. En la figura 17 se muestra la estructura de lazeolita ZSM-5 (obtenida con TPA). En la figura 18 comparamos la estructura de la zeolita ZSM5 con la ZSM-11 (obtenida con TBA). Tienen un sistema de canales formados por anillos de 1átomos. El tamaño de los poros está entre el de las zeolitas con anillos de 8 átomos (como la

zeolita A o la erionita) y los anillos de 12 miembros como en las zeolitas faujasitas (X, Y).Dependiendo de cómo se dispongan en el espacio las capas constituidas por la estructura típipentasil, se obtienen sistemas de canales variables como los de la figura 18.

Entre la ZSM-5 y la ZSM-11, que son las dos estructuras extremas, existe un número infinitode variantes. Como se muestra esquemáticamente en la figura 18, los dos conjuntos decanales (horizontales y verticales) de la ZSM-11 son rectos, mientras que en la ZSM-5 unconjunto de canales es recto y el otro senoidal. Invariablemente, los canales paralelos a lascapas son rectos. Como es lógico, el análisis e identificación de semejantes estructuras sonmuy difíciles y en general, ambiguos.

Esperamos haber convencido al lector de que es posible variar el tamaño de las ventanas, delos poros, de las cavidades, alterar la composición, intercambiar cationes o modificar lahidratación de las zeolitas, en resumen, que se pueden crear materiales zeolíticos. Por lo tantdependiendo del uso que se le vaya a dar a la zeolita, el químico y el físico están encondiciones de proponer una zeolita adecuada, ya sea modificando las propiedades de lasexistentes, ya sea creando nuevas.

Estos trabajos, de gran repercusión tecnológica como veremos más adelante fueron, de hechla prolongación lógica de líneas de investigación a largo término tan académicas como lamisma síntesis de cristales.

GLOSARIO DEL CAPÍTULO II

so luc ión . Mezcla de dos sustancias, una de las cuales se disuelve en la otra; la sustanciadisuelta se llama soluto y la otra solvente.

d i f r acc ión de r ayos X. Técnica utilizada para obtener información sobre la estructura y lacomposición de los materiales cristalinos.

g el . Sustancia obtenida al flocular una solución coloidal.

reacc ión qu ímica. Cambio en una sustancia o sustancias que produce otras con propiedadequímicas diferentes.

po l imer i zac ión . Unión de varias moléculas de un compuesto para formar grandes moléculas

po l ímero . Se dice de una molécula cuya masa molecular es un múltiplo de la otra denominamonómero.

peso mo lecu lar . El peso molecular relativo de un compuesto es el peso de una molécula deese compuesto en relación con el peso de un átomo de oxígeno, al cual, por convención, se leha asignado el peso de 16.000 unidades de masa atómica.





p r o m o t o r . Sustancia que, incorporada en pequeña cantidad a un catalizador, aumentanotablemente su actividad.

caol ín . Silicato de aluminio puro proveniente de alteraciones de los feldespatos, los granitos,las arcillas blancas; es refractario.

base. Véase ácido y base en el glosario del Capítulo 1.

a m i n a. Nombre químico de los compuestos que se obtienen sustituyendo el hidrógeno del

amonio con radicales hidrocarbonados univalentes.


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I I I .USOS DE LAS ZEOLI TAS

TAMICESMOLECULARES

LA PRIMERA aplicación de las zeolitas salta a los ojos si uno visualiza la figura 11 como uncolador de cocina. Es obvio que si un gas o un líquido está compuesto por dos tipos demoléculas, unas más grandes que las otras, y si disponemos de una zeolita cuyos poros oventanas tengan un tamaño intermedio entre las moléculas pequeñas y las grandes, sólo lasprimeras entrarán en la zeolita, mientras que las segundas seguirán su camino. Así se habráseparado un componente de otro: la zeolita actúa como un tamiz de moléculas. Fue J. McBaiquien informó esta propiedad y acuñó de paso el término tamiz (o malla) molecular, pero fueM. Barrer quien en los años 40, en Inglaterra, demostró por primera vez que las zeolitas secomportaban como mallas moleculares. Con la síntesis de zeolitas en los 50, las separacionespreviamente demostradas en el laboratorio se trasladaron a las fábricas. Así la compañía Uni

Carbide lanzó al mercado, a principios del 54, adsorbentes a base de zeolitas y, la DivisiónLinde, implantó su uso industrial para obtener argón de alta pureza. En efecto, la molécula deargón es ligeramente mayor que el oxígeno y no consigue entrar en la zeolita tipo 4 A a bajatemperatura. Otra de las primeras separaciones a nivel industrial fue la utilización de zeolita 4A para separar trazas de agua en la sustancia congelante de los refrigeradores caseros,aplicación que aún se mantiene.

Hoy se insiste con razón en que los términos zeolita y tamiz molecular no son realmentesinónimos. En realidad, para ser tamiz molecular no es necesario que el material sea unaluminosilicato cristalino con una red abierta que permita el intercambio de iones y unadeshidratación reversible, como es el caso de la zeolita.





Figu ra 19 . Tamaños de po ro de zeo l i t as na tu ra les y s in té t i cas a ( - ) 77 °K y ( - - ) 420 °K comparados co

los d iámet ros c iné t icos de a lgunas m olécu las .

En la figura 19 se dan los diámetros cinéticos en angstroms de algunas moléculas y el tamañde las ventanas de algunas zeolitas. Estos valores no deben tomarse al pie de la letra, ya que

el "tamaño" de las moléculas varía dependiendo del método usado para calcularlo. En la figur19 mencionada, la zeolita A en su forma sódica lleva el símbolo Na-A, si se intercambian lossodios por potasio, el símbolo se transforma en K-A, etc. En la figura 20 se ilustra la forma dalgunas moléculas sencillas y el diámetro cinético correspondiente.

Figur a 20 . Form a de a lgunas mo lécu las senc i l las , D es e l d iám et ro c iné t ico cor respond ien t e .

La temperatura debe tomarse en cuenta. En la figura 19 se comprueba que el tamaño del poaumenta notablemente entre 77 y 420°K (indicado por la línea punteada). A temperaturanormal, las pequeñas moléculas polares* como las del amoniaco ( NH3 ) no entran en lascavidades sodalitas (o β) de las zeolitas A, X, Y. Sin embargo, el agua ocupa esos huecos atemperatura ambiente. Se ha comprobado que al elevarse la temperatura, el NH3 se difundemuy lentamente en las cavidades de las zeolitas X y Y. Una observación adicional de la figura20 es la variación del tamaño de poro dependiendo de los cationes presentes en la zeolita.


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Así, una zeolita en la que los sodios son intercambiados por potasios disminuye su ventana aun valor de 3 Å: en efecto, el ion K es mayor que el ion Na y por lo tanto estorba la entrada dporo. Análogamente es posible sustituir los sodios por calcios. El radio iónico del Ca++ y del N+ es aproximadamente el mismo, pero como sólo se necesita un Ca por cada dos Na parabalancear las cargas de la estructura zeolítica, entonces la abertura del poro está más libre yaumenta de 4.2 Å para la forma Na-A, a 5 Å para la forma Ca-A. Así puede uno calibrarmediante un intercambio controlado el tamaño de la ventana del poro de las zeolitas.

SECADODE GASES

A estas alturas el lector podrá dedicarse a consultor técnico en procesos de refinación delpetróleo y a la pregunta del operador de una planta de etileno sobre el tipo de zeolita queusted recomienda para eliminar agua del hidrocarburo, hará uso de los conocimientosadquiridos. ¿Cuál zeolita elegir?

Lo primero que se necesita es información sobre el diámetro cinético del agua y el etileno:2.6Å y 3.9 Å, respectivamente. Por lo tanto, la zeolita que sacará del apuro a nuestro operador

debe tener una abertura de poro alrededor de 2.65 Å. Del análisis de la figura 19 vemos que zeolita A intercambiada con K cumple con este requisito pues permite la entrada del agua perno acepta al etileno por tener un tamaño mucho mayor. El problema ha sido resuelto pero noha quedado la duda de por qué la mayoría de los gases industriales se deshidratan y cómo seregeneran las zeolitas llenas de agua en sus cavidades.

La respuesta es simple: el agua a baja temperatura forma hidratos que ocasionantaponamientos en las tuberías, es corrosiva y en procesos petroquímicos catalíticos suele serveneno para los mismos o promueve reacciones laterales indeseables. Por otra parte, unmétodo usual de regeneración* consiste en calentar directamente el reactor* que contiene lazeolita impregnada de agua, entre 200 y 300 °C.

Figur a 21 . Capac idad de adsorc ión de agua de la zeo l i ta A en func ión de la tem pera tu ra de

ca len tam ien to .

Una de las propiedades más importantes de las zeolitas, que las hace de uso obligado en


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muchos procesos de deshidratación, es su gran estabilidad térmica y el aumento de sucapacidad de adsorción* con la temperatura, como se muestra en la figura 21, para él caso dla zeolita A. Se observa que su capacidad de adsorción* de agua aumenta sustancialmente acalentarse a 300 °C, permanece casi constante hasta los 600 °C y decae bruscamente atemperatura más elevada.

SEPARACIÓN DEHIDROCARBUROS

Si es posible separar moléculas en función de su tamaño usando una zeolita de diámetroapropiado, ¿por qué no intentar separaciones más sutiles? Al observar la figura 20 quepresenta datos del diámetro cinético de moléculas sencillas, intuimos que además del tamañola forma es característica de las moléculas. Existen moléculas que difieren una de otra sólo psu estructura, aunque la composición sea la misma.

Por ejemplo, el butano tiene como fórmula C4H10, o sea que está compuesto por cuatrocarbonos y diez hidrógenos que pueden no obstante disponerse en el espacio de dos formasdiferentes (Figura 22). El compuesto lineal es llamado butano normal o n-C4H10 y el ramifica

es el isobutano, i-C4H10. Se dice que el isobutano y el n-butano son isómeros. Si el diámetrode poro de la zeolita es exactamente del "ancho" del n-butano, sólo este compuesto podráentrar, como si fuera una enorme oruga, mientras que el isobutano, que parece un auto con antena, no podrá hacerlo. El n-butano tiene un diámetro cinético de 4.3 Å, mientras que el i-C4H10 lo tiene de 5 Å. La zeolita indicada entonces en este caso es la Ca-A.

Figu ra 22 . E l bu tano (C4H

1 0) p u e d e se r : ( a ) b u t a n o n o r m a l ( n - C

4H

1 0) o ( b ) i s o b u t a n o ( i - C

4H

1 0) .

Existen en la actualidad una miriada de procesos que emplean zeolitas para separación ysecado de hidrocarburos, estimándose que sólo en EUA este rubro representa un consumoanual de 18 000 toneladas. En nuestro país, hasta la fecha estos materiales son importados,estimándose un consumo anual de unas 300 toneladas.

LAS ZEOLITASY LOS DETERGENTES


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En el capítulo I dijimos que las zeolitas tienen la propiedad de intercambiar los cationes quemantienen la neutralidad del sistema. Pues bien, esta capacidad del sólido ha permitidocambiar la fórmula de los detergentes de uso común. En EUA, del total de la producción dezeolitas, las que se destinan a este uso representan el 81% del total fabricado ¿Qué hacen lazeolitas en las lavadoras?

Como sabemos, los detergentes contienen ingredientes que neutralizan los iones calcio ymagnesio presentes en el agua. Tradicionalmente existían en el mercado dos tipos de

sustancias que eliminaban los compuestos solubles de esos elementos: los tripolifosfatos (TPy el carbonato de sodio. Sin embargo, los fosfatos en particular fueron atacados por losecologistas quienes atribuyen a estos compuestos efectos nocivos irreversibles en lagos y ríoEl carbonato de sodio presenta la desventaja de que es poco eficiente para eliminar almagnesio presente en el agua debido a que el carbonato de magnesio formado es bastantesoluble en solución acuosa. Por lo anterior, las compañías fabricantes de detergentes enfocarsus estudios hacia los usos potenciales de las zeolitas, en particular la zeolita A.

La eficiencia de un detergente, nos dicen los especialistas de la materia, está determinada enbuena medida por la velocidad con la cual se eliminan los iones mencionados en los primerosminutos de la etapa de lavado. En la figura 23 se muestran resultados de la eliminación delcalcio en los tres compuestos que hemos mencionado. Se puede comprobar que efectivamenel TPF elimina más rápidamente al calcio, seguido de la zeolita A y por último del carbonato.

Figur a 23 . Ve loc idad de e l im in ac ión de ca lc io en agua de lavado.





Figur a 24 . Cant id ad de Ca y Mg res idua l a los 10 m inut os de operac ión en fun c ión de la cant idad de

zeo l i ta añad ida .

En la figura 24 se presentan resultados de Ca y Mg remanentes como compuestos solubles alos diez minutos de intercambio, esta vez en función de la concentración de zeolita añadida ela solución. Como se observa, el magnesio no se intercambia apreciablemente con la zeolitadurante el ciclo de lavado. Lo anterior es debido en parte a un fenómeno cinético: elintercambio es lento debido a que el ion magnesio hidratado se difunde, por su tamaño,lentamente al interior de la zeolita. La otra causa es que el intercambio de sodio por magnesies termodinámicamente menos favorable que el de sodio por calcio.

Si bien la zeolita A no pudo sustituir totalmente a los fosfatos, sí permitió lograr una reducciósustancial de la concentración de estos últimos en las fórmulas, con la ventaja adicional de qla zeolita se elimina fácilmente por los procesos convencionales de tratamiento de aguas,además de que no se ha comprobado que su presencia ocasione trastornos a los animales delagos y ríos.

CATÁLISIS Y

SELECTIVIDAD*

DE FORMA

Hasta ahora nos hemos referido a las aplicaciones de las zeolitas, como la zeolita A, cuyasaberturas son circulares, pero en otros casos pueden ser elípticas, como el caso de la chabaso erionita, lo que produce sutiles diferencias en la selección de moléculas, diferencias debidasun factor de forma. La distorsión de la red aluminosilicato es también un factor importante. Adeshidratarse la chabasita intercambiada con calcio, se distorsiona, y aberturas que eranesencialmente circulares de 3.9 Å de diámetro se transforman en elipsoidales de 3.7 X 4.2 Å.

Trataremos de demostrar que la selectividad debido a la forma de las moléculas desempeña papel de suprema importancia en varias reacciones de hidrocarburos con zeolitas. La ZSM-5 euna zeolita que por su estructura particular tiene una selectividad de forma capaz de discerni


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diferencias muy pequeñas entre un grupo de moléculas, distinción que para otras zeolitas serimposible. Presenta canales interconectados más o menos elípticos y con aberturas de 5.3 a 6Å, o sea que difiere de las zeolitas de poros grandes como las faujasitas o la mordenita así como de las de poro pequeño como la erionita o la zeolita A. Podemos decir, a manera deresumen, que la selectividad de forma de la ZSM-5 combina dos tipos de efectos: a) el primerelacionado con restricciones estéricas en los sitios activos y b) el segundo debido a lapresencia de caminos difusionales* preferenciales (que son los canales elípticos y lineales pahidrocarburos aromáticos e isoparafinas) o los canales en zigzag, casi circulares (para lasmoléculas de reactivos más ligeros).

Figu ra 25 . Es t ruc tu ras t í p i cas de d i ve r sos h id rocarbu ros de l pe t ró leo : ( a ) pa ra f i na ; ( b ) o le f i na ; ( c )

n a f t e n o; ( d ) a r o m á t i co .

Aquí es necesario abrir un paréntesis para explicar brevemente algunos conceptos denomenclatura de sustancias químicas, ya que de ellas hablaremos a menudo en la continuacióde este libro. Existen esencialmente cuatro tipos de hidrocarburos: parafinas, olefinas, nafteny aromáticos. En la figura 25 se muestran cuatro estructuras representativas de cada uno deellos. Las parafinas están compuestas de átomos de carbono conectados por enlaces sencilloscomo ya lo vimos cuando hablamos del butano y del isobutano; las parafinas pueden serlineales o ramificadas. Las olefinas son hidrocarburos cuya cadena abierta contiene un enlacedoble (fórmula Cn H2n) como puede verse en la figura 25 (b). Los naftenos son simplementeparafinas cíclicas mientras que los aromáticos están constituidos por una unidad básica que e

el anillo de benceno que contiene tres enlaces dobles.

Bien, decíamos que las propiedades expuestas de la zeolita ZSM-5 son una manifestación de porosidad intracristalina de las zeolitas. El área externa de los cristales es de alrededor de 1%del área superficial equivalente. Tenemos entonces un sólido cuya relación área/volumen esenorme, constituido por túneles tapizados de oxígenos en los cuales los sitios iónicos dealuminio retienen agua. Por lo tanto, en toda área de la química que se necesite la intervencide una superficie que favorezca la reacción, las zeolitas serán materiales de gran interés. Esarama de la química se conoce como "catálisis" y las propiedades catalíticas de las zeolitas sonconocidas por todo químico.


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Un catalizador es una sustancia que modifica y, muy particularmente, acelera (actividadcatalítica) una reacción química, "solamente con su presencia", es decir que el catalizador seencuentra al final de la reacción idéntico a sí mismo. Dado que cualquier reaccióntermodinámicamente posible puede ocurrir en un cierto grado a una temperatura elevada, sededuce que el propósito de usar catalizadores es el de proveer la selectividad pertinente paradirigir la transformación por un camino deseado.

En esta sección estudiaremos los efectos catalíticos de las zeolitas en algunas reacciones. Pocmagia hay en hechos tan insólitos como la transformación del alcohol en gasolina, o bien la

obtención de petroquímicos útiles a partir del petróleo. Estudiaremos por qué en un caso y enotro son necesarias las zeolitas y, como se trata de la acción de una superficie, empecemoscon lo más sencillo: una superficie plana.

En la figura 26 se ilustra cómo los átomos de la superficie de un cristal se encuentrandispuestos de manera distinta a la de sus vecinos. En efecto, el entorno de los átomospertenecientes al volumen del sólido es distinto del de los átomos de la superficie. Los delvolumen están totalmente rodeados por átomos vecinos y alcanzan el equilibrio eléctrico, alcontrario de los de la superficie que, para tender a ese equilibrio, se relajan. Hay entonces enla superficie un desequilibrio que propicia la adsorción de otras moléculas, o sea que losátomos de la superficie retienen moléculas de gas o de sustancias en solución. Como elburgués gentilhombre que hablaba prosa sin saberlo, nosotros hemos usado este concepto enlos capítulos anteriores cuando veíamos el agua ligada a la superficie de los túneles: de hechestá adsorbida en la red aluminosilicato de la zeolita. Desde luego, cualquier imperfección enesa superficie altera sus propiedades adsortivas.

Figu ra 26 . D i fe renc ia en t re l os á tom os de una supe r f i c i e y l os á tomos de l vo lum en de un c r i sta l . En ( a

se rep resen ta una re la jac ión deb ida a la i n te r rup c ión súb i t a de l m a te r i a l , en ( b ) una con t racc ión y en

una re la jac ión tangenc ia l .

Estas imperfecciones pueden ser estructurales (ventanas, túneles, cavidades) o químicas(presencia de otros iones, aquí Na, K, Ca, etc.). Sin embargo, el descubrimiento de unaactividad catalítica asociada con el interior de los aluminosilicatos ha liberado al químico deesta preocupación. Por ejemplo, las zeolitas X o Y poseen tal estructura que sus espaciosintracristalinos permiten la difusión de las moléculas voluminosas. La interfase entre esasmoléculas y la zeolita Y no es el final abrupto de una estructura sólida tridimensional.





HACIENDO GASOLINAA PARTIR

DE METANOL

Si imaginamos las moléculas como complicadas cadenas, orugas habíamos dicho antes, aladsorberse sobre una superficie una de sus secciones quedará fija, y con todo, inválida,reacciona. Cuando sus enlaces se rompan será más probable que sean siempre los mismos. Ecomo si fijamos una regla a la mitad de una hoja de papel, lo más probable, al tirar de ella, eque se corte siguiendo el filo de la regla. Cuando necesitemos medias hojas, será éste elprocedimiento a seguir y no se nos ocurrirá cortar hojas al azar, para después separar las qucasualmente se hayan cortado como queríamos. ¿Y qué es la gasolina sino una serie demoléculas rotas de petróleo? Sí, la gasolina son cadenas de cuatro a diez carbonos conhidrógeno.

Digamos que necesitamos gasolina. ¿Cómo obtenerla? Se nos ocurren por ahora dos caminosEl más directo es, ya lo dijimos, seccionando moléculas mayores; el segundo, guiándonos poel sentido común, tiene que ser uniendo moléculas más pequeñas constituidas, digamos, poruno o dos carbonos e hidrógeno. En esta última categoría está la obtención de gasolina a par

de alcohol (metanol en particular).

La reacción es la siguiente:

x CH3OH ( CH2 ) x + x H 2O

( m e t a n o l ) ( g a s o l in a ) ( a g u a )

en donde CH2 repetido"x" veces, si"x" vale entre 4 y 10, es la gasolina (constituida porparafinas, olefinas, naftenos y aromáticos). La formación de hidrocarburos a partir del metanrequiere la eliminación del oxígeno, la cual puede ocurrir de tres maneras diferentes: como

H2O, CO o CO2 (la eliminación como O2 está prohibida por la termodinámica).

Figu ra 27 . Esquema de una p lan ta pa ra l a p r oducc ión de gaso l i na a pa r t i r de m e tano l .





Figu ra 28 . D i st r i buc ión po r cen tu a l de p roduc tos ob t en idos en l a s ín tes i s de gaso li na a pa r t i r de me t an

con zeo l i ta ZSM-5.

Bien, confrontemos ahora nuestras teorías con la experimentación, con los hechos. Ya lo dijoOrtega:

Esta faena es la ciencia, como se ve consiste en dos operaciones distintas.Una puramente imaginativa, creadora, que el hombre pone de su propia ylibérrima substancia; otra confrontadora en lo que no es el hombre, en loque le rodea, en los hechos, en los datos. La realidad no es dato, algo dado,regalado sino que es construcción que el hombre hace con el material dado[...] Este carácter, en parte al menos, imaginativo de la ciencia hace de ellauna hermana de la poesía. Pero entre la imaginación de Galileo y la de unpoeta hay una radical diferencia: aquélla es una imaginación exacta.

A los hechos, pues. Operamos el aparato del esquema mostrado en la figura 27, al cual, comsiempre, le añadimos válvulas, manómetros, etc. El metanol pasa por la zeolita ZSM-5contenida en el reactor catalítico del cual sale una mezcla de gasolina (eso esperamos), aguaalgunas moléculas gaseosas. Analicemos los productos de la reacción. En la figura 28 se





muestran los resultados de tal análisis expresados como porcentajes de cada uno de losproductos obtenidos. ¡Estamos obteniendo 90% de gasolina!

UN RECORRIDOPOR LOS CANALES

Hay que hacer notar que por ahora sólo hemos hablado de la zeolita como una simple

superficie y nos consta que sólo la ZSM-5 produce gasolina a partir de metanol. ¿Por qué? Aestas alturas el lector convertido en investigador está preparado para contestar. Es obvio queno sólo es necesaria una gran área superficial, sino que son algunas de las peculiaridadesestructurales de la ZSM-5 las que propician esta transformación.

Analicemos ahora la estructura de la zeolita en función de la reacción que nos interesa. Elprimer requisito va a ser que los reactivos puedan invadir los cristales de zeolita (típicamentede un micrón de tamaño) y que los productos puedan salir. He aquí un punto importante: lazeolita actuará como tamiz molecular tanto de los reactivos como de los productos, es más,efectuará una selectividad de forma. El acceso al interior de los cristales de zeolita estácontrolado por ventanas enmarcadas de oxígenos cuyas dimensiones dependen de la

estructura de la zeolita. La mayoría de los sitios activos (o sea las configuraciones de átomossusceptibles de favorecer la reacción deseada) están presentes en los poros o cavidades que,su vez, son de tamaño molecular.

Lo anterior podemos explicarlo fácilmente si analizamos más a fondo la distribución deproductos aromáticos obtenidos de la transformación del metanol con tres tipos de zeolitasdiferentes: erionita, de abertura de poro pequeña, ZSM-5 y ZSM-11, de poros intermedios ypor último mordenita, de grandes poros. La figura 29 muestra los resultados para las zeolitasmencionadas. En primer lugar, notamos que no hay datos para la erionita. ¿Se nos olvidóincluirlos? Afortunadamente no, la erionita sólo produce hidrocarburos de bajo peso moleculael benceno y otros aromáticos no pueden entrar en las cavidades y por lo tanto tampoco seproducen durante el curso de la reacción.

Figu ra 29 . D i s t r i buc ión po rcen tua l de p roduc tos a rom á t i cos ob ten idos en l a t r ans fo rmac ión de l me t an

con t res t ipo s de zeo l i tas .

Imaginemos ahora a la molécula de metanol que ya ha penetrado por las ventanas de la ZSM





5: al llegar al interior se encuentra sujeta a un entorno determinado por la estructura y lacomposición de la zeolita. Geométricamente, este entorno consiste de túneles anchos y rectoverdaderos ejes viales, que se intersectan con túneles más estrechos y zigzagueantes. En laZSM-5 y la ZSM-11 no hay cavidades, sólo intersecciones y es aquí el único lugar en donde sedispone de un poco más de espacio. En la ZSM-5 sólo hay un tipo de intersección, pero hay den la ZSM-11, uno similar al de la ZSM-5 y otro que genera un espacio ligeramente mayor.Esta distribución espacial de los canales influye en la selectividad de forma. Los aromáticos d8 carbonos se favorecen en la ZSM-5 respecto a los de 9 carbonos que sí se dan en la ZSM-1lo cual quizá se debe a que el volumen libre en la intersección de la ZSM-11 es

aproximadamente un 30% mayor que en la otra zeolita. Así se ha llegado a postular un contrde tránsito molecular para zeolitas que tienen dos tipos de túneles que se intersectan. Se creque algunas moléculas se pueden mover preferentemente por un sistema de canales, mientraque otros productos se mueven por el sistema restante. Los resultados en el caso de lamordenita nos muestran que la distribución de productos aromáticos de once y más carboneses mayoritaria dado que no hay restricciones geométricas para su formación.

Un último punto a considerar es la difusión. ¿Con qué facilidad se mueven las moléculas en einterior de los túneles? El movimiento de los reactivos, o sea la difusión, depende una vez máde la composición y estructura de la zeolita. La regularidad de los poros de la zeolita implicaque una molécula que se difunde a través de un cristal de zeolita se encuentre

permanentemente (¿paradoja?) bajo la influencia de la superficie de la zeolita. De allí que aveces sean necesarios cristales pequeños para limitar esta influencia al mínimo, o viceversa.

Una vez que la molécula de alcohol ha alcanzado el sitio activo, ¿qué sucede?Tradicionalmente, el investigador en este campo ha tratado de descubrir el sitio activo queorigina la catálisis. Históricamente, esa meta, objetivo lógico, ha sido de lo más frustrante encatálisis heterogénea, en parte, como se dijo anteriormente, debido a la dificultad en aplicarconceptos químicos familiares y técnicas convencionales a lo que se conoce como "superficie"

Esos sitios activos son ante todo sitios ácidos. No describiremos aquí cómo actúan esos sitiosácidos sobre las moléculas del alcohol y cuál es el mecanismo detallado por el que se formancompuestos intermedios que generan los productos finales. Es demasiado complejo. Tanto m

que aún se cuestiona la forma en que se produce el primer enlace C-C. No obstante, acontinuación reproducimos una de las versiones simplificadas propuesta, pues siempre,sorprendentemente, hay algún erudito entre nuestros lectores:

ZEOLITAS SELECTIVASHECHAS A LA MEDIDA

De lo visto anteriormente podemos pensar que se puede alterar la estructura de la zeolita pa"calibrarla"; regular sus propiedades de tal modo que se obtenga el producto o los productosdeseados en tan alto porcentaje como sea posible.

Por ejemplo, en la misma conversión del metanol sobre la ZSM-5 se puede orientar la reaccióa fin de obtener altos rendimientos en olefinas si la zeolita se modifica añadiéndole fósforo (la





olefinas, en general, son sumamente valiosas como materia de base para la fabricación demuchos petroquímicos). Otro tipo de alteración puede ser bloquear los sitios activossuperficiales de los cristales, ya que éstos pueden catalizar reacciones no selectivas de forma(el sitio activo ya no se encuentra en un túnel). Una posibilidad extra puede ser la deposiciónde óxidos en la superficie externa de los cristales. Trabajos recientes confirman que el fósforoel boro sí se concentran en la superficie externa de los cristales, aunque es inevitable ciertapenetración en los huecos intracristalinos. Adicionalmente, se modifican las propiedades ácidy el espectro de adsorción. También la presencia de cationes adecuados en posiciones clavespuede modificar los caminos de difusión.

ROMPIENDOMOLÉCULAS

DE PETRÓLEO

Revisemos ahora el segundo método (es decir, el rompimiento de moléculas de petróleo) parla obtención de gasolinas en el cual las zeolitas juegan un papel fundamental: la desintegracicatalítica.

Mediante este proceso se obtiene ante todo gas licuado, gasolinas con alto índice de octano ydiesel. Es sin duda el proceso de refinación más importante en la historia de la industria puesproporciona el combustible para prácticamente todos los medios de transporte, el gas que seemplea tanto en los hogares como el que sirve de materia prima para innumerable cantidad dprocesos petroquímicos. Aunque a primera vista parezca exagerado, se dice que sin loscarburantes se disminuiría la capacidad de alimentación de todo el planeta; se calcula que pahacer producir una hectárea de maíz se requieren unos 600 litros de gasolina.

Figur a 30 . Árbo l de product os bás icos de l pe t ró leo c rudo.

En el mundo, aproximadamente unos 9 millones de barriles de petróleo se destinandiariamente al proceso, para lo cual se requieren unas 295 000 toneladas anuales decatalizador. En México se procesan actualmente unos 260 000 barriles diarios (un barril de





petróleo equivale a 159 litros), consumiéndose aproximadamente 10 000 toneladas decatalizador al año.

Para entender la importancia estratégica del proceso es interesante ubicarlo dentro delesquema de refinación primaria del petróleo crudo, para lo cual nos apoyamos en la figura 30que nos muestra los productos básicos obtenidos por los diversos procedimientos físicos yquímicos a que se somete el petróleo. Debemos mencionar que el crudo abarca desde el asfahasta el gas licuado. Lo primero que se hace en la refinería es separar, mediante destilación ycondensación a diversas temperaturas, diversos componentes: de esta manera se produce ga

licuado, gasolinas, kerosinas o diesel. El remanente se somete a una nueva destilación, estavez al vacío, obteniéndose parafinas, aceites lubricantes y el gasóleo, el cual es la materiaprima para el proceso de desintegración catalítica.

El inventor de la desintegración catalítica para la obtención de gasolina fue el ingeniero francéE. Houdry, apasionado de las carreras de autos, quien en 1922 funda una compañía paraintentar mejorar la calidad de los carburantes. En 1936 empieza a operar en EUA la primeraplanta que emplea un catalizador a base de arcilla natural lavada con ácido, el cual fuesustituido unos años después por silicoaluminatos sintéticos.

El proceso de desintegración catalítica semeja una enorme fábrica en la cual cientos demoléculas diferentes son transformadas simultáneamente (se calcula que por cada gramo decatalizador, 2.4X1017 moléculas se convierten cada segundo). En el proceso se producencientos de nuevos compuestos, sin embargo, el fenómeno no se lleva a cabo anárquicamentesino siguiendo caminos de reacción que están gobernados por la formación de los llamadosiones carbonio, es decir, un ion hidrocarburo con una carga positiva en el átomo de carbono.Estas especies se generan por la interacción de la molécula con un centro ácido del catalizado

A principios de los años 50 se buscaban febrilmente mejores catalizadores para el proceso. Loinvestigadores estaban concientes de que desde el punto de vista estructural, lossilicoaluminatos amorfos eran sólidos que no presentaban una estructura uniforme niordenada, razón por la cual se pensaba que del total de la masa sólo una fracción muypequeña era catalíticamente activa. Por otra parte, el interés también se centraba en mejora

el rendimiento en gasolina y disminuir la producción de gases. Así, debía existir un catalizadohipotético en el cual los sitios activos estuviesen dentro de los poros y que el tamaño de éstofuese ligeramente mayor que el de las moléculas a desintegrar.

Figur a 31 . Desin t egrac ión ca ta l í t i ca de un gasó leo emp leando zeo l i tas fau jas i t as X in t e rcamb iadas con





d ive rsos me ta les : X-Ca = ca lc io , X -Mn = manganeso y X-L = l an tán idos .

Figu ra 32 . Est im ac iones de l número de ba r r i l es de crudo aho r r ados en func ión de l i nc remen to en l a

prod ucc ión de gaso l ina generado por e l uso de cata l izador es zeo l í t i cos en la des in tegr ac ión ca ta l í t i ca .

En 1956, Plank y Rosinski, dos investigadores de la Compañía Mobil, buscaban nuevoscatalizadores para el proceso. En su laboratorio contaban con una serie de muestras de zeolitfaujasita X intercambiadas con diversos metales, las cuales decidieron probar en ladesintegración de un gasóleo.

Para realizar sus pruebas, tomaron 10% de zeolita y la mezclaron con un silicoaluminatosintético. Tres variedades de metales en la zeolita fueron evaluados: calcio, manganeso y unamezcla de lantánidos (Ce, La, Nd). En la figura 31 reproducimos los resultados obtenidos de lreacción, en ella denominamos X-L a la zeolita que contiene los lantánidos. Cuando estos

investigadores confrontaron los resultados obtenidos con los de los silicoaluminatos sintéticosobservaron las siguientes ventajas: la adición de 10% de zeolita producía entre 6 y 9% más gasolina, hasta 6% menos de gases y convertía al gasóleo unas 100 veces más rápido que elsilicoaluminato. La actividad de las zeolitas era tan elevada que estuvieron a punto de serdescartadas como candidatas. En efecto, los resultados mostrados se refieren a materialestratados previamente por 20 horas a 650 °C antes de iniciar la prueba a fin de simular laregeneración que se lleva a cabo en el reactor industrial. Durante ese proceso de tratamientola zeolita pierde parte de su actividad inicial y se vuelve selectiva para la formación degasolina; sin el tratamiento previo, la actividad de transformación es tan elevada que lo únicoque se observa es una gran formación de gases y depósito de carbono en el sólido.

Podríamos estar tentados a pensar que las mejoras introducidas por las zeolitas en el procesoson modestas, pues ¿qué representa un 6% más de gasolina? Para tener una idea del impactde los nuevos catalizadores, en la figura 32 se muestran algunos cálculos realizados hace 20años para datos de procesamiento de gasóleo en EUA: si suponemos que las zeolitas produceen promedio un 7% más de gasolina respecto a los silicoaluminatos amorfos, el ahorro anualde gasóleo que no hubo que procesar es de 190 millones de barriles.

De 1961, fecha en que iniciaron su operación los nuevos catalizadores, a nuestros días, losavances para mejorar la eficiencia de los mismos ha proseguido. Debe destacarse en particulla sustitución de la zeolita X por la Y, notablemente más resistente a las altas temperaturas doperación del proceso.





NUEVAS TENDENCIASEN DESINTEGRACIÓN

Hoy en día, la industria enfrenta nuevos retos para el procesamiento del petróleo. Comosabemos, los crudos son "más pesados" (como el crudo Maya), o sea que están constituidospor moléculas más grandes y por ende más difíciles de romper en productos ligeros. Lasfracciones del petróleo de estos crudos útiles para el proceso de desintegración contienen

moléculas cuyo diámetro cinético va desde los 25 hasta los 150 Å, siendo el promediomayoritario de unos 50 Å. Obviamente, estas moléculas no pueden penetrar los poros de laszeolitas disponibles en la actualidad. Por tanto, los científicos, como lo hicieron Plank yRosinski, buscan el catalizador hipotético: una nueva zeolita de poros más grandes,térmicamente estable, con iones intercambiables que permitan modular la acidez del sólidopara que la desintegración produzca la gasolina requerida.

Los nuevos catalizadores se desarrollan febrilmente en distintos laboratorios. La pista pararesolver el problema ya fue dada. La materia prima para la fabricación de los catalizadores defuturo se dejó de usar hace más de 50 años: ¡las arcillas del proceso Houdry! En efecto, comvimos en el Capítulo I, existen arcillas con estructuras laminares (filosilicatos) cargadas

negativamente y que tienen los iones positivos intercalados entre las láminas. Si esos iones ssustituyen por cationes más voluminosos, se produce una separación de láminas, creándose poro o ventana que permite el acceso de moléculas a cavidades de gran volumen. Se informaen la bibliografía de materiales con poros hasta seis veces más grandes que los de las zeolitaconvencionales. Más aún, el tamaño y forma de los poros depende del catión empleado como"proyectil" para hacer las perforaciones necesarias en la estructura laminar.

Estas investigaciones fueron iniciadas hace unos 25 años por Barrer, irónicamente las dejóinconclusas porque sus métodos de síntesis de zeolitas tipo X y Y lo hicieron dedicar todas suenergías a ese trabajo.

¡LAS ZEOLITAS

SE COMEN!

Hasta aquí hemos destacado algunas de las aplicaciones de las zeolitas en procesos detransformación de productos químicos, así como aquellos relacionados con la separación decomponentes. Exploremos otros usos.

Desde hace ya muchos años los yacimientos naturales de clinoptilolita y mordenita se hanvenido empleando en diversos países como parte de la alimentación de animales así como enel tratamiento de la contaminación generada por el excremento de los mismos. En Japón, por

ejemplo, que posee ricos yacimientos de estas zeolitas, es práctica común añadirlas en elalimento de aves y cerdos.

Diversas publicaciones aparecidas en años recientes nos enteran que en 1966 se realizaronpruebas en aves a las que en su alimentación se añadió 10% de zeolita por un periodo de 14días. Los resultados mostraron que las aves aumentaron de peso calculado por unidad dealimento consumido (excluyendo la zeolita), es decir, la eficiencia alimenticia fue un 20%mayor respecto a la obtenida para aves de control alimentadas normalmente. En unaexperimentación más prolongada en la que se empleó clinoptilolita de California se encontró uincremento en la eficiencia alimenticia del 5%, pero más destacado aún fue el hecho de que elas aves no tratadas hubo 4% de fallecimientos, mientras que todas las tratadas con zeolitas





sobrevivieron. De igual manera se han notado incrementos en la eficiencia alimenticia entre 229% en pruebas realizadas con cerdos.

¿Qué hace que los animales engorden más cuando en su dieta se incluye una zeolita? Larespuesta, como en el caso de los procesos catalíticos que revisamos anteriormente, no escategórica. Una explicación a este curioso mecanismo es que las zeolitas presentes en elsistema digestivo de los animales absorben una parte de los nutrientes ingeridos en suscavidades, reteniéndolos por un cierto tiempo y, posteriormente, los van dosificando poco apoco, razón por la cual el animal aprovecha mejor lo que come.

Además, en todos los casos, incluyendo el ganado vacuno, se nota una acción profilácticacuando se adicionan zeolitas en la alimentación. Sin pretender que las zeolitas sean la panaceque resuelva los problemas del campo, vale la pena recordar que en 1980 se registraron ennuestro país 11 millones de bovinos, 2 de ovinos y 3 de caprinos y que su alimentaciónprovoca un agudo deterioro ecológico en muchas zonas del país: por el cambio radical de lacomposición florística de los pastizales, la erosión acelerada y la destrucción de enormesextensiones con ecosistemas forestales.

Aunado a su uso como suplemento alimenticio, las zeolitas permiten controlar el mal olor ycontenido de humedad de los desechos animales. En particular, la eliminación del amoniacogenerado por descomposición fecal aporta beneficios pues reduce la incidencia deenfermedades y mortalidad en aves y cerdos. En el caso de las aves, las concentraciones deamoniaco del orden de 20 partes por millón provoca daños en el tracto respiratorio, pérdida dpeso y disminución en la producción de huevos, sobre todo en criaderos en los que, debido a creciente demanda de alimentos, la densidad de animales es muy elevada. Para estosmenesteres, las zeolitas son espolvoreadas en corrales y criaderos ayudando de esta maneramantener un ambiente más limpio y combatir la contaminación de ríos y mantos acuíferoscercanos. Además, las proteínas no digeridas que se encuentran presentes en los excrementorepresentan una fuente natural de fertilizantes para suelos agrícolas. En este último rubro, enJapón, el uso de zeolitas para neutralizar la acidez de suelos volcánicos se remonta a cientosde años y representa el uso principal de estos materiales en ese país.

GLOSARIO DEL CAPÍTULO III

m olécu la po la r . Molécula que posee un momento eléctrico.

r egene rac ión . Proceso para quemar cuidadosamente el carbón depositado en el catalizadordespués de una reacción, evitando el sobrecalentamiento que podría dañar la estructura.

r eac to r . Recipiente en el cual se lleva a cabo una reacción química.

adso rc ión . Retención de las moléculas de un gas o de una sustancia en solución o ensuspensión sobre la superficie de un sólido.

se lec t iv idad. Medida del grado al que un catalizador orienta una reacción hacia los productodeseados.

d i fus ión . Propagación de las partículas de un fluido al penetrar un sólido (o un líquido másdenso); propagación que tiende a una distribución homogénea del fluido en el sólido.










IV.CONCLUSIÓN

I V.CONCLUSI ÓN

EL ESTUDIO de las zeolitas se inició en 1756 por A. F. Cronsted. Una rara curiosidadacadémica fue comprobar que servían de tamiz molecular, pero hoy se ahorran miles demillones de pesos con sus variadas aplicaciones en la industria. Sin embargo, hace solamenteunos cuantos años que se estudian en nuestro país, y apenas ahora se plantea, con angustiala necesidad de encontrar yacimientos, sintetizarlas, entender sus propiedades o ampliar suutilización.

Quizás, si en 1756 el estudio de las zeolitas se hubiese iniciado en México, si eso que en sumomento fueron curiosidads académicas se hubiesen sabido sopesar aquí, hoy exportaríamostecnología en gran escala. Estamos convencidos de que el público ha sabido leer entre líneas ha comprendido que las zeolitas son un "caso típico", de que reflexionará sobre lo que es elconocimiento, sus aplicaciones y de cómo debe transmitirse. A modo de conclusión,transcribimos las palabras de Einstein que para este país, y para esta época son de particularrelevancia:

Cualquiera que haya tratado alguna vez de exponer un tema científico a unpúblico no especializado sabe lo difícil que es hacerlo. O logra hacerseininteligible al ocultar la esencia del problema y ofrece al lector aspectossuperficiales y alusiones vagas, engañándole, así, al hacerle creer quecomprende; o bien, le da una experta explicación del problema, de tal índoleque el lector que no tiene especial preparación es incapaz de comprender laexposición y pierde las ganas de leer. Si omitimos estas dos clases deintento de divulgación científica actual bien poco queda. Pero este pequeñoremanente es muy valioso. Tiene mucha importancia el dar oportunidad alpúblico de percatarse, consciente e inteligentemente de los esfuerzos yresultados de la investigación científica. No basta con que unos cuantos

especialistas comprendan, elaboren y apliquen cada resultado. Restringir elacceso al campo del conocimiento a un pequeño grupo mata el espíritufilosófico de la gente y conduce a la pobreza espiritual.







LECTURAS RECOMENDADAS*

SOBRE ZEOLITAS:

D.W. Breck, Zeolite Molecular Sieves, John Wiley & Sons, Nueva York, 1974.

R.M. Barrer, Hydrothermal Chemistry of Zeolites, Academic Press, Londres, 1982.

P. del Ángel y J.M. Domínguez, "Nuevos Métodos de Microscopía aplicados al Estudio de lasZeolitas: los catalizadores del futuro", en Ciencia y Desarrollo 77, 65, 1987.

P. Bosch, L. Ortiz e I. Schifter, "Synthesis of Faujasite Type Zeolites from Calcined Kaolins",I nd. Eng. Chem . Prod. Res. Dev. 22, 401, 1983.

J.Zenith, B.L. Rivera, P. Bosch e I. Schifter, "Evaluación del Contenido Zeolítico en MaterialesDeshidratantes", en Rev. I . M. P. 13 , 43, 1980.

SOBRE CATÁLISIS:

B.C. Gates, J.R. Katzer y G.C.A. Schuit, Chemistry of Catalytic Processes, McGraw-Hill Co.,Nueva York, 1979.

J. Blanco y R. Linarte, Catálisis, fundam entos y aplicaciones industriales, Trillas, México, 1976

P. Bosch Giral, J.M. Domínguez, J. Zenith Rivera, E. de Rouffignac, O. Guzmán y J. Tejeda RuTécnicas Experimentales en la caracterización de Catalizadores, Series Científicas IMP 2, 198

*Desafortunadamente, la mayor parte de esta bibliografía se encuentra publicada en inglés.

SOBRE CRISTALOGRAFÍA:

E. Braun, Arquitectu ra de sólidos y líquidos, Col. La Ciencia desde México, núm. 26, SEP-FCECONACYT, México, 1987.

L. V. Azaroff, Elements of X-ray crystallography, McGraw-Hill Book Co., Nueva York, 1968.

SOBRE GEOLOGÍA:

R. Brauns y K.F. Chudoba, Mineralogía especial , traducción de María Teresa Toral, UniónTipográfica Editorial Hispano Americana (UTEHA), México, 1963.

W. Bruhns y P. Ramdohr, Petrografía, traducción de María Teresa Toral, Unión TipográficaEditorial Hispano Americana (UTEHA), México, 1964.










CONTRAPORTADA

CONTRAPORTADA

Suponga que cae en sus manos un frasco cuya etiqueta diga "zeolita". Verá en él un polvoblanco y fino. Su interés se ha despertado y recurre a un diccionario técnico para saber qué ela zeolita y encuentra la siguiente definición: "Aluminosilicato hidratado altamente cristalinoque al deshidratarse desarrolla, en el cristal ideal, una estructura porosa con diámetros de po

mínimos, esto es, de 3 a 10 angstroms. Forma cavidades ocupadas por iones grandes ymoléculas de agua, ambos con gran libertad de movimiento lo que permite el intercambioiónico y la deshidratación reversible." La definición dista de ser clara, mas los doctores PedroBosch e Isaac Schifter, que han dedicado parte de sus esfuerzos científicos al estudio de lazeolita y que ven cómo su uso va ensanchándose día con día, consideran necesario enterarsede qué cosa es, dado que desempeñará, cada vez más, un papel importante en la química y,en consecuencia, en nuestra vida.

La primera aplicación de la zeolita fue como tamiz y en tal calidad la encontramos en losrefrigeradores caseros, donde separa las trazas de agua que puedan pasar a la sustanciacongelante del aparato, y también en funciones como el secado de gases y la separación de l

hidrocarburos. Más tarde se ha añadido a los detergentes para disminuir sus efectos nocivos;utilizado para fabricar gasolina a partir del metanol y para romper las moléculas de petróleo(desintegración catalítica) y obtener diesel y gasolinas de alto octanaje Pero lo mássorprendente de esta proteica sustancia es que también puede emplearse en la alimentación.En Japón, por ejemplo, que cuenta con vastos yacimientos de zeolita, se ha convertido enpráctica común añadir este mineral al alimento que se da a aves y cerdos. Las primerasaumentan de peso hasta un 20% sobre el promedio y los segundos entre el 25 y el 29%.Parece ser que la zeolita aumenta la capacidad del sistema digestivo y además retiene y vadosificando las sustancias nutritivas. Todos estos usos, y los que vayan dándose, justifican cocreces el entusiasmo de los autores, que los llevó a escribir un libro en el que explican enforma clara y atractiva la composición, historia y usos de una sustancia casi desconocida, ma

destinada a permanecer con el hombre.El doctor Pedro Bosch es físico, y el doctor Isaac Schifter es químico, ambos egresados de laUNAM. Se doctoraron en la Universidad Claude Bernard, de Lyon, Francia. Más tarde trabajarocomo investigadores del Instituto Mexicano del Petróleo, institución en la que actualmente eldoctor Schifter realiza investigación en catálisis y materiales, problemas de protecciónambiental y dirige un grupo dedicado al estudio de problemas relacionados con latransformación de energéticos. El doctor Bosch se dedica, además de a la docencia, en la UAM

lztapalapa, a la caracterización de los sólidos catalíticos.

En la portada: Diferentes formas de zeolita

Diseño: Carlos Haces/ Fotografía: Carlos Franco



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_la Zeolita Una Piedra Que Hierve