Geochemie-I Fragenkatalog zur Klausurvorbereitung

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1 Geochemie-I Fragenkatalog zur Klausurvorbereitung 1) Chemische Eigenschaften der Elemente Wodurch ist ein Element charakterisiert/definiert? Was ist ein Isotop? Was bestimmt die chemischen Eigenschaften eines Elements? Wie wird die Elektronenkonfiguration eines Elementes eindeutig gekennzeichnet? Welche chemischen Bindungen gibt es? Wodurch unterscheiden sie sich? Was ist ein Anion bzw. ein Kation? Warum kommen die Elemente bei einer ionischen Bindung im Wesentlichen entweder in Form eines Kations oder in Form eines Anions vor? Wie ist die Wertigkeit eines Elementes definiert? Warum haben die meisten Elemente eine charakteristische Wertigkeit, wenn sie chemisch gebunden vorliegen (z.b. Al 3+, Si 4+, Na +, Ca 2+, O 2-, F - ). Geben Sie die Elektronenkonfiguration für diese Ionen an! Was ist der Ionenradius? Wie ändert sich der Ionenradius (einfach positiv geladen) der Elemente einer Schale (K, L, oder M-Schale) mit zunehmender Ordnungszahl (Kernladungszahl = Anzahl der Protonen). Wie ändert sich dieser innerhalb einer Hauptgruppe? Warum? Was ist die Koordinationszahl eines Elementes in einer kristallinen Phase? Warum und wie hängt die Koordinationszahl mit dem Ionenradius eines Elementes zusammen? Nach welchen Verteilungsprinzipien können Elemente andere Elemente potentiell in Mineralen ersetzen? Überlegen Sie sich Beispiele! Ein sehr wichtige Mineralgruppe sind die Pyroxene, welche zu den Kettensilikaten gehören. Die Strukturformel für Pyroxene lautet (M2)(M1)T 2 O 6 M2 6-8fach koordinierte Position für metallisches Ion M1 6fach koordinierte Position für metallisches Ion T 4fach koordinierte tetrahedrale Position für Kation O Sauerstoff

2 Überlegen Sie sich anhand der bekannten Systematik, welche Position die folgenden Kationen in dieser Struktur einnehmen sollten: Si 4+, Al 3+, Fe 3+, Ti 4+, Mg 2+, Fe 2+, Mn 2+, Ca 2+, Na +, K + sortiert nach Ionenradius. Die Ionenradien entnehmen Sie bitte der Abbildung links. Überlegen Sie sich anhand der kosmischen Häufigkeiten, welche dieser Elemente eher als Spurenelement in Pyroxenen vorkommen. Was sind die Regeln von Pauling? Was sind die wesentlichen Baueinheiten der Minerale insbesondere der Silikate und wie steht dies im Zusammenhang mit der Klassifikation der Minerale nach Strunz? Was bedeuten die Abkürzungen LIL, PGE, REE, HFS? Inwiefern ist diese Einteilung der Elemente relevant für deren Umverteilung zwischen Mineralen und einer Schmelze? 2) Häufigkeit der Elemente/Isotope, Zusammensetzung der Erde und Differentiationsprozesse Welche sind die mit Abstand häufigsten Elemente im Universum bzw. unserem Sonnensystem (einschließlich Sonne)? Warum ist das so? Wie sind diese entstanden und wie sind die restlichen Elemente entstanden? Wie bestimmt man die Häufigkeiten der Elemente in unserem Sonnensystem? Beschreiben Sie die wesentlichen Merkmale dieser Häufigkeiten! Kann man diese Merkmale erklären? Wie ist das Sonnensystem entstanden und was ist der wichtigste Fraktionierungsprozess dabei? Wie ist die Kondensationstemperatur eines Elementes definiert?

3 Was sind die wesentlichen Elemente aus denen die Erde zusammengesetzt ist? Warum unterscheidet sich diese Zusammensetzung so stark für einige Elemente im Vergleich zur kosmischen Häufigkeit? Welcher Differentiationsprozess ist dafür verantwortlich? Welche wichtigen Differentiationsprozesse gibt es sonst noch, die für eine globale bzw. großskalige Umverteilung der Elemente verantwortlich sind? Was ist die geochemische Klassifikation der Elemente nach Goldschmidt? Welcher Differentiationsprozeß wird damit berücksichtigt? Welche Unterscheidungsklassen gibt es? Geben sie zu jeder Klasse ein Beispielelement an! Inwiefern lässt sich die Zuordnung zumindest zum Teil aus der Elektronenkonfiguration des Elementes bzw. Ions ableiten? Die Erde besitzt eine Schalenstruktur in chemischer als auch physikalischer Sicht. Welche der geochemischen Klassen lassen sich den unterschiedlichen Bereichen der Erde zuordnen? Wie ist der mineralogische Aufbau des Erdmantels nach momentanem Kenntnisstand und wie hat man diesen bestimmt? Wie ist der Verteilungskoeffizient definiert? Warum ist dieser für ein gegebenes Element je nach Mineral unterschiedlich? Wie steht dies im Zusammenhang mit dem Ionenradius und der Wertigkeit des Elementes? Die Erdkruste macht vom Gesamtvolumen der Erde nur einen minimalen Teil aus. Dennoch sind in ihr einige Element besonders stark konzentriert. Welche Elemente sind dies und was ist der zugehörige Differentiationsprozess. Welche Elemente sind bei der genaueren Untersuchung dieses Prozesses von besonderem Interesse? Der primitive Erdmantel könnte bis auf siderophile und flüchtige Elemente die Elemente in ihrer chondritischen/kosmischen Häufigkeit enthalten. Heutige Analysen von Teilen aus dem Erdmantel (Peridotit-Gesteine als Xenolithe in z.b. Basalten) zeigen jedoch im Verhältnis zu einer chondritischen Zusammensetzung eine starke Verarmung der inkompatiblen Elemente. Warum? Basaltische Schmelzen, welche aus der partiellen Aufschmelzung des Erdmantels hervorgehen, zeigen aber für stark inkompatible im Vergleich zu schwach inkompatiblen Elementen eine etwas schwächere Anreicherung. Wie könnte man das wiederum erklären? 3) Thermodynamik Definieren Sie offenes, geschlossenes und isoliertes System! Wann befindet sich ein System im Gleichgewichtszustand? Was bedeutet chemisches Gleichgewicht? Was ist ein stabiles, was ein metastabiles Gleichgewicht? Was ist eine Zustandsfunktion? Geben Sie Beispiele! Was ist die innere Energie? Wie ist die Enthalpie definiert? Was ist die Bildungsenthalpie einer chemischen Spezies? Wie

4 P und lautet die zugehörige Reaktion von z.b Spinell (MgAlB2BOB4B) für die Bildung aus den Elementen? Wie ist die Gibbs-Energie definiert? Geben Sie die wichtigsten Eigenschaften dieser thermodynamischen Größe an! Geben Sie ein thermodynamisches Kriterium für chemisches Gleichgewicht an! Warum ist Graphit bei 25 C, 1bar stabil und Diamant dagegen metastabil? Gewünscht ist hier keine kristallographische Begründung, sondern eine vereinfachte thermodynamische Begründung. In der unteren Abbildung ist die Gibbs-Energie einer binären chemischen Mischung (Forsterit-Fayalit) aufgetragen als Funktion der Zusammensetzung (dem Molenbruch der Fayalitkomponente in Olivin Konzentration von Fe in Olivin). Warum ist die chemische Verbindung stabiler als die rein mechanische Mischung der beiden Endglieder Forsterit und Fayalit. G f Fa Gf [kj/mol] G f Fo Forsterit Fayalit mole fraction Fa (X Fa ) Mg 2 SiO 4 Fe 2 SiO Überlegen Sie sich anhand des Ionenradius von FeP MgP P bzw. NaP P und KP P, warum im Vergleich dazu bei niedrigen Temperaturen Albit (NaAlSiB3BOB8B) und Kalifeldspat (KAlSiB3BOB8B) nicht chemisch mischbar sind. Wie lautet das Massenwirkungsgesetz? Formulieren Sie eine Bedingung für chemisches Gleichgewicht mittels des Massenwirkungsgesetzes! Wie kann ich die Steigung einer Phasengrenze im P-T Diagramm berechnen? Was ist das Prinzip von LeChatelier? Überlegen Sie sich für die folgenden Reaktionen das Vorzeichen von S und V sowie der Steigung der Phasengrenze im P-T Diagramm: HB2BO (s) = HB2BO (l)

5 HB2BO (l) = HB2BO (g) MgB2BSiOB4B (Forsterit) = MgB2BSiOB4B (Schmelze) Warum wird Wadsleyit (β-olivin) ab einem bestimmten Druck stabiler als Olivin (α- Olivin)? Betrachten Sie die folgende Reaktion: Jadeit + Quarz = Albit (NaAlSiB2BOB6B + SiOB2B = NaAlSiB3BOB8B) 5 Das BrBG dieser Reaktion bei 10P P Pa, 500 C beträgt kj. Welche Phase(n) sind bei diesen Bedingungen stabil? Die Phasengrenze im P-T Diagramm ist unten skizziert. In welchem P-T Bereich ist Jadeit stabil und wo sind Albit und Nephelin stabil. Was ist die Bedingung für die Phasengrenze im P-T Diagramm? Welche Phasen sind dort stabil? P [kbar] T [ C] 4) Isotopenfraktionierung und Geochronologie Was versteht man unter einer Fraktionierung stabiler Isotope? Bei welchen Isotopen ist 18 dieser Effekt maximal? Wie ist z.b. der δp PO -Wert definiert? Welche Phase bevorzugt 18 das schwere Sauerstoffisotop P PO, HB2BO (l) oder HB2BO (s)?

6 Wie kann ich über diese Fraktionierung Temperaturen bestimmen? Schreiben Sie eine Austauschreaktion für 16 O und 18 O zwischen diesen Phasen! Was ist eine terrestrische Fraktionierungslinie? Benennen Sie einige Zerfallsreaktionen für radioaktive Isotope und geben Sie jeweils dafür ein Beispiel an! Wie lautet das Zerfallsgesetz? Welche Einheit hat die Zerfallskonstante und wie kann ich Sie interpretieren? Was ist die Halbwertszeit und wie kann ich sie aus der Zerfallskonstante berechnen? Benennen Sie einige wichtige radioaktive Isotope und deren Tochterisotop, welche zur Datierung (Geochronologie) benutzt werden. Inwiefern hängt die Zeitskala, die ich mittels eines gegebenen radioaktiven Isotopensystems bestimmen kann, mit der Halbwertszeit zusammen? Was muss ich im allgemeinen Fall messen oder kennen, damit ich das Alter eines Gesteins oder Minerals bestimmen kann? Warum ist es wichtig, dass das untersuchte System geschlossen war und ist. Falls die Anfangskonzentration des Tochterisotops unbekannt ist, kann man sich der Isochronenmethode bedienen. Erläutern Sie diese anhand des Systems 147 Sm- 143 Nd. Als stabiles Tochterisotop zur Normierung dient hier 144 Nd. Zeichnen Sie ein schematisches Diagramm zur Verdeutlichung der Methode!