Der Urknall Entstehung der Elemente in den Sternen

Präsentation zum Thema: "Der Urknall Entstehung der Elemente in den Sternen"—  Präsentation transkript:

1 Der Urknall Entstehung der Elemente in den Sternen
Entstehung von Planetensystemen erdähnliche Planeten Jupiter ähnliche Planeten Leben

2 Materie bei verschiedenen Druck (P) und Temperatur (T): Beispiel H2O

3 Vereinfachtes Modell zur Kondensation von
primitiver Materie im frühen solaren Nebel T = 1700 K T = 1500 K T = 1300 K homogenes Gas (H2,He,Ne,N2, CO,H2O,Mg,SiO Al,AlO,Fe,...) P = 10-3 bar P = 10-3 bar P = 10-3 bar

4 Yoneda & Grossman (1995)

5 Undifferenzierter + primitiver Meteorit

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7 Primitive Elementzusammensetzung des Sonnensystems
Achtung: die Skala ist logarithmisch!! Wäre Si ein Balken von 1m Höhe, dann ist der für Wasserstoff gleich m oder 27 km!!

8 Zusammengefaßt: Das Periodensystem der Elemente
BME161(06) 8

9 Graphische Repräsentation der Elementhäufigkeiten
in der gesamten silikatischen Erde Sechs Elemente bilden 99.1% der Silikaterde -> Der Rest sind Spurenelemente From W. M. White, 2001

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11 Kondensationssequenz
hibonite spinel metal forsterite, enstatite metal albite troilite FeS

12 Differentiationsprozesse - Elementfraktionierungen
a) Verdampfung/Kondensation refraktär <-> flüchtig fest <-> gasförmig b) Kernbildung Gas siderophil <-> lithophil Metall <-> Silikat c) Aufschmelzung/Kristallisation Schmelze kompatibel <-> inkompatibel fest (Silikat) <-> flüssig (Silikat)

13 Element Klassifikation
Kosmochemisch Refraktär Flüchtig: Geochemisch Lithophil Siderophil und Kompatbel (konz. im Mantel) Inkompatibel (konz. in der Kruste)

14 Klassifikation wichtiger Elemente
Lithophil Refraktär: Al, Ca Hauptkomponente: Si, Mg Mäßig Flüchtig: Na, K Hoch Flüchtig: H, C, O Siderophil Refraktär: W, Os, Ir, Pt Hauptkomponente: Fe, Ni Mäßig Flüchtig: Au, S Hoch Flüchtig: Pb, Bi

15 Schalenstruktur Physik (Dichte), aber auch Chemie!

16 Meteorite (Chondrite)
Mantelgestein und Meteorite (Chondrite) Erde ~ CV-Chondrit

17 Häufigkeit der Elemente (Gew%)
Sonne Gesamterde Erdkruste 1 H Fe O 2 He Si 3 Al 4 C Mg 5 N Ni Ca 6 S Na 7 K 8 9 Ti 10 Cr 11 Mn P 12 Co 13 14

18 Häufigkeit der Elemente (Gew%)
Sonne Gesamterde Erdkruste 1 H Fe O 2 He Si 3 Al 4 C Mg 5 N Ni Ca 6 S Na 7 K 8 9 Ti 10 Cr 11 Mn P 12 Co 13 14

19 Sukzessives „Ausfrieren“ von Strukturen

20 Gesteinseinheiten Gesteine Minerale Elemente 20

21 Zur Erinnerung: Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen Ordnungszahl: Anzahl Protonen (diktiert Eigenschaften und Position im Periodensystem) Massenzahl = Protonen + Neutronen Isotope haben gleiche Anzahl Protonen (gleiche prinzipielle Eigenschaften, aber unterschiedliche Massen) Atomkern wird "umkreist" von negativ geladenen Elektronen (Anzahl = Anzahl Protonen) 21

22 Hauptelemente: Spurenelemente:
= Gewichtskonzentration von > 0,1 Gew% im Mineral oder Gestein Spurenelemente: < 0,1 Gew% oder 1000 ppm (parts per million) oder Gramm je Tonne 22

23 ... wie ist ein "Mineral" überhaupt definiert?
Ebene der Minerale ... wie ist ein "Mineral" überhaupt definiert? (wir reden hier nicht von Mineralwasser, Mineralöl, Mineralsalze in Nahrungsmittel!!) 23

24 Die klassische Definition: ... und ihre Konsequenzen ==>
Minerale sind stofflich einheitliche, natürlich gebildete Bestandteile der festen Erde und der kosmischen Materie ... und ihre Konsequenzen ==> 24

25 "stofflich einheitlich"
Viele Minerale sind sog. Mischkristalle und chemisch variabel, d.h. die Grenzen der Zusammensetzung müssen festgelegt werden. (IMA = International Mineralogical Association überwacht auch die Namensgebung) z.B. Forsterit und Fayalit in Olivin (Fe2+,Mg)2[SiO4] 25

26 "natürlich gebildet" Minerale sollen durch natürliche Vorgänge und ohne Einflußnahme des Menschen entstanden sein. Sonst z.B. "synthetischer Quarz". Diese Definition ist nicht immer einfach handhabbar (z.B. Rost am Autoblech vs. Rost am Eisenmeteorit; "Mineralneubildung" in brennenden Kohlehalden bzw. Schlackenhalden der Antike?) 26

27 Bestandteil der festen Erde
- also nicht gasförmig bzw. flüssig (Ausnahme ged. Quecksilber); Eis ja, Wasser nein! - mit wenigen Ausnahmen (Opal, Bernstein sind amorph) sind Minerale kristallin -Einige Minerale (z.B. Zirkon) zerstören sich selbst (Zerfall von eingebautem U, Th) und werden nach und nach amorph - dieses 3-D unendliche periodische Kristallgitter muß definiert sein 27

28 Bereits die äußere Form verrät ein geordnetes Innenleben!
BME192(06) 28

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30 Minerale werden deshalb nach kristallchemischen Prinzipien eingeteilt
- demnach sind Chemismus und Kristallstruktur die bestimmenden und diagnostischen Eigenschaften von Mineralen Minerale werden deshalb nach kristallchemischen Prinzipien eingeteilt - aber wie bauen wir aus Einzelatomen die komplizierten Kristallstrukturen der Minerale auf? 30

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32 … noch nicht klar? Hier eine Eselsbrücke
Metallische Bindung: Genug Knochen für alle. zu jeder Zeit hat ein Hund Zugang zu Knochen. Kovalente Bindung: Alle Hunde gleich groß. Man teilt brüderlich/schwesterlich und hängt am gleichen Knochen Ionische Bindung: Großer Hund nimmt Knochen (Elektron). Kleiner Hund bleibt durch die Anziehungskraft des verlorenen Knochens in der Nähe! BME209(06) 32

33 Ionische und kovalente Bindungen
Elektronenübertragung keine Elektronenübertragung ungerichtet gerichtet klar definierte Bindungslänge und -winkel elementspezifisch Der ionische Anteil einer Bindung steigt mit der Koordinationszahl Ionischer Anteil Koordinationszahl 0,40 Si[2]O 0,50 Si[4]O 0,60 Si[6]O 0,75 Si[8]O

34 Kation: positiv geladen (z.B. Na+) Anion: negativ geladen (z.B. Cl-)
- auf diese Weise, besonders bei der für gesteinsbildende Minerale sehr wichtigen ionischen Bindung entstehen aus neutralen Atomen Ione mit Ladung Kation: positiv geladen (z.B. Na+) Anion: negativ geladen (z.B. Cl-) 34

35 Anionkomplex Mineralgruppe (CO3)2- Karbonate (SO4)2- Sulfate
- in einem Mineral können die Bindungen unterschiedlicher Art und von unterschiedlicher Stärke sein - es kann zu „Gruppen-“, d.h. zu Komplexen kommen. die sich wie „einzelne Anionen“ verhalten: Anionkomplex Mineralgruppe (CO3)2- Karbonate (SO4)2- Sulfate (NO3)- Nitrate (SiO4)4- Silikate - ergibt Einstieg in die kristallchemische Klassifikation der Minerale ===> 35

36 - müßen sich alle Kugeln berühren
Die Kristallstrukturen können also als Anhäufungen von „starren Kugeln“ unterschiedlicher Größe angesehen werden. In einer realistische Struktur: - müßen sich alle Kugeln berühren - muß die Summe der Ladungen gleich Null sein müßen um positive Kationen herum negative Anionen angeordnet sein: [ eine der klassichen Paulingschen Regeln lautet: Um jedes positiv geladene Kation bildet sich ein Koordinationspolyeder von negativ geladenen Anionen (bei Silikaten überwiegend Sauerstoff)] 36

37 Pauling‘sche Regeln Pauling‘sche Regel: Radienverhältnisregel Um jedes Kation wird ein Koordinationspolyeder gebildet. Der Abstand zwischen Kation und Anion ist durch die Summe der Ionenradien bestimmt, die Koordinationszahl dagegen vom Radienverhältnis. Pauling‘sche Regel: Elektrostatische Valenzsummenregel Die Valenz eines Anions in einer stabilen ionischen Struktur versucht die Stärke der elektrostatischen Bindungen der umgebenden Kationen zu kompensieren (und umgekehrt). Pauling‘sche Regel: Verknüpfung von Koordinationspolyedern Teilung von Kanten und besonders von Flächen zwischen Koordinationspolyedern reduziert die Stabilität einer Struktur. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt für Kationen hoher Valenz und geringer Koordinationszahl. Pauling‘sche Regel: Kationenregel In einer Struktur mit mehreren Kationen weichen Kationen mit hohen Ladungen einem Teilen von Bauelementen aus. Pauling'sche Regel: ‚Sparsamkeitsregel‘ Die Zahl verschiedener Bauelemente in einer Kristallstruktur ist klein.

38 1. Pauling‘sche Regel: Radienverhältnisregel
Um jedes Kation wird ein Koordinationspolyeder gebildet. Der Abstand zwischen Kation und Anion ist durch die Summe der Ionenradien bestimmt, die Koordinationszahl dagegen vom Radienverhältnis. Ion Ionenradius [Å] RKation/RSauerstoff Koordinationszahl Si4+ 0.34 – 0.48 0.25 – 0.36 4 Al3+ 0.47 – 0.61 0.36 – 0.46 4 oder 6 Fe3+ 0.57 – 0.68 0.43 – 0.52 6 Fe2+ 0.71 – 0.77 0.54 – 0.58 Mg2+ 0.80 – 0.97 0.61 – 0.73 6 oder 8 Mn2+ 0.83 – 1.01 0.63 – 0.77 Na+ 1.10 – 1.24 0.76 – 0.94 8 Ca2+ 1.08 – 1.20 0.82 – 0.91 K+ 1.59 – 1.68 1.20 – 1.27 12

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40 -Bei der Betrachtung von Kristallstrukturen (besonders der gesteinsbildenden Silikate) hilft uns der Umstand, dass wir den Kationen feste Größen zuordnen können (Bezug = Sauerstoff) BME252(06) 40

41 In Silikaten gilt also in erster Näherung:
Die Ionen haben eine definierte Größe!! … und eine definierte Wertigkeit (d.h. Ladung ), die vom Bindungstyp vorgegeben wird !! 41

42 Die relative Größe der Kationen diktiert die Koordination mit umgebenden Sauerstoffen
BME270(06) 42

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44 2. Pauling‘sche Regel: Elektrostatische Valenzsummenregel
Die Valenz eines Anions in einer stabilen ionischen Struktur versucht die Stärke der elektrostatischen Bindungen der umgebenden Kationen zu kompensieren (und umgekehrt). Für jedes Kation i mit der Ladung Z und der Koordinationszahl CN ergibt sich die 'elektrostatische Bindungsstärke' Si zu: Si = Z/CN Ein stabiles Ionengitter liegt dann vor, wenn die Ladung X der Anionen der Summe der Bindungsstärken der koordinierenden Kationen entspricht: X = Σi Si Die Summation erfolgt über die i-Kationen um das jeweilige Anion. Beispiel Perowskit CaTiO3: Für die einzelnen Kationen gilt: Ca: Z = +2; CN=12, d.h. Z/CN = 1/6 Ti: Z = +4; CN=6, d.h. Z/CN = 2/3 Da Sauerstoff (Z = -2) von zwei Ti- und vier Ca-Atomen koordinert ist, gilt: S = 4 * 1/6 + 2 * 2/3 = 2. D.h. also, dass die Ladung des O2- genau ausgeglichen wird.

45 3. Pauling‘sche Regel: Verknüpfung von Koordinationspolyedern
Teilung von Kanten und besonders von Flächen zwischen Koordinationspolyedern reduziert die Stabilität einer Struktur. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt für Kationen hoher Valenz und geringer Koordinationszahl. Bild Bei Salzen mit mehreren Kationen werden diejenigen mit hoher Ladung möglichst weit voneinander weg eingebaut, so daß eine möglichst gute Abschirmung der Kationen voneinander möglich wird. D.h., daß die Kationen-Koordinationspolyeder möglichst wenige Polyederelemente gemeinsam haben sollten. ("Al-avoidance rule"!!) Beispiel: Bei Silicaten sind keine Beispiele für gemeinsame Flächen zwischen Tetraedern und keine Beispiele für gemeinsame Kanten zwischen Tetraedern bekannt. Die SiO4-Tetraeder sind stets entweder isoliert oder über gemeinsame Ecken miteinander verknüpft.

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47 4. Pauling‘sche Regel: Kationenregel
In einer Struktur mit mehreren Kationen vermeiden Kationen mit hohen Ladungen ein Teilen von Bauelementen. Die Konsequenz z.B. für Alumosilicate ist die sogenannte Löwenstein-Regel, nach der niemals zwei Aluminium-Atome nebeneinander in den Tetraederverband eingebaut sind. 5. Pauling'sche Regel: ‚Sparsamkeitsregel‘ Die Zahl verschiedener Bauelemente in einer Kristallstruktur ist klein. Insgesamt werden also möglichst wenige Koordinationen realisiert.

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49 Olivin (bis ca. 440 Km)

50 Zur räumlichen Darstellung eignen sich solche skalierten Zeichnungen wenig, deshalb eher „balls-and-sticks“ Modelle BME271(06) 50

51 … die man dann aus unterschiedlichen Perspektiven zeichnen kann.
BME271A(06) 51

52 … und jetzt zu den wichtigsten gesteinsbildenden Mineralen – den Silikaten
Die Ähnlichkeit im chemischen Verhalten von Sauerstoff und Kohlenstoff läßt auch hier eine Tendenz zur Molekülbildung erwarten! BME161(06) 52

53 Grundbaustein aller gesteinsbildenden Silikatstrukturen ist das SiO4-Tetraeder
BME272(06) 53

54 Die Silikat-Systematik:
Inselsilikate Gruppensilikate Ringsilikate Kettensilikate Schichtsilikate Gerüstsilikate BME 280A(00) 54

55 Quarz ist SiO2 Größenverhältnisse der Atome Si und O:
Radius in Ångstrom (= 10-10m) Sauerstoff (O) Silizium (Si) Also besteht Quarz volumenmäßig fast ausschließlich aus Sauerstoff. („Luft“???!!! Was hält den Kristall zusammen??? 55

56 Vom Element zum Mineral
Ende Teil II Vom Element zum Mineral 56

57 - wie stelle ich mir einen Atom vor?
BME198(06) 57

58 Die nicht reaktiven Edelgase:
BME161(06) 58

59 Die Edelgaskonfiguration:
z.B. Neon e e e BME200(06) 59

60 Die Edelgaskonfiguration:
- und analog, die "Schalenbesetzung" für alle Edelgase: He: 2 (Ordnungszahl 2) Ne: (10) Ar: (18) Kr: (36) Xe: (54) Rn: (68) - bei der Bindung von Atomen zueinander zum Erreichen von periodischen Strukturen streben die Atome eine Edelgaskonfiguration an. 60

61 Möglichkeit 1: Die ionische oder auch heteropolare Bindung
Ordnungszahl Na = 11 Ordnungszahl Cl = 17 BME202(06) + 204(06) 61

62 Möglichkeit 2: Die kovalente oder auch homöopolare Bindung
Kohlenstoff O.Z. = 6 BME206(06) 62

63 Möglichkeit 3: Die metallische Bindung
BME208(06) 63

64 Möglichkeit 4: Die van-der-Waals -Bindung
+ - + - - beruht auf inhomogener Ladungsverteilung - sehr, sehr schwache Bindung 64

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67 Vereinfachtes Modell zur Kondensation von
primitiver Materie im frühen solaren Nebel T = 1700 K homogenes Gas (H2,He,Ne,N2, CO,H2O,Mg,SiO Al,AlO,Fe,...) P = 10-3 bar

68 Vereinfachtes Modell zur Kondensation von
primitiver Materie im frühen solaren Nebel T = 1700 K T = 1500 K homogenes Gas (H2,He,Ne,N2, CO,H2O,Mg,SiO Al,AlO,Fe,...) P = 10-3 bar P = 10-3 bar

69 Vereinfachtes Modell zur Kondensation von
primitiver Materie im frühen solaren Nebel T = 1700 K T = 1500 K T = 1300 K homogenes Gas (H2,He,Ne,N2, CO,H2O,Mg,SiO Al,AlO,Fe,...) P = 10-3 bar P = 10-3 bar P = 10-3 bar

70 Undifferenzierter + primitiver Meteorit

71 Kohlige Chondrite - Undifferenzierte Meteorite
Orgueil CI Allende CV alteriert durch Reaktion mit wäßriger Lösung Agglomerat primitiver Objekte

72 chemische Zusammensetzung der CI-Meteorite = chemische Zusammensetzung unseres Sonnensystems

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74 Kohlige Chondrite - Undifferenzierte Meteorite
Orgueil CI Allende CV alteriert durch Reaktion mit wäßriger Lösung Agglomerat primitiver Objekte

75 Einteilung der undifferenzierten Meteorite

76 Differentiationsprozesse - Elementfraktionierungen
Verdampfung/Kondensation Gas refraktär <-> flüchtig fest <-> gasförmig

77 ~108 mal stärker als heute, fegt alles
Sonnenwind ~108 mal stärker als heute, fegt alles < cm Größe aus dem solaren Nebel NASA’s Genesis scientists wish to collect and study pristine samples of today’s solar wind particles in order to give us better data about the composition of the original solar nebula, and, possibly, help us determine the validity of the condensation theory. Adapted from: NASA Genesis Website