Tonminerale. Technische Mineralogie, J. Majzlan

Transkript

1 Tonminerale Technische Mineralogie, J. Majzlan Tonminerale sind die Schichtsilikate, die in Partikeln kleiner als 2 µm vorkommen. Diese Denition ist operativ, d.h. dass sie auf keinen natürlichen Gesetzen, sondern auf Gepogenheiten der Laborarbeit, basiert. Kleine Partikeln können nämlich in einer Suspension von den gröÿeren getrennt werden nach dem Gesetz von Stokes v p = 2r2 g(ρ p ρ f ) 9η mit den Variablen v p - Sedimentationsgeschwindigkeit, g - Erdbeschleunigung, r - Radius der Partikeln (unter der Annahme, dass diese Partikeln perfekt kugelförmig sind), ρ p - Dichte der Partikeln, ρ f - Dichte des Fluids, und η - Viskosität des Fluids. Nach diesem Gesetz kann man berechnen, dass nach 24 Stunden in einer Suspension nur Partikeln kleiner als 2 µm in der Wassersäule bleiben ; die gröÿeren lagern sich ab. So kommt es zu der operativen Denition der Tonminerale. Die Struktur der Tonminerale besteht aus Schichten und die Schichten bestehen aus Netzen. Es gibt fundamental zwei Typen von Netzen : oktaedrische und tetraedrische. Die tetraedrischen Netze bringen kleinere Kationen mit hoher Oxidationszahl, besonders Si 4+ und Al 3+ unter. Die oktaedrischen Netze bringen gröÿere Kationen mit intermediären Oxidationszuständen, besonders Al 3+, Fe 3+, Fe 2+ und Mg 2+ unter. Es ist bemerkenswert, dass Aluminium in beiden Netzen eine sehr wichtige Rolle spielt. Man spricht über eine Dichotomie oder Zweiteilung des Aluminiums. Die gröÿten Kationen mit kleiner Oxidationszahl, wenn überhaupt vorhanden, benden sich in dem Zwischenschichtraum. Die Schichten in den Tonmineralen kann man deswegen als Pakete sehen, die aus verschiedenen Kombinationen der Netze bestehen. Natürlich muss die ganze Struktur elektroneutral sein, sondern wäre sie nicht stabil und würde sofort zerfallen. Weil die oktaedrischen Netze mit drei- oder zweiwertigen Kationen besetzt werden können, müssen sich die zwei Varianten (mit M 3+ oder M 2+ ) leicht unterscheiden, um die selbe elektrische Ladung zu haben. Falls die Kationen in einem oktaedrischen Netz überwiegend zweiwertig sind (M 2+ ), werden alle Kationenstellen im Netz besetzt. Solche Netze heiÿen trioktaedrisch. Beachten Sie, dass der Name "trioktaedrisch" nicht die Ladung der Kationen, sondern die Koordinationszahlt der OH-Gruppen beschreibt. Falls die Kationen in einem oktaedrischen Netz überwiegend dreiwertig sind (M 3+ ), werden nur 2/3 der Kationenstellen im Netz besetzt. Solche Netze heiÿen dioktaedrisch. 1

2 Jetzt werden wir die chemische Zusammensetzung der Tonminerale erkunden. Wir beginnen allerdings mit Hydroxiden, die als eine Vorlage für die komplizierteren Strukturen der Schichtsilikate dienen können. Das Mineral Gibbsit, Al, besitzt eine Schichtstruktur mit dioktaedrischen Netzen. Die Netze sind miteinander ausschlieÿlich über Wasserstobrücken verbunden. Die chemische Zusammensetzung können wir auch anders schreiben 2Al Al 2 Dieses Symbol bedeutet, dass sich in der Mitte der dioktaedrischen Netze die Al 3+ Kationen benden, welche mit den (OH)-Gruppen von oben und unten koordiniert sind. Wir fangen an, die Schichtsilikate aus dieser einfachen Struktur aufzubauen. Eine der -Gruppen wird mit einem tetraedrischen Netz ersetzt. Wir müssen uns nur merken, dass die Zusammensetzung der tetraedrischen Netze ist und erhalten Al 2 Al 2 4 Dies ist die Zusammensetzung der 1 :1, oder T-O-Schichtsilikate mit Al 3+ als Kation in den oktaedrischen Netzen. Es handelt sich um die Minerale der Kaolinit-Gruppe. Genauso geht es mit den trioktaedrischen Schichtsilikaten. Wir beginnen mit dem Mineral Brucit, Mg(OH) 2. Er besitzt eine Schichtstruktur mit trioktaedrischen Netzen. Die Netze sind miteinander ausschlieÿlich über Wasserstobrücken verbunden. 3Mg(OH) 2 Mg 3 Eine der -Gruppen wird mit einem tetraedrischen Netz ersetzt. Mg 3 Mg 3 4 Dies ist die Zusammensetzung der 1 :1, oder T-O-Schichtsilikate mit Mg 2+ als Kation in den oktaedrischen Netzen. Es handelt sich um die Minerale der Serpentin-Gruppe. Wir setzen unsere Reise durch die Welt der Tonminerale fort mit den dioktaedrischen Schichtsilikaten. Beide -Gruppen können mit ersetzt werden Al 2 Al 2 Al 2Si 4 O 10 (OH) 2 Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Al 3+ als Kation in den oktaedrischen Netzen. Es handelt sich um die Minerale der Pyrophyllit-Gruppe. 2

3 Analog bearbeitet man auch die trioktaedrischen Schichtsilikate Mg 3 Mg 3 Mg 3Si 4 O 10 (OH) 2 Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Mg 2+ als Kation in den oktaedrischen Netzen. Es handelt sich um Talk. Wichtig ist, dass die Zwischenschichträume im Pyrophyllit und Talk nur mit Wasserstoatomen besetzt werden. Ein kleiner Anteil der Si 4+ -Kationen in den kann durch Al 3+ -Kationen ersetzt werden. Es ist eine heterovalente Substitution, d.h. die Wertigkeit der zwei Kationen, die sich ersetzen, ist nicht gleich. Eine Substitution von genau 1 Si-Kation durch ein Al-Kation ergibt eine elektrisch unausgewogene Struktur Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 (Al 2 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ]) Der Teil der Formel in den eckigen Klammern stellt die Zusammensetzung des tetraedrischen Netzes dar. Natürlich kann eine solche Einheit nicht als alleinstehende, stabile Struktur existieren. Die negative Ladung muss ausgeglichen werden Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 (Al 2 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ]) KAl 2 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ] Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Al 3+ als Kation in den oktaedrischen Netzen und mit K + -Kationen im Zwischenschichtraum. Es handelt sich um Muskowit. Die K + Kationen sind xiert, unaustauschbar. Sehr ähnlich ergibt sich für die trioktaedrischen Schichtsilikate Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 (Mg 3 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ]) KMg 3 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ] Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Mg 2+ als Kation in den oktaedrischen Netzen und mit K + -Kationen im Zwischenschichtraum. Es handelt sich um Phlogopit, ein Endglied von Biotit. Die K + -Kationen sind auch hier unaustauschbar. Die Al-Si-Substitution muss aber nicht so perfekt verlaufen, dass das Al :Si Verhältnis exakt 1 :3 ist. Wenn das Verhältnis nicht so präzise gegeben ist, entstehen Minerale, in denen die Menge der Kationen im Zwischenschichtraum auch variabel ist. Die Menge entspricht dabei genau der Menge der Al 3+ -Kationen in den, damit die Elektroneutralität gewährleistet wird. (K x, H 2 O)Al 2 [Si 4 x Al x O 10 (OH) 2 ] 3

4 Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Al 3+ als Kation in den oktaedrischen Netzen, mit K + -Kationen im Zwischenschichtraum und mit variablem Si :Al- Verhältnis in den tetraedrischen Schichten. Es handelt sich um Illit. Die K + -Kationen sind xiert, unaustauschbar. Genauso erhält man für die trioktaedrischen Schichtsilikate Es handelt sich um das Mineral Vermikulit. (K x, H 2 O)Mg 3 [Si 4 x Al x O 10 (OH) 2 ] Der Ausgleich der fehlenden elektrischen Ladung in den tetraedrischen Schichten kann auch anders stattnden. Statt K + -Kationen benutzt die Natur oft auch Na + - oder Ca 2+ -Kationen (Na, Ca, H 2 O)Al 2 [(Si, Al) 4 O 10 (OH) 2 ] (Na, Ca, H 2 O)(Mg, F e) 3 [(Si, Al) 4 O 10 (OH) 2 ] Dies ist die Zusammensetzung der 2 :1, oder T-O-T-Schichtsilikate mit Al 3+, Mg 3+ und Fe 2+/3+ als Kationen in den oktaedrischen Netzen, mit Na + -, Ca 2+ -Kationen und H 2 O-Molekülen im Zwischenschichtraum und mit variablem Si :Al-Verhältnis in den tetraedrischen Schichten. Es handelt sich um die Minerale der Smektit-Gruppe. Die Na + - und Ca 2+ -Kationen sind austauschbar. Die Menge der H 2 O-Moleküle ist auch variabel und deswegen spricht man über Smektite als quellfähige Schichtsilikate. Zwischen die T-O-T-Schichten kann noch ein oktaedrisches Netz eingefügt werden. Wir fangen an mit einem T-O-T-Schichtsilikat, Talk, und legen das O-Netz dazwischen Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 + 3Mg(OH) 2 Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 Mg 3 (OH) 6 Dies ist eine idealisierte Zusammensetzung eines Chlorit-Minerals. Weil die Substitutionen eher die Regel, nicht die Ausnahme sind, schreibt man die allgemeine Formel für Chlorite als (Mg, F e,...) 3 (Si, Al) 4 O 10 (OH) 2 (Mg, F e,...) 3 (OH) 6. Chlorite sind T-O-T-O-Schichtsilikate. Einen Überblick über die Schichtsilikate bietet die zusammenfassende Tabelle auf der folgenden Seite. 4

5 Klassifikation der Schichtsilikate mit Beispielen der Minerale in jeder Gruppe. Bemerken Sie, dass nicht alle Minerale in der Tabelle Tonminerale sind. dioktaedrisch trioktaedrisch Hydroxide Gibbsit, Al Brucit, Mg(OH) 2 1:1 Schichtsilikate Kaolinit, Al 2 4 Serpentin, Mg 3 4 2:1 Schichtsilikate, ohne Katione Pyrophyllit, Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 Talk, Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 im Zwischenschichtraum 2:1 Schichtsilikate, mit fixierten Muskovit, KAl 2 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ] Phlogopit, KMg 3 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ] Kationen im Zwischenschichtraum und 3:1 Si:Al Verhältnis in den 2:1 Schichtsilikate, mit fixierten Illit, (K x,h 2 O)[Si 4-x Al x O 10 (OH) 2 ] Kationen im Zwischenschichtraum und variablen Si:Al Verhältnis in den 2:1 Schichtsilikate, mit austauschbaren Kationen im Zwischenschichtraum und Smektite, z.b. Montmorrilonit (Na,Ca) 0,3 (Al,Mg) 2 [(Si,Al) 4 O 10 (OH) 2 ] nh 2 O, oder Smektite, z.b. Saponit, (Ca,Na) 0,3 (Mg,Fe 2+ ) 3 [(Si,Al) 4 O 10 (OH) 2 ] nh 2 O variablen Si:Al Verhältnis in den Nontronit, Na 0.3 Fe 3+ 2 [(Si,Al) 4 O 10 (OH) 2 ] nh 2 O 2:1:1 Schichtsilikate Chlorite, (Mg,Fe,...) 3 (Si,Al) 4 O 10 (OH) 2 (Mg,Fe,...) 3 (OH) 6