Zeolithe -- Minerale mit aussergewoehnlichen Faehigkeiten

Institut für Geologie
Universität Bern
Übungen
Aufgabe 1
Überlege Dir, wo im Alltag Du mit Mineralien in Kontakt kommst. Nenne fünf Gelegenheiten mit
den dazugehörigen Mineralien.
Aufgabe 2
Berechne die Koordinationszahl von Sauerstoff O2− um Silizium Si4+ .
Aufgabe 3
Ein Tetraeder bestehend aus Si4+ und O2− besitzt die Summenformel SiO4−
4 . Weshalb besitzt aber
nun Quarz, obwohl er aus lauter SiO4 -Tetradern aufgebaut ist, die Summenformel SiO2 ?
Hinweis: Die Tetraeder sind über alle Ecken miteinander verknüpft.
Aufgabe 4
Kann Silizium (Si4+ , 40 pm) in einem SiO4 -Tetraeder durch Kalium (K+ , 151 pm), Kalzium (Ca2+ ,
114 pm), Aluminium (Al3+ , 53 pm), Argon (Ar, Edelgas) oder Sauerstoff (O2− , 124 pm) substituiert
werden? Begründe.
Aufgabe 5
An einer Party fragt dich ein Kollege, was man eigentlich unter den Begriffen kristallin und
amorph versteht. Du hältst gerade ein Glas Wasser mit Eiswürfeln darin in der Hand und nimmst
dieses als Beispiel für deine Erklärungen.
Aufgabe 6
Erkläre den Unterschied zwischen Metallbindungen und Ionenbindungen.
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Aufgabe 7
Was versteht man unter einer Elementarzelle? Zeichne im zweidimensionalen Beispiel die Elementarzelle (Elementarmasche) ein.
Aufgabe 8
Suche Dir irgend ein Element aus dem Periodensystem aus und vergleiche dessen Ionenradius
mit den Radien der benachbarten Elemente (horizontal und vertikal). Versuche eine Systematik
herauszufinden.
Aufgabe 9
Zeichne das einer Koordinatioszahl KZ = 6 entsprechende Polyeder.
Aufgabe 10
Zähle die drei häufigsten Elemente der Erdkruste der Reihe nach auf.
Aufgabe 11
Wichtigstes Strukturelement der Minerale der Amphibol-Gruppe ist ein Band aus SiO4 -Tetraedern
(untenstehende Abbildung). Wie muss folglich das Si:O-Verhältnis in Amphibol-Mineralen lauten?
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Aufgabe 12
Welche Kriterien muss ein Kation (X) erfüllen um für eine Substitution des Kations (Y) in Frage
zu kommen?
Aufgabe 13
Zähle mindestens vier Anwendungsbereiche von Zeolithen auf. Erkläre.
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Lösungen
Aufgabe 1
Tagesereignis
Mineralstoffe dahinter (Mineralien sind fett gedruckt)
Frühmorgens, der Digitalwecker klingelt. . .
Der Wecker enthält eine Quarzuhr, deren
wichtigstes Bauelement ein Schwing-Quarz
ist.
Leonie zündet das Licht an.
In der Glühbirne stecken verschiedene Erze.
Andi blickt verträumt an die Decke ihrer Altbauwohnung. . .
. . . die ein schönes Randmuster aus GipsStukkatur aufweist.
Leonie wirft einen Blick aus dem Fenster. . .
. . . dessen Glas vorallem aus Quarz, Feldspat,
Calcit, Dolomit und Na/K-Karbonaten hergestellt wurde.
. . . dann einen Blick auf das Außenthermometer
. . . dessen Quecksilber aus dem Mineral Zinnober stammt.
Andi steht auf und putzt sich die Zähne. . .
. . . und spürt wie als Scheuermittel Zeolithe
darin ihre Wirkung tun.
. . . als er endlich das Badezimmer frei gibt,
geht Leonie sich schminken und trägt etwas
Puder auf. . .
. . . dessen Haft- und Mattierungseigenschaften vom darin enthaltenen Talk bestimmt werden.
Leonie will noch schnell die Pflanzen gießen und ihnen endlich wieder einmal etwas
Dünger geben.
In Kunstdüngern stecken viele mineralogische Rohstoffe: Sulfat aus Gips oder Anhydrit, Phosphat aus Apatit, Kalium aus Sylvin,
etc. . .
Andi macht sich auf ins Büro, es schneit.
Eiskristalle sind gefrorenes Wasser, Wasser
zählt somit in der Form auch zu den Mineralen
Im Bureau stellt Andi seinen Computer an. . .
Transistoren und Halbleiter-Elemente sind
Bauelemente von Computern: Silizium, gewonnen aus Quarz und Germanium, gewonnen aus Germanit.
Leonie hat sich einen Tee gemacht, doch aus
versehen hat sie Salz anstelle von Zucker hineingeschüttet.
Tafelsalz wird aus Halit (Steinsalz) gewonnen.
Die Teetasse übrigens ist aus feinstem Porzellan.
Feinporzellan wird aus den Mineralen Kaolinit, Feldspat und Quarz hergestellt.
Nun muss auch sie Schmutzwäsche erledigt
werden.
Als Wasserenthärter in Waschmitteln werden
Zeolithminerale eingesetzt.
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Abends. . .
Der Gutenachtkuss hingegen ist rein unmineralisch, sofern Leonie nicht den neuen Stiftzahn von Andi zu spüren überkommt. . .
. . . dessen Keramik aus Mineralien wie Feldspat, Kaolinit, Quarz und Calcit hergestellt
wurde.
Aufgabe 2
RSi4+
40 pm
= 0.3226
=
RO2−
124 pm
KZ = 4, tetraedrische Koordination
Aufgabe 3
Wenn Tetraeder über Ecken verknüpft sind, bedeutet dies, dass sie sich das Sauerstoffion in der
gemeinsamen Ecke teilen. So besitzen zum Beispiel zwei Tetraeder, die über eine Ecke verknüpft
sind, gemeinsam nur noch 7 O2− -Ionen. Ist an jede Ecke jeden Tetraeders ein weiteres geknüpft,
so ergibt sich über ein theoretisch unendlich großes Gitter ein Si:O-Verhältnis von 1:2.
Aufgabe 4
Aluminium kann Silizium substituieren, Ladung und Ionenradius der beiden Elemente sind sehr
ähnlich. Alle anderen Ionen sind zu groß um von Sauerstoff tetraedrisch koordiniert zu werden.
Zusätzlich gilt:
• Kalium ist 1+, Kalzium 2+ geladen, der Ladungsunterschied zu Silizium ist zu groß.
• Ar ist ein Edelgas und kommt in ionisierter Form nicht vor. Es wird daher nicht von Anionen
koordiniert.
• O2− ist selbst ein Anion, zwischen ihm und den Sauerstoffionen in den Ecken des Tetraeders
wirken abstoßende Kräfte.
Si 4+
K+
Ca 2+
Ar
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O 2-
Al 3+
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Aufgabe 5
Kristallin heißt definitionsgemäß: hat eine dreidimensional periodische Anordnung der Bausteine.
Jeder hat schon mal die Schneekristalle auf der Autoscheibe betrachtet und diese sind, wie schon
der Name impliziert, kristallin und somit ist auch der Eiswürfel in deinem Glas kristallin. Amorph
bedeutet wörtlich ohne Gestalt. Amorph ist das Gegenteil von kristallin, d. h. die Verteilung der
Bausteine ist ungeordnet. Sowohl das Wasser in deinem Glas, als auch das Glas selber, haben
keine periodische Anordnung der Bausteine.
Aufgabe 6
Metallbindung: typisch für Metallatome ist, dass sie ihre Valenzelektronen relativ leicht an die sie
umgebende Elektronenwolke abgeben. Die positiv geladenen Atomrümpfe bilden die festen Gitterpunkte der Kristallstruktur und werden von der negativ geladenen Elektronenwolke verknüpft
und gleichzeitig voneinander abgeschirmt. Ionenbindung: Durch den Übergang von Elektronen
des einen Atoms auf das andere, entstehen positive und negative Ionen, welche durch elektrostatische Anziehungskräfte (Coulomb’sche Kräfte) zusammengehalten werden. Daraus ergibt sich
eine typische räumliche Anordnung der entgegengesetzt geladenen Ionen im Kristallgitter.
Metallbindung:
Ionenbindung:
- - -
ee-
ee-
e-
+
e-
e-
+
+
+
e-
+
-
Aufgabe 7
Die Elementarzelle ist die kleinste geometrische Einheit, die die Gesamtinformation des Raumgitters enthält. Durch verbinden äquivalenter Punkte im Muster erhält man die unten abgebildete
rhomboedrische Form. Die Position spielt dabei keine Rolle, jede der abgebildeten Lösungen ergibt durch Aneinanderreihen das vorgegebene Muster.
Aufgabe 8
Innerhalb einer Periode von links nach rechts steigt die Kernladungszahl, also die Anzahl der
Protonen im Kern, welche die Elektronen anziehen. Zugleich werden die Elektronenschalen aufgefüllt. Elektronen der gleichen Schale können jedoch kaum die Kernladung abschirmen, sodass
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die Elektronenwolke“ innerhalb einer Periode schrumpft, und der Ionenradius folglich von links
”
nach rechts abnimmt.
Innerhalb einer Gruppe kommt jeweils eine Elektronenschale hinzu. Außerdem nimmt die effektive Kernladung von Schale zu Schale kleiner, da diese von den inneren Schalen teilweise abgeschirmt wird. Der Ionenradius nimmt also innerhalb der Gruppen tendenziell zu. Aufgepasst
bei den Nebengruppenelementen, hier werden die Elektronen einer inneren Schale zugefügt, wodurch die äußeren Elektronen besser von der Kernladung abgeschirmt. Der Radius wird hier teilweise von links nach rechts größer. Der Ionenradius für ein Kation ist immer kleiner und für ein
Anion immer größer als der Atomradius.
*
**
Die Pfeile zeigen die Tendenz größer werdender Ionenradien.
Aufgabe 9
Oktaeder (okta: acht; eder: Seite/Fläche), auch tetragonale Doppelpyramide genannt.
Aufgabe 10
Sauerstoff (46.60 %), Silizium (27.70 %) und Aluminium (8.13 %).
Aufgabe 11
Das Si:O-Verhältnis ist 4:11 und folglich [Si4 O11 ]∞ .
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4 Si
+
11 O
Aufgabe 12
Die Ladung von (X) sollte möglichst ähnlich wie diejenige des (Y) sein, da ansonsten die Bindungssituation zu den umgebenden Sauerstoffatomen zu stark ändert. Außerdem sollte der Ionenradius
von (X) demjenigen des (Y) möglichst ähnlich sein um dieselbe Koordination zu ermöglichen.
Aufgabe 13
Landwirtschaft: als Trägermaterial (als Dünger).
Tierhygiene: als Geruchseinfänger.
Gesundheit und Ernährung: zur verbesserten Leistung des Verdauungstraktes.
Gasreinigung- und Separation.
Dekontamination: zur Reinigung von radioaktiv verseuchten Gebieten und Abwässern.
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