VL Baumaterialien der Erde

Präsentation zum Thema: "VL Baumaterialien der Erde"—  Präsentation transkript:

1 VL Baumaterialien der Erde
Elemente, Minerale & deren Darstellung

2 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 –

3 Periodensystem der Elemente
Baumaterialien der Erde –

4 Häufigkeiten der Elemente
Baumaterialien der Erde –

5 Charakteristische Eigenschaften = Chemismus & Kristallstruktur
Minerale Minerale sind stofflich einheitliche, natürlich gebildete Bestandteile der festen Erde und der kosmischen Materie Stofflich Einheitlich ≠ pure, chemische Zusammensetzung (es gibt Mischkristalle), ABER klare Grenzen im Chemismus! Beispiel: Olivin = (Mg,Fe)2SiO4 - Mischung zwischen Forsterit (Mg2SiO4) & Fayalit (Fe2SiO4) Mit wenigen Ausnahmen sind Minerale kristallin und haben ein klar definiertes (unendliches) dreidimensionales Kristallgitter! Charakteristische Eigenschaften = Chemismus & Kristallstruktur Baumaterialien der Erde –

6 Kristallmorphologie Systematische Anordnung von Elementen in einem Kristallgitter Baumaterialien der Erde –

7 Wie bekommt man aus Elementen strukturierte Minerale?
Kristallchemie Wie bekommt man aus Elementen strukturierte Minerale? Bindungen Baumaterialien der Erde –

8 Wiederholung…Die 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) 8

9 - wie stelle ich mir einen Atom vor?
BME198(06) 9

10 Die nicht reaktiven Edelgase:
BME161(06) 10

11 Die Edelgaskonfiguration:
z.B. Neon e e e BME200(06) 11

12 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. 12

13 Die ionische oder auch heteropolare Bindung
Möglichkeit 1: Die ionische oder auch heteropolare Bindung Ordnungszahl Na = 11 Ordnungszahl Cl = 17 BME202(06) + 204(06) 13

14 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-) 14

15 Atome unterschiedlich groß
Ionische Bindung Beispiel:Halit (Kochsalz) Atome unterschiedlich groß Größere Atom nimmt Elektron auf und das kleinere wird dadurch angezogen Baumaterialien der Erde –

16 Die kovalente oder auch homöopolare Bindung
Möglichkeit 2: Die kovalente oder auch homöopolare Bindung Kohlenstoff O.Z. = 6 BME206(06) 16

17 Elektronen werden geteilt
Kovalente Bindung Beispiel:Graphit (Kohlenstoff) Alle Atome gleich groß Elektronen werden geteilt Baumaterialien der Erde –

18 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 ===> 18

19 19

20 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

21 Möglichkeit 3: Die metallische Bindung
BME208(06) 21

22 Möglichkeit 4: Die van-der-Waals -Bindung
+ - + - - beruht auf inhomogener Ladungsverteilung - sehr, sehr schwache Bindung 22

23 Die Kristallstrukturen können also als Anhäufungen von
„starren Kugeln“ unterschiedlicher Größe angesehen werden. In einer realistische Struktur: Bedingungen: müßen sich alle Kugeln berühren „Es darf nicht klappern“ muß die Summe der Ladungen gleich Null sein Neutralitätskriterium 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)] 23

24 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.

25 Die Koordinationszahl ist geometrisch durch das Verhältnis der Ionenradien gegeben…
Mit anderen Worten: Die Lücke für das Kation muss groß genug sein!

26 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

27 -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) 27

28 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 !! 28

29 Die relative Größe der Kationen diktiert die Koordination mit umgebenden Sauerstoffen
„Es darf nicht klappern“ BME270(06) 29

30 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 –

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

32 Grundbaustein aller gesteinsbildenden Silikatstrukturen ist das SiO4-Tetraeder
BME272(06) 32

33 33

34 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.

35 3. Pauling‘sche Regel: Verknüpfung
Gemeinsame Flächen oder Kanten verringern die Stabilität… Bei Silikaten 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. Baumaterialien der Erde –

36 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. 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.

37 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. ("Al-avoidance rule"!!) 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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39 Olivin (bis ca. 440 Km)

40 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 –

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

42 Systematik der Silikate 3) Ringsilikate (Cyclosilicate)
[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 –

43 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 –

44 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 –

45 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 –

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

47 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 –

48 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 –

49 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 –

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

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

52 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 –

53 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.

54 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.

55 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.