Überlege Dir, wo im Alltag Du mit Mineralien in Kontakt kommst. Nenne fünf Gelegenheiten mit den dazugehörigen Mineralien.

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1 Übungen Aufgabe 1 Überlege Dir, wo im Alltag Du mit Mineralien in Kontakt kommst. Nenne fünf Gelegenheiten mit den dazugehörigen Mineralien. Aufgabe 2 Berechne die Koordinationszahl von Sauerstoff O 2 um Silizium Si 4. Aufgabe 3 Ein Tetraeder bestehend aus Si 4 und O 2 besitzt die Summenformel SiO 4 4. Weshalb besitzt aber nun Quarz, obwohl er aus lauter SiO 4 -Tetradern aufgebaut ist, die Summenformel SiO 2? Hinweis: Die Tetraeder sind über alle Ecken miteinander verknüpft. Aufgabe 4 Kann Silizium (Si 4, 40 pm) in einem SiO 4 -Tetraeder durch Kalium (K, 151 pm), Kalzium (Ca 2, 114 pm), Aluminium (Al 3, 53 pm), Argon (Ar, Edelgas) oder Sauerstoff (O 2, 124 pm) substituiert werden? Begründe. Aufgabe 5 An einer Party fragt dich ein Kollege, was man eigentlich unter den Begriffen kristallin und amorph versteht. Du hältst gerade ein Glas Wasser mit Eiswürfeln darin in der Hand und nimmst dieses als Beispiel für deine Erklärungen. Aufgabe 6 Erkläre den Unterschied zwischen Metallbindungen und Ionenbindungen. 1

2 Aufgabe 7 Was versteht man unter einer Elementarzelle? Zeichne im zweidimensionalen Beispiel die Elementarzelle (Elementarmasche) ein. Aufgabe 8 Suche Dir irgend ein Element aus dem Periodensystem aus und vergleiche dessen Ionenradius mit den Radien der benachbarten Elemente (horizontal und vertikal). Versuche eine Systematik herauszufinden. Aufgabe 9 Zeichne das einer Koordinatioszahl KZ = 6 entsprechende Polyeder. Aufgabe 10 Zähle die drei häufigsten Elemente der Erdkruste der Reihe nach auf. Aufgabe 11 Wichtigstes Strukturelement der Minerale der Amphibol-Gruppe ist ein Band aus SiO 4 -Tetraedern (untenstehende Abbildung). Wie muss folglich das Si:O-Verhältnis in Amphibol-Mineralen lauten? 2

3 Aufgabe 12 Welche Kriterien muss ein Kation (X) erfüllen um für eine Substitution des Kations (Y) in Frage zu kommen? Aufgabe 13 Zähle mindestens vier Anwendungsbereiche von Zeolithen auf. Erkläre. 3

4 Lösungen Aufgabe 1 Tagesereignis Frühmorgens, der Digitalwecker klingelt... Leonie zündet das Licht an. Andi blickt verträumt an die Decke ihrer Altbauwohnung... Leonie wirft einen Blick aus dem Fenster dann einen Blick auf das Außenthermometer Andi steht auf und putzt sich die Zähne als er endlich das Badezimmer frei gibt, geht Leonie sich schminken und trägt etwas Puder auf... Leonie will noch schnell die Pflanzen gießen und ihnen endlich wieder einmal etwas Dünger geben. Andi macht sich auf ins Büro, es schneit. Mineralstoffe dahinter (Mineralien sind fett gedruckt) Der Wecker enthält eine Quarzuhr, deren wichtigstes Bauelement ein Schwing-Quarz ist. In der Glühbirne stecken verschiedene Erze.... die ein schönes Randmuster aus Gips- Stukkatur aufweist.... dessen Glas vorallem aus Quarz, Feldspat, Calcit, Dolomit und Na/K-Karbonaten hergestellt wurde.... dessen Quecksilber aus dem Mineral Zinnober stammt.... und spürt wie als Scheuermittel Zeolithe darin ihre Wirkung tun.... dessen Haft- und Mattierungseigenschaften vom darin enthaltenen Talk bestimmt werden. In Kunstdüngern stecken viele mineralogische Rohstoffe: Sulfat aus Gips oder Anhydrit, Phosphat aus Apatit, Kalium aus Sylvin, etc... Eiskristalle sind gefrorenes Wasser, Wasser zählt somit in der Form auch zu den Mineralen Im Bureau stellt Andi seinen Computer an... Transistoren und Halbleiter-Elemente sind Bauelemente von Computern: Silizium, gewonnen aus Quarz und Germanium, gewonnen aus Germanit. Leonie hat sich einen Tee gemacht, doch aus versehen hat sie Salz anstelle von Zucker hineingeschüttet. Die Teetasse übrigens ist aus feinstem Porzellan. Nun muss auch sie Schmutzwäsche erledigt werden. Tafelsalz wird aus Halit (Steinsalz) gewonnen. Feinporzellan wird aus den Mineralen Kaolinit, Feldspat und Quarz hergestellt. Als Wasserenthärter in Waschmitteln werden Zeolithminerale eingesetzt. 4

5 Abends... Der Gutenachtkuss hingegen ist rein unmineralisch, sofern Leonie nicht den neuen Stiftzahn von Andi zu spüren überkommt dessen Keramik aus Mineralien wie Feldspat, Kaolinit, Quarz und Calcit hergestellt wurde. Aufgabe 2 R Si 4 R O 2 = 40 pm 124 pm = KZ = 4, tetraedrische Koordination Aufgabe 3 Wenn Tetraeder über Ecken verknüpft sind, bedeutet dies, dass sie sich das Sauerstoffion in der gemeinsamen Ecke teilen. So besitzen zum Beispiel zwei Tetraeder, die über eine Ecke verknüpft sind, gemeinsam nur noch 7 O 2 -Ionen. Ist an jede Ecke jeden Tetraeders ein weiteres geknüpft, so ergibt sich über ein theoretisch unendlich großes Gitter ein Si:O-Verhältnis von 1:2. Aufgabe 4 Aluminium kann Silizium substituieren, Ladung und Ionenradius der beiden Elemente sind sehr ähnlich. Alle anderen Ionen sind zu groß um von Sauerstoff tetraedrisch koordiniert zu werden. Zusätzlich gilt: Kalium ist 1, Kalzium 2 geladen, der Ladungsunterschied zu Silizium ist zu groß. Ar ist ein Edelgas und kommt in ionisierter Form nicht vor. Es wird daher nicht von Anionen koordiniert. O 2 ist selbst ein Anion, zwischen ihm und den Sauerstoffionen in den Ecken des Tetraeders wirken abstoßende Kräfte Si K Ca Ar O Al 3 5

6 Aufgabe 5 Kristallin heißt definitionsgemäß: hat eine dreidimensional periodische Anordnung der Bausteine. Jeder hat schon mal die Schneekristalle auf der Autoscheibe betrachtet und diese sind, wie schon der Name impliziert, kristallin und somit ist auch der Eiswürfel in deinem Glas kristallin. Amorph bedeutet wörtlich ohne Gestalt. Amorph ist das Gegenteil von kristallin, d. h. die Verteilung der Bausteine ist ungeordnet. Sowohl das Wasser in deinem Glas, als auch das Glas selber, haben keine periodische Anordnung der Bausteine. Aufgabe 6 Metallbindung: typisch für Metallatome ist, dass sie ihre Valenzelektronen relativ leicht an die sie umgebende Elektronenwolke abgeben. Die positiv geladenen Atomrümpfe bilden die festen Gitterpunkte der Kristallstruktur und werden von der negativ geladenen Elektronenwolke verknüpft und gleichzeitig voneinander abgeschirmt. Ionenbindung: Durch den Übergang von Elektronen des einen Atoms auf das andere, entstehen positive und negative Ionen, welche durch elektrostatische Anziehungskräfte (Coulomb sche Kräfte) zusammengehalten werden. Daraus ergibt sich eine typische räumliche Anordnung der entgegengesetzt geladenen Ionen im Kristallgitter. Metallbindung: Ionenbindung: Aufgabe 7 Die Elementarzelle ist die kleinste geometrische Einheit, die die Gesamtinformation des Raumgitters enthält. Durch verbinden äquivalenter Punkte im Muster erhält man die unten abgebildete rhomboedrische Form. Die Position spielt dabei keine Rolle, jede der abgebildeten Lösungen ergibt durch Aneinanderreihen das vorgegebene Muster. Aufgabe 8 Innerhalb einer Periode von links nach rechts steigt die Kernladungszahl, also die Anzahl der Protonen im Kern, welche die Elektronen anziehen. Zugleich werden die Elektronenschalen aufgefüllt. Elektronen der gleichen Schale können jedoch kaum die Kernladung abschirmen, sodass 6

7 die Elektronenwolke innerhalb einer Periode schrumpft, und der Ionenradius folglich von links nach rechts abnimmt. Innerhalb einer Gruppe kommt jeweils eine Elektronenschale hinzu. Außerdem nimmt die effektive Kernladung von Schale zu Schale kleiner, da diese von den inneren Schalen teilweise abgeschirmt wird. Der Ionenradius nimmt also innerhalb der Gruppen tendenziell zu. Aufgepasst bei den Nebengruppenelementen, hier werden die Elektronen einer inneren Schale zugefügt, wodurch die äußeren Elektronen besser von der Kernladung abgeschirmt. Der Radius wird hier teilweise von links nach rechts größer. Der Ionenradius für ein Kation ist immer kleiner und für ein Anion immer größer als der Atomradius. * ** Die Pfeile zeigen die Tendenz größer werdender Ionenradien. Aufgabe 9 Oktaeder (okta: acht; eder: Seite/Fläche), auch tetragonale Doppelpyramide genannt. Aufgabe 10 Sauerstoff (46.60 %), Silizium (27.70 %) und Aluminium (8.13 %). Aufgabe 11 Das Si:O-Verhältnis ist 4:11 und folglich [Si 4 O 11 ]. 7

8 4 Si 11 O Aufgabe 12 Die Ladung von (X) sollte möglichst ähnlich wie diejenige des (Y) sein, da ansonsten die Bindungssituation zu den umgebenden Sauerstoffatomen zu stark ändert. Außerdem sollte der Ionenradius von (X) demjenigen des (Y) möglichst ähnlich sein um dieselbe Koordination zu ermöglichen. Aufgabe 13 Landwirtschaft: als Trägermaterial (als Dünger). Tierhygiene: als Geruchseinfänger. Gesundheit und Ernährung: zur verbesserten Leistung des Verdauungstraktes. Gasreinigung- und Separation. Dekontamination: zur Reinigung von radioaktiv verseuchten Gebieten und Abwässern. 8