Estructura de las zeolitas: cómo los poros, las estructuras reticulares y la química determinan el rendimiento

De qué está compuesto el esqueleto de una zeolita

Todas las zeolitas parten de un único hecho geométrico: un diminuto tetraedro, cuatro átomos de oxígeno dispuestos alrededor de un átomo central —normalmente silicio o aluminio—. Los químicos lo denominan unidad TO₄, donde la T representa el átomo tetraédrico del centro. Los enlaces Si–O miden aproximadamente 1,61 Å; los enlaces Al–O son un poco más largos, de unos 1,75 Å. La diferencia es importante: si se sustituye el silicio por aluminio, la estructura adquiere una carga negativa que lo cambia todo a partir de ahí.

Estos tetraedros no flotan de forma aislada. Cada átomo de oxígeno une exactamente dos átomos de T, conectando un tetraedro con otro en lo que se denomina «compartición de vértices». El resultado es un andamio tridimensional continuo. Es cristalino, no amorfo; rígido, no estratificado como la arcilla. Este andamio está atravesado por canales y cavidades de dimensiones moleculares, razón por la cual las zeolitas pueden actuar como tamices a escala de moléculas individuales.

La fórmula química general recoge lo esencial: Mₓ/ₙ[(AlO₂)ₓ(SiO₂)ᵧ]·zH₂O. Un catión metálico M equilibra la carga de cada sustitución de aluminio, además de que en los poros se encuentra agua que puede eliminarse. Pero la fórmula solo indica qué átomos están presentes. Para comprender lo que una zeolita puede hacer realmente, hay que fijarse en cómo están conectados esos tetraedros. Ahí es donde entran en juego los tipos de estructura.

Cómo definen los tipos de estructura la arquitectura de los poros

Antes de examinar cada estructura en particular, resulta útil tener una referencia mental. Hay tres características que definen la arquitectura de los poros de cualquier zeolita: el tamaño del anillo (el diámetro de la abertura por la que deben pasar las moléculas), la dimensionalidad de los canales (si dichos canales se extienden en una, dos o tres dimensiones) y la topología de la jaula (cómo están dispuestos los espacios vacíos internos). Cada tipo de estructura es una combinación única de estas tres variables.

Tamaño del anillo: el guardián del acceso molecular

La abertura de los poros de una zeolita viene definida por un anillo: un bucle cerrado formado por n átomos tetraédricos unidos entre sí por n átomos de oxígeno. El número de átomos T de ese bucle —normalmente 8, 10 o 12— determina el tamaño de la abertura, y este, a su vez, determina qué moléculas pueden entrar.

Los anillos de ocho miembros presentan aberturas de entre 3,8 y 4,3 Å aproximadamente. Se trata de un rango de poros pequeños: el agua (diámetro cinético de 2,65 Å), el amoníaco y las moléculas lineales pequeñas pueden atravesarlos, pero cualquier molécula más voluminosa queda excluida. La estructura LTA, base estructural de los tamices moleculares comerciales 3A, 4A y 5A, pertenece a esta clase. Si se sustituye el catión del poro LTA de sodio por potasio, la abertura efectiva se reduce de ~4,1 Å a ~3 Å. La misma estructura, pero con un «guardián» diferente.

Los anillos de diez miembros dan lugar a zeolitas de poros medianos con aberturas de entre 5,1 y 5,6 Å aproximadamente. La estructura MFI, conocida comercialmente como ZSM-5, es la más destacada en este ámbito: sus canales entrecruzados formados por anillos de diez miembros pueden distinguir entre hidrocarburos de cadena lineal y ramificados con una precisión extraordinaria.

Los anillos de doce miembros presentan poros grandes de entre 7,0 y 7,5 Å aproximadamente. La estructura FAU, columna vertebral de las zeolitas X e Y, pertenece a esta clase. Su abertura de 12 anillos, de 7,4 Å, es el estándar industrial para las zeolitas de poros grandes, lo suficientemente espaciosa como para admitir compuestos aromáticos sustituidos y las fracciones más pesadas que se procesan en el craqueo catalítico fluido.

Un ejemplo práctico: el n-butano tiene un diámetro cinético de aproximadamente 4,3 Å. Se cuela a través de la zeolita 5A (LTA con intercambio de Ca, abertura efectiva de ~5 Å), pero es excluido por la zeolita 4A (LTA con intercambio de Na, ~4 Å). La diferencia entre un tamiz 4A y uno 5A es, literalmente, un solo angstrom. Y ese angstrom determina si un proceso de deshidratación de varios millones de dólares funciona o si se produce una fuga del producto.

Códigos de tipo de estructura: el lenguaje de tres letras de las zeolitas

Si alguna vez has echado un vistazo a la ficha técnica de un producto de zeolita y te has preguntado qué significan realmente LTA, FAU o MFI, no eres el único. Estos códigos de tres letras los asigna la Comisión de Estructuras de la Asociación Internacional de Zeolitas (IZA-SC), la autoridad mundial que cataloga todas las topologías confirmadas de las estructuras de zeolita. A fecha de 2025, la base de datos de la IZA recoge más de 255 tipos distintos de estructuras, cada una con una designación única de tres letras (Comisión de Estructura de IZA, 2025).

El código describe la topología (cómo se conectan los tetraedros), no la composición química. LTA son las siglas de «Linde Type A», nombre que recibe de la empresa que lo sintetizó por primera vez. FAU deriva del mineral faujasita. MFI son las siglas de «Mobil Five» (ahora ZSM-5), llamado así en honor a los investigadores de Mobil Oil que lo crearon. Una vez catalogada una topología, cualquier material que comparta esa conectividad lleva el mismo código de tres letras, ya sea un aluminosilicato, un silicoaluminofosfato o una variante de sílice puro.

De entre los más de 255 marcos, solo unos pocos predominan en el uso industrial. Las denominadas «Cinco Grandes» zeolitas con alto contenido en sílice —FAU, *BEA, MOR, MFI y FER— representan la gran mayoría de la producción comercial de catalizadores y adsorbentes. Ocho tipos de marcos (estos cinco más LTA, CHA y HEU) abarcan prácticamente todas las principales aplicaciones industriales de las zeolitas que existen.

LTA, FAU y MFI: tres marcos que rigen el sector

Si comprendes estos tres conceptos, comprenderás el 80% de las zeolitas con las que te encontrarás en la práctica.

LTA (Linde Tipo A) Es una estructura de 8 anillos con poros pequeños, formada por dos tipos de jaulas anidadas: la jaula de sodalita (jaula β, diámetro interno de ~6,6 Å) y la jaula α, de mayor tamaño (~11,4 Å), conectadas mediante anillos dobles de cuatro miembros. La abertura de 8 anillos (~4,1 Å en la forma sódica) convierte al LTA en el elemento clave para la eliminación selectiva de agua. La deshidratación del etanol, el secado de refrigerantes y el tratamiento antivaho del vidrio aislante dependen todos de los tamices moleculares 3A, que no son más que LTA con cationes de potasio que reducen el poro efectivo a ~3 Å.

FAU (faujasita) es una estructura de 12 anillos con poros de gran tamaño. Sus jaulas de sodalita se conectan mediante anillos dobles de seis miembros para formar una superjaula de aproximadamente 12 Å de diámetro, a la que se accede a través de una ventana de 12 anillos de 7,4 Å. Esta es lo suficientemente grande como para admitir la mayoría de las moléculas de relevancia industrial. Por eso, los materiales basados en FAU ocupan ambos extremos del espectro de refinado: la zeolita 13X (Si/Al ≈ 1,0–1,5, hidrofílica) para la depuración previa del aire y la eliminación de CO₂, y la zeolita Y ultraestable (USY, normalmente con una relación Si/Al > 6 tras la desaluminizacion, hidrofóbica y térmicamente robusta) para el craqueo catalítico de fluidos —el proceso catalítico más importante del planeta en términos de tonelaje—.

MFI (ZSM-5) es una estructura de poros medios con 10 anillos y un característico sistema de canales bidimensional: canales elípticos rectos (5,3 × 5,6 Å, que discurren a lo largo del eje b) atravesados por canales sinusoidales casi circulares (5,1 × 5,5 Å, a lo largo del eje a). Esta arquitectura confiere al MFI su famosa selectividad de forma. Las moléculas de cadena lineal se desplazan libremente por los canales, mientras que los isómeros ramificados se ven retenidos en los cuellos de botella. El ZSM-5 aprovecha esta propiedad en la isomerización del xileno, el desparafinado y el proceso de conversión de metanol en gasolina, en los que la estructura selecciona literalmente qué productos pueden salir.

La relación Si/Al: la composición como palanca estructural oculta

La mayoría de los análisis sobre la estructura de las zeolitas se limitan a la geometría. Sin embargo, la composición química del esqueleto —concretamente, la relación entre silicio y aluminio— actúa como un regulador principal que ajusta sistemáticamente la acidez, la hidrofobicidad, la estabilidad térmica y la capacidad de intercambio iónico sin alterar la topología subyacente. Si el tipo de esqueleto es el motor, la relación Si/Al es el ajuste.

Cómo influye la relación Si/Al en el comportamiento de las zeolitas

El principio rector es una regla propuesta por Walter Loewenstein en 1954: en las estructuras de aluminosilicato, dos tetraedros de AlO₄ no pueden compartir un átomo de oxígeno. El enlace Al–O–Al es energéticamente desfavorable, lo que significa que cada átomo de aluminio debe estar rodeado de átomos de silicio vecinos. La consecuencia práctica es un umbral mínimo (la relación Si/Al no puede ser inferior a 1) y un rango que se extiende hacia arriba hasta el infinito, correspondiente a las zeolitas de sílice puro sin aluminio (Fletcher et al., Ciencias Químicas, 2017).

Cada sustitución de aluminio genera una carga negativa en la estructura. Cuando Si/Al = 1, la estructura presenta una alta densidad de carga, es fuertemente hidrofílica y está repleta de cationes que equilibran la carga. Este es el ámbito de los tamices 3A, 4A y 5A basados en LTA, que destacan en la adsorción de agua precisamente porque esta es atraída hacia sus poros polares y ricos en cationes. A medida que aumenta la relación Si/Al, la densidad de carga disminuye, la estructura se vuelve cada vez más hidrofóbica y los sitios ácidos restantes (hidroxilos puente, Si–OH–Al) se reducen en número, pero se vuelven más fuertes individualmente. En el extremo —la silicalita-1, la variante de MFI compuesta íntegramente por sílice con Si/Al → ∞—, el material es completamente hidrofóbico, catalíticamente inerte y térmicamente estable por encima de los 1 000 °C.

La transición no es lineal. Variar la relación Si/Al de 1 a 3 produce un cambio mucho más drástico en la hidrofilia y la capacidad de intercambio iónico que variarla de 10 a 100. Para los profesionales del sector, el rango práctico de interés se sitúa aproximadamente entre Si/Al = 1 (máximo intercambio iónico) y Si/Al = 5–10 (acidez de grado catalítico con una estabilidad aceptable).

Qué significa la relación Si/Al para la selección de zeolitas en la práctica

La familia FAU constituye el ejemplo más claro de cómo la composición determina las diferencias en el rendimiento. La estructura es idéntica —la misma superjaula, la misma abertura de 12 anillos—, pero al variar la relación Si/Al se obtienen materiales optimizados para aplicaciones totalmente diferentes.

La conclusión para cualquiera que tenga que especificar una zeolita es que identificar el tipo de estructura adecuado es solo la mitad del trabajo. La relación Si/Al debe ajustarse a la aplicación, y no todos los productos disponibles en el mercado cubren todo el rango de composiciones.

En el caso de los procesos que operan en los límites de las especificaciones estándar, colaborar con un fabricante capaz de ajustar la relación Si/Al —junto con el tipo de cristal, la forma de los cationes y la distribución granulométrica— convierte lo que sería una solución de compromiso en una solución diseñada específicamente para el reto de separación o catalítico concreto que se plantee. Si estás evaluando opciones, comenta tus requisitos de separación con un equipo técnico (Contactar con Jalon) puede aclarar si un producto estándar se adapta a tu rango de funcionamiento o si es necesario recurrir a una composición a medida.

De la estructura al rendimiento: cómo la geometría de los poros influye en la adsorción

Dos casos del sector ilustran claramente la relación entre la estructura y el rendimiento.

Caso 1: Por qué en la deshidratación del etanol se suele utilizar 3A en lugar de 4A. Las moléculas de agua tienen un diámetro cinético de 2,65 Å, considerablemente menor que la abertura de 3 Å del LTA con intercambio de potasio. El etanol, con unos 4,3 Å, queda excluido. Un tamiz 4A también suele excluir el etanol a granel, ya que su abertura efectiva es cercana a los 4 Å, pero el 3A ofrece un margen de exclusión más amplio y reduce la coadsorción de impurezas polares más pequeñas, como el metanol. Por lo tanto, la diferencia a nivel de angstroms creada por el catión intercambiado mejora la selectividad y la robustez del proceso.

Caso 2: Por qué los generadores de oxígeno de PSA utilizan LSX con intercambio de litio. El nitrógeno y el oxígeno tienen un tamaño prácticamente idéntico (N₂: 3,64 Å; O₂: 3,46 Å), por lo que el tamizado geométrico por sí solo no permite separarlos de forma eficaz. La solución reside en la química de superficies: el N₂ tiene un momento cuadrupolar de aproximadamente −4,7 × 10⁻⁴⁰ C·m² (determinado experimentalmente como −4,65 ± 0,08 × 10⁻⁴⁰ C·m²), que interactúa fuertemente con la alta densidad de carga de los cationes Li⁺. El radio efectivo del Li⁺, comúnmente citado como 0,76 Å, es el valor de Shannon para un número de coordinación 6; su tamaño efectivo en una zeolita varía en función del entorno de coordinación local. La zeolita X con bajo contenido en sílice y con intercambio de litio (Li-LSX, estructura FAU) adsorbe preferentemente el nitrógeno del aire comprimido a través de esta interacción electrostática. En el ciclo PSA —adsorción a 2–4 bar, desorción a presión cercana a la ambiental—, el nitrógeno queda retenido mientras que el oxígeno pasa, lo que proporciona una pureza del producto de 93% ± 3%. La estructura (la gran superjaula de la FAU para una alta capacidad de N₂) y la química (el poder de polarización del Li⁺) actúan conjuntamente. Ninguna de ellas por sí sola ofrecería un rendimiento comercial.

El principio que comparten estos casos es que la selección de una zeolita nunca es puramente geométrica. Es la interacción entre el tamaño de la abertura (lo que cabe), la topología de la estructura (cómo se desplaza a través de ella) y la química de la superficie (la fuerza con la que se adhiere) lo que determina si una zeolita funciona en la práctica.

Adaptación de la estructura de la zeolita a las aplicaciones industriales: una guía práctica

Para elegir la zeolita adecuada, hay que empezar por plantearse tres preguntas: ¿Cuál es el diámetro cinético de la molécula objetivo? ¿Cuáles son las condiciones de funcionamiento —temperatura, contenido de agua, entorno ácido—? ¿Se necesita catálisis o se trata de una tarea de adsorción o separación pura?

La tabla que figura a continuación relaciona los principales tipos de marcos industriales con sus aplicaciones en la práctica. Úsala como punto de partida y, a continuación, comprueba si se ajusta a las condiciones específicas de tu proceso. Tal y como queda claro en el análisis anterior sobre el Si/Al, el código del marco por sí solo no ofrece una visión completa.

Las estructuras que subyacen a estas aplicaciones no son meras curiosidades académicas. Son la razón por la que una refinería funciona con un rendimiento de 95% en lugar de 85%, o por la que un concentrador de oxígeno dura cinco años en lugar de dos. Comprender el marco te proporciona la herramienta necesaria. Verificar que tu proveedor pueda ofrecerte el marco adecuado, con la relación Si/Al correcta, la forma catiónica adecuada y el tamaño de partícula adecuado, es lo que convierte ese conocimiento en un resultado industrial fiable.

Referencias

1. Comisión de Estructuras de la Asociación Internacional de Zeolitas. «Base de datos de estructuras de zeolitas». 2025. https://www.iza-structure.org/databases/
2. Fletcher, R.E., et al. «Violaciones de la regla de Löwenstein en las zeolitas». Ciencias Químicas, 2017. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5676096/
3. Corma, A. «De los materiales de tamiz molecular microporosos a los mesoporosos y su uso en catálisis». Revistas de química, 1997. https://doi.org/10.1021/cr960406n
4. Baerlocher, Ch.; McCusker, L.B.; Olson, D.H. Atlas de los tipos de estructuras de zeolita, 6.ª ed. IZA-SC, 2007.
5. Breck, D.W. Tamices moleculares de zeolita: estructura, química y aplicaciones. Wiley, 1974.
6. Jalon. «Contacto — Asesoramiento técnico». https://www.jalonzeolite.com/contact/
7. Jalon. «Productos de tamices moleculares». https://www.jalonzeolite.com/