ZF-5-Tonminerale I

Tonminerale
Technische Mineralogie, J. Ma jzlan
µm vorkommen.
Diese Denition ist operativ, d.h. dass sie auf keinen natürlichen Gesetzen, sondern auf Gepogenheiten der Laborarbeit, basiert. Kleine Partikeln können nämlich in einer Suspension von den
gröÿeren getrennt werden nach dem Gesetz von Stokes
Tonminerale sind die Schichtsilikate, die in Partikeln kleiner als 2
vp =
2r2 g(ρp − ρf )
9η
mit den Variablen vp - Sedimentationsgeschwindigkeit, g - Erdbeschleunigung, r - Radius der
Partikeln (unter der Annahme, dass diese Partikeln perfekt kugelförmig sind), ρp - Dichte der
Partikeln, ρf - Dichte des Fluids, und η - Viskosität des Fluids.
Nach diesem Gesetz kann man berechnen, dass nach 24 Stunden in einer Suspension nur Partikeln
kleiner als 2 µm in der Wassersäule bleiben ; die gröÿeren lagern sich ab. So kommt es zu der
operativen Denition der Tonminerale.
Die Struktur der Tonminerale besteht aus Schichten und die Schichten bestehen aus Netzen. Es
gibt fundamental zwei Typen von Netzen : oktaedrische und tetraedrische. Die tetraedrischen
4+
Netze bringen kleinere Kationen mit hoher Oxidationszahl, besonders Si
und Al3+ unter.
Die oktaedrischen Netze bringen gröÿere Kationen mit intermediären Oxidationszuständen,
besonders Al3+ , Fe3+ , Fe2+ und Mg2+ unter. Es ist bemerkenswert, dass Aluminium in beiden
Netzen eine sehr wichtige Rolle spielt. Man spricht über eine Dichotomie oder Zweiteilung des
Aluminiums.
Die gröÿten Kationen mit kleiner Oxidationszahl, wenn überhaupt vorhanden, benden sich in
dem Zwischenschichtraum.
Die Schichten in den Tonmineralen kann man deswegen als Pakete sehen, die aus verschiedenen
Kombinationen der Netze bestehen. Natürlich muss die ganze Struktur elektroneutral sein, sondern wäre sie nicht stabil und würde sofort zerfallen. Weil die oktaedrischen Netze mit drei- oder
zweiwertigen Kationen besetzt werden können, müssen sich die zwei Varianten (mit M 3+ oder
M 2+ ) leicht unterscheiden, um die selbe elektrische Ladung zu haben.
Falls die Kationen in einem oktaedrischen Netz überwiegend zweiwertig sind (M 2+ ), werden
alle Kationenstellen im Netz besetzt. Solche Netze heiÿen trioktaedrisch. Beachten Sie, dass
der Name "trioktaedrisch" nicht die Ladung der Kationen, sondern die Koordinationszahlt der
OH-Gruppen beschreibt.
Falls die Kationen in einem oktaedrischen Netz überwiegend dreiwertig sind (M 3+ ), werden nur
2/3 der Kationenstellen im Netz besetzt. Solche Netze heiÿen dioktaedrisch.
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Jetzt werden wir die chemische Zusammensetzung der Tonminerale erkunden. Wir beginnen allerdings mit Hydroxiden, die als eine Vorlage für die komplizierteren Strukturen der Schichtsilikate
dienen können.
Das Mineral Gibbsit, Al(OH)3 , besitzt eine Schichtstruktur mit dioktaedrischen Netzen. Die
Netze sind miteinander ausschlieÿlich über Wasserstobrücken verbunden. Die chemische Zusammensetzung können wir auch anders schreiben
2Al(OH)3 ≡ Al2
(OH)3
(OH)3
Dieses Symbol bedeutet, dass sich in der Mitte der dioktaedrischen Netze die Al3+ Kationen
benden, welche mit den (OH)-Gruppen von oben und unten koordiniert sind. Wir fangen an,
die Schichtsilikate aus dieser einfachen Struktur aufzubauen.
Eine der (OH)3 -Gruppen wird mit einem tetraedrischen Netz ersetzt. Wir müssen uns nur merken,
dass die Zusammensetzung der tetraedrischen Netze Si2 O5 (OH) ist und erhalten
Al2
Si2 O5 (OH)
≡ Al2 Si2 O5 (OH)4
(OH)3
Dies ist die Zusammensetzung der 1 :1, oder T-O-Schichtsilikate mit Al3+ als Kation in den
oktaedrischen Netzen. Es handelt sich um die Minerale der Kaolinit-Gruppe.
Genauso geht es mit den trioktaedrischen Schichtsilikaten. Wir beginnen mit dem Mineral Brucit, Mg(OH)2 . Er besitzt eine Schichtstruktur mit trioktaedrischen Netzen. Die Netze sind miteinander ausschlieÿlich über Wasserstobrücken verbunden.
3M g(OH)2 ≡ M g3
(OH)3
(OH)3
Eine der (OH)3 -Gruppen wird mit einem tetraedrischen Netz ersetzt.
M g3
Si2 O5 (OH)
≡ M g3 Si2 O5 (OH)4
(OH)3
Dies ist die Zusammensetzung der 1 :1, oder T-O-Schichtsilikate mit Mg2+ als Kation in
den oktaedrischen Netzen. Es handelt sich um die Minerale der Serpentin-Gruppe.
Wir setzen unsere Reise durch die Welt der Tonminerale fort mit den dioktaedrischen Schichtsilikaten. Beide (OH)3 -Gruppen können mit tetraedrischen Netzen ersetzt werden
Al2
Si2 O5 (OH)
(OH)3
→ Al2
≡ Al2 Si4 O10 (OH)2
(OH)3
Si2 O5 (OH)
Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Al3+ als Kation in
den oktaedrischen Netzen. Es handelt sich um die Minerale der Pyrophyllit-Gruppe.
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Analog bearbeitet man auch die trioktaedrischen Schichtsilikate
M g3
(OH)3
Si2 O5 (OH)
→ M g3
≡ M g3 Si4 O10 (OH)2
(OH)3
Si2 O5 (OH)
Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Mg2+ als Kation in
den oktaedrischen Netzen. Es handelt sich um Talk.
Wichtig ist, dass die Zwischenschichträume im Pyrophyllit und Talk nur mit Wasserstoatomen
besetzt werden.
Ein kleiner Anteil der Si4+ -Kationen in den tetraedrischen Netzen kann durch Al3+ -Kationen
ersetzt werden. Es ist eine heterovalente Substitution, d.h. die Wertigkeit der zwei Kationen,
die sich ersetzen, ist nicht gleich. Eine Substitution von genau 1 Si-Kation durch ein Al-Kation
ergibt eine elektrisch unausgewogene Struktur
Al2 Si4 O10 (OH)2 → (Al2 [AlSi3 O10 (OH)2 ])−
Der Teil der Formel in den eckigen Klammern stellt die Zusammensetzung des tetraedrischen
Netzes dar. Natürlich kann eine solche Einheit nicht als alleinstehende, stabile Struktur existieren.
Die negative Ladung muss ausgeglichen werden
Al2 Si4 O10 (OH)2 → (Al2 [AlSi3 O10 (OH)2 ])− → KAl2 [AlSi3 O10 (OH)2 ]
Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Al3+ als Kation in
den oktaedrischen Netzen und mit K+ -Kationen im Zwischenschichtraum. Es handelt sich um
+
Muskowit. Die K Kationen sind xiert, unaustauschbar.
Sehr ähnlich ergibt sich für die trioktaedrischen Schichtsilikate
M g3 Si4 O10 (OH)2 → (M g3 [AlSi3 O10 (OH)2 ])− → KM g3 [AlSi3 O10 (OH)2 ]
Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Mg2+ als Kation in
den oktaedrischen Netzen und mit K+ -Kationen im Zwischenschichtraum. Es handelt sich um
+
Phlogopit, ein Endglied von Biotit. Die K -Kationen sind auch hier unaustauschbar.
Die Al-Si-Substitution muss aber nicht so perfekt verlaufen, dass das Al :Si Verhältnis exakt 1 :3
ist. Wenn das Verhältnis nicht so präzise gegeben ist, entstehen Minerale, in denen die Menge der
Kationen im Zwischenschichtraum auch variabel ist. Die Menge entspricht dabei genau der Menge
der Al3+ -Kationen in den tetraedrischen Netzen, damit die Elektroneutralität gewährleistet wird.
(Kx , H2 O)Al2 [Si4−x Alx O10 (OH)2 ]
3
Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Al3+ als Kation in
den oktaedrischen Netzen, mit K+ -Kationen im Zwischenschichtraum und mit variablem Si :AlVerhältnis in den tetraedrischen Schichten. Es handelt sich um Illit. Die K+ -Kationen sind
xiert, unaustauschbar.
Genauso erhält man für die trioktaedrischen Schichtsilikate
(Kx , H2 O)M g3 [Si4−x Alx O10 (OH)2 ]
Es handelt sich um das Mineral Vermikulit.
Der Ausgleich der fehlenden elektrischen Ladung in den tetraedrischen Schichten kann auch
anders stattnden. Statt K+ -Kationen benutzt die Natur oft auch Na+ - oder Ca2+ -Kationen
(N a, Ca, H2 O)Al2 [(Si, Al)4 O10 (OH)2 ]
(N a, Ca, H2 O)(M g, F e)3 [(Si, Al)4 O10 (OH)2 ]
Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Al3+ , Mg3+ und
Fe2+/3+ als Kationen in den oktaedrischen Netzen, mit Na+ -, Ca2+ -Kationen und H2 O-Molekülen
im Zwischenschichtraum und mit variablem Si :Al-Verhältnis in den tetraedrischen Schichten. Es
handelt sich um die Minerale der Smektit-Gruppe. Die Na+ - und Ca2+ -Kationen sind austauschbar. Die Menge der H2 O-Moleküle ist auch variabel und deswegen spricht man über Smektite
als quellfähige Schichtsilikate.
Zwischen die T-O-T-Schichten kann noch ein oktaedrisches Netz eingefügt werden. Wir fangen
an mit einem T-O-T-Schichtsilikat, Talk, und legen das O-Netz dazwischen
M g3 Si4 O10 (OH)2 + 3M g(OH)2 → M g3 Si4 O10 (OH)2 · M g3 (OH)6
Dies ist eine idealisierte Zusammensetzung eines Chlorit -Minerals. Weil die Substitutionen
eher die Regel, nicht die Ausnahme sind, schreibt man die allgemeine Formel für Chlorite als
(M g, F e, ...)3 (Si, Al)4 O10 (OH)2 · (M g, F e, ...)3 (OH)6 . Chlorite sind T-O-T-O -Schichtsilikate.
Einen Überblick über die Schichtsilikate bietet die zusammenfassende Tabelle auf der folgenden
Seite.
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Klassifikation der Schichtsilikate mit Beispielen der Minerale in jeder Gruppe. Bemerken Sie, dass nicht
alle Minerale in der Tabelle Tonminerale sind.
Hydroxide
1:1 Schichtsilikate
2:1 Schichtsilikate, ohne Katione
im Zwischenschichtraum
2:1 Schichtsilikate, mit fixierten
Kationen im
Zwischenschichtraum und 3:1
Si:Al Verhältnis in den
tetraedrischen Netzen
2:1 Schichtsilikate, mit fixierten
Kationen im
Zwischenschichtraum und
variablen Si:Al Verhältnis in den
tetraedrischen Netzen
2:1 Schichtsilikate, mit
austauschbaren Kationen im
Zwischenschichtraum und
variablen Si:Al Verhältnis in den
tetraedrischen Netzen
2:1:1 Schichtsilikate
dioktaedrisch
Gibbsit, Al(OH)3
Kaolinit, Al2Si2O5(OH)4
Pyrophyllit, Al2Si4O10(OH)2
trioktaedrisch
Brucit, Mg(OH)2
Serpentin, Mg3Si2O5(OH)4
Talk, Mg3Si4O10(OH)2
Muskovit, KAl2[AlSi3O10(OH)2]
Phlogopit, KMg3[AlSi3O10(OH)2]
Illit, (Kx,H2O)[Si4-xAlxO10(OH)2]
Smektite, z.B. Montmorrilonit
(Na,Ca)0,3(Al,Mg)2
[(Si,Al)4O10(OH)2]·nH2O, oder
Nontronit, Na0.3Fe3+2
[(Si,Al)4O10(OH)2]·nH2O
Smektite, z.B. Saponit,
(Ca,Na)0,3(Mg,Fe2+)3
[(Si,Al)4O10(OH)2]·nH2O
Chlorite,
(Mg,Fe,...)3(Si,Al)4O10(OH)2
·(Mg,Fe, ...)3(OH)6