VL Baumaterialien der Erde Minerale, deren Darstellung und Eigenschaften 30.11.2015

Periodensystem der Elemente Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Häufigkeiten der Elemente Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Häufigkeiten der Elemente physikalische & chemische Eigenschaften Sonne Gesamterde Erdkruste 1 H Fe O 2 He Si 3 Al 4 C Mg 5 N Ni Ca 6 Na 7 K 8 9 S Ti 10 Cr 11 Mn P 12 Co   13 14 Häufigkeiten der Elemente physikalische & chemische Eigenschaften Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Größe der Kugeln (Kationen) im Kristallmodell Bei Silikaten gilt in erster Näherung: Die Ionen haben eine definierte Größe und Wertigkeit (d.h. Ladung), die vom Bindungstyp bzw. –charakter vorgegeben wird. Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

1. Pauling‘sche Regel: Radienverhältnis Die relative Größe der Kationen bestimmt die Koordinationszahl – „Es darf nicht klappern“ Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

1. Pauling‘sche Regel: 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 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. Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Größe der Kugeln im Kristallmodell Die Modelle mit skalierten Kugelgrößen sind oft sehr unübersichtlich. Deshalb wird oft eine Darstellung mit sogenannten „balls & sticks“ gewählt! Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Grundbaustein aller Silikat-Minerale und prima kombinierbar! Der SiO4-Tetraeder Grundbaustein aller Silikat-Minerale und prima kombinierbar! Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Systematik der Silikate 1) Inselsilikate (Nesosilicate) [SiO4]4- SiO4-Tetraeder liegen in der Struktur isoliert vor Beispiel: Olivin (Mg,Fe)2SiO4 Granat X3Y2(SiO4)3 Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Systematik der Silikate 2) Gruppensilikate (Sorosilicate) [Si2O7]6- SiO4-Tetraeder teilen sich ein Sauerstoffatom (Brückensauerstoff) Beispiel: Gehlenit (Ca2Al[(Si,Al)2O7]) Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Systematik der Silikate 3) Ringsilikate (Sorosilicate) [Si3O9]6- [Si4O12]8- [Si6O18]12- SiO4-Tetraeder verknüpfen sich zu Dreier-, Vierer- oder Sechserringen über zwei gemeinsam genutzte Sauerstoffatome. Größere Ringe sind nicht stabil, da kein Kation groß genug wäre, die entstehende Lücke zu füllen.  „Es darf nicht klappern“ Beispiel: Beryll (Al2Be3[Si6O18]) Baumaterialien der Erde – 17.11.2014

Zusätzliche Hohlräume oft mit OH- / F- gefüllt Systematik der Silikate 4) Kettensilikate (Inosilicate) [Si2O6]4- [Si4O11]6- SiO4-Tetraeder verknüpfen sich über zwei gemeinsam genutzte Sauerstoffatome zu eindimensionalen Ketten. Pyroxene: 1-D Einfachkette Amphibole: 1-D Zweifachkette zusätzlich seitlich über Sauerstoff verbunden Zusätzliche Hohlräume oft mit OH- / F- gefüllt Beispiel: Diopsid (CaMg[Si2O6]) Beispiel: Tremolit (Ca2Mg5[Si4O11]2) Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Zusätzliche Hohlräume oft mit OH- / F- gefüllt Systematik der Silikate 5) Schichtsilikate (Phyllosilicate) [Si4O10]4- SiO4-Tetraeder mit hohem Polymerisationsgrad bilden Schichten und teilen sich dabei je drei Sauerstoffatome. Beispiel: Glimmer, Tonminerale Muscovite (KAl2[(OH)2|AlSi3O10]) Kaolinit (Al4[(OH)8|Si4O10]) Zusätzliche Hohlräume oft mit OH- / F- gefüllt Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Systematik der Silikate 6) Gerüstsilikate (Tektosilicate) [SiO2] Jedes Sauerstoffatom ist Teil von zwei SiO4-Tetraeder, woraus sich ein 3-D Gerüst mit der Summenformel SiO2 bildet. Bei einigen Gerüstsilikaten wird teilweise Si durch Al ersetzt, wobei dann ein Ladungsausgleich auf einem Kationenplatz stattfinden muss. Beispiel: Quartz, Feldspäte Quarz SiO2 Albit NaAlSi3O8 Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Die Silikat-Systematik: Inselsilikate Gruppensilikate Ringsilikate Kettensilikate Schichtsilikate Gerüstsilikate Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Handhabung der Chemie der Minerale Verteilungskoeffizienten Chemische Daten Schmelzen (und andere chemische Reaktionen) in mineralogischen Systeme Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Olivin (bis ca. 440 Km) Verteilung der Elemente Erinnerung: Kompatibilität / Inkompatibilität (auch: Flüchtig / Refraktär) Quantifizierung Olivin (bis ca. 440 Km) Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Häufigkeiten der Elemente physikalische & chemische Eigenschaften Sonne Gesamterde Erdkruste 1 H Fe O 2 He Si 3 Al 4 C Mg 5 N Ni Ca 6 Na 7 K 8 9 S Ti 10 Cr 11 Mn P 12 Co   13 14 Häufigkeiten der Elemente physikalische & chemische Eigenschaften Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Einführung in die Darstellung chemischer Zusammensetzungen Schreibweise von Mineralformeln Erst Kationen, dann Anionen Von hoch zu niedrig koordiniert Mögliche Variationen (Mischungen) in Klammern Ladungsneutral Beispiel: Pyroxen – Ca(Mg,Fe)Si2O6 8-fach 6-fach Mg / Fe möglich 4-fach koordiniert M1 = Ca M2 = Mg,Fe T= Si Allgemein: Pyroxen – M1M2T2O6 Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Einführung in die Darstellung chemischer Zusammensetzungen Chemische Analysen Atom% Gew% Atom% der Oxide Gew% der Oxide  Häufig verwendet Beispiele für Berechnungen chemischer Zusammensetzungen 1)-4)… Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Einführung in die Darstellung chemischer Zusammensetzungen Graphische Darstellung – XY Diagramme Pro: Einfache Korrelation Übersichtliche Darstellung Jede Analyse = ein Punkt Kontra: Nur 2 Variablen darstellbar Oft sind aber 3 oder mehr Elemente bzw. Oxide nötig Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Einführung in die Darstellung chemischer Zusammensetzungen Graphische Darstellung – Ternäre Diagramme Beispiele für Berechnungen chemischer Zusammensetzungen im ternären Diagramm… Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Einführung in die Darstellung chemischer Zusammensetzungen Ternäre Diagramme – Beispiel eines Basalts Chemische Analyse: Berechnung der ternären Koordinaten für K2O, Na2O & CaO: Baumaterialien der Erde – 30.11.2015

Einführung in die Darstellung chemischer Zusammensetzungen Phasengleichgewichts Diagramme Wie schmelzen / kristallisieren Gesteine? Bedingungen:  Langsames Abkühlen bzw. Aufheizen Berechnung der Anteile über das Hebelgesetz: Baumaterialien der Erde – 30.11.2015