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Ton, Tonminerale und Tongesteine

1. Tongesteine (Tone)

Tone sind klastische Sedimente. dazu gehoeren plastische Tone, Tonsteine oder auch Bodenarten mit einer ueberwiegenden Korngroesse, die kleiner als 2 µm und die in diesem Bereich ueberwiegend silikatischer Natur sind

Ton kann in Wasser zur Dispersion gebracht werden.

Tone werden unterteilt in:
Grobton 2 - 0,63 µm
Mittelton 0,63 - 0,2 µm
Feinton 0,2 - 0 µm

2. Aufbau der Tonminerale

Tonminerale sind aus wenigen Bauelementen aufgebaut:

2.1. Das SiO2-Tetraeder

Im [SiO4]-4-Komplex bilden die Sauerstoffe eine dichte Kugelpackung. Das Si4+ sitzt in der Tetraederluecke. Dadurch wird die Kugelpackung leicht aufgeweitet.

2.2. Die Tertraederschicht

Die Tetraederschicht ist ein fundamentales Bauelement aller Schichtsilikate. Sie besteht aus SiO4-Tetraedern, die ueber drei Ecken miteinander verknuepft sind. Die 4. Ecke ueberragt die Ebene gleichsinnig. Es zeigt sich ein hexagonales Netz mit gleichwinkligen sechseckigen Maschen.

In jeder Ebene teilen sich jeweil 2 Silizium die Sauerstoffe . Somit kommt es in der Ebene zu einer Kompensation der ladungen. Nur das Sauerstoffatom ueber der Ebene traegt noch eine negative Teilladung.

Die Stoechiometrie der Ebene ist [Si2O5]2-

Dabei koennen auch Fremdatome das Silizium in der Tetraederluecke ersetzen, wie z.B. Aluminium. Dabei erhoeht Al3+ den Betrag der negativen Ladung. Das entstehende Bauelement ist [AlO4]5-

Aus diesem Austausch resultiert auch die Einteilung in die reinen Silikate und die Alumosilikate.

  • Silikate: Nur Silizium in den Tetraederluecken
  • Alumosilikate: statistischer Austausch von Silizium gegen Aluminium
  • 2.3. Die Oktaederschicht

    Die Bausteine dieser Schicht sind [OH]- - Ionen, bei denen die leicht verzerrten Kugeln der Sauerstoffe ( die Protonen stoeren kaum) eine dichteste Kugelpackung bilden. Das [OH]- bildet einen Dipol, das Elektron des Wasserstoffes befindet sich naeher an der aeussersten Huelle des Sauerstoffes. Das Proton befindet sich an der Peripherie.

    In der Kugelpackung bleiben die Tetraederluecken unbesetzt, dafuer enthalten die Oktaederluecken soviele kationen, wie fuer einen, zumindest partiellen, Ladungsausgleich notwendig ist. Dabei wird die Auswahl der Kationen nach deren Ionenradius und nicht nach deren Ladung getroffen. Das betreffende Kation sollte den Radius von 0,58 Å nicht unterschreiten, um nicht zu "klappern". Dagegen ist eine leichte Aufweitung der Luecke durchaus moeglich.
    In die Oktaederluecken passen sehr gut: Al3+ (besser als in die Tetraederluecken)
    Probleme bereiten hingegen: Ca2+, K+, Na+, Ba2+ wegen ihrer zu grossen Radien.

    Je nach Valenz der Kationen muessen verschieden viele der Oktaederluecken belegt werden, um die Ladungen auszugleichen. Bei zweiwertigen Kationen muessen alle Oktaederluecken besetzt werden, bei dreiwertigen brauchen nur 2/3 der Luecken ausgefuellt zu werden.

    Das fuehrt zu 2 verschiedenen Gruppen:

  • trioktaedrische Struktur. zweiwertiges Kation, 3 Kationen kommen auf 3 Luecken
  • dioktaedrische Struktur. dreiwertiges Kation, 2 Kationen kommen auf 3 Luecken
  • 2.4. Verknuepfung der Oktaeder- und der Tetraederschicht

    Die Verknuepfung der Tetraeder- mit der Oktaederschicht erfolgt meist ueber die freien Tetraederecken der T Schicht. Die Groesse der Sechsecke der SiO4-Tetraeder und der [OH]- Ionen ist annaehernd gleich genau so die Ionenradien von sauerstoff und [OH]-. Daher lasen sie sich leicht zur Deckung bringen. Der Sauerstoff an der freien Tetraederecke besitzt eine negative Teilladung, er kann ein OH- ersetzen.

    Es gibt mehrere Verknuepfungsmoeglichkeiten:

    Zweischichtstruktur
    T-O Fall: Die freie Tetraederecken der T-Schicht ersetzen je ein [OH]- Ion, nur in der Sechseckmitte befindet sich noch ein [OH]-.
    Die Stoechiometrie ist: T-Schicht Si2O5 + O-Schicht Me23+(OH)6. Das ganze ist die primaere Schicht.
    Die zweischichtige Elementarschicht sieht folgendermassen aus:

    [Si2O5][Me23+(OH)6]

    fuer den dioktaedrischen Fall. Im trioktaedrischen Fall ist es Me32+!

    Dreischichtstruktur
    Es koennen auch 2 T-Schichten mit einer O-Schicht verknuepft werden. Dabei wird eine [OH]--Schicht mit ihrer oberen [OH]--Lage mit der ersten T-Schicht, mit der unteren [OH]--Lage dann mit der 2. T-Schicht verknuepft.

    Si2O5 + Me23+(OH) + Si2O5 als primaere Schicht

    Die Stoechiometrie lautet:

    [Si4O10][Me23+(OH)2]

    fuer den dioktaedrischen Fall. Im trioktedrischen Fall Me32+!

    Die hier gezeigten idealen Faelle finden sich in der Natur meist nur in Kaolin-Mineralen. In den anderen natuerlichen Tonmineralen sind Alumosilikate, Restladungen und komplexe Kationen-Belegungen haeufig.
    Die Strukturelemente werden als Elemantarschichten bezeichnet.

    1:1 - Elementarschicht: T-O
    2:1 - Elementarschicht: T-O-T
    eigenstaendige O-Schicht: O

    2.5. Die Zwischenschichten (Z-Schichten)

    Die Elementarschichten sind durch Z-Schichten getrennt. Diese Zwischenschichten sicn mit Kationen oder mit Wasser belegt, sie koenn auch leer sein.
    Es wirken meist schwache Ionenbindungen, wodurch die gute Spaltbarkeit der Tonminerale parallel zu den Schichten erklaert wird.
    Die Zwischenschichten koennen auf beiden Seiten durch Sauerstoffe oder auf einer durch [OH]- - Ionen begrenzt werden. Polare Zwischenschichten entstehen in der Abfolge von 1:1 Elementarschichten, nichtpolare bei 2:1 Elementarschichten. Polare Z-Schichten finden sich bei Kaolin-Mineralen, nichtpolare bei Glimmern, Smectiten und Vermiculiten.

    In polaren Z-Schichten treten keine Kationen auf. Sie stellen leere Zwischenraeume dar. Eventuell koennen sie mit Dipolmolekuelen gefuellt sein. Hier kommt es zwischen dem Proton der Hydroxyl-Ionen und dem Sauerstoff des SiO4 zu einer Wasserstoff-Brueckenbindung.

    Bei den unpolaren Z-Schichten liegen sich die negativen Sauerstoffe der T-Schichten gegenueber und stossen sich ab. In disem Fall ist ein Zusammenhalt nur durch den Einbau von Kationen moeglich. Es sind meist Alkali- oder Erdalkalielemente, deren Ladung meiust durch den Austausch von Si gegen Al in den SiO4-Tetraedern oder durch den Einbau negativer ladungen in den O-Schichten kompensiert wird.

    Besonders gut eignet sich K+, das gut in die Sechsecke passt. Besonders wenn alle hexagonalen Luecken durch K+ besetzt sind und der Ladungsausgleich durch den teilweisen Ersatz von Si4+ durch Al3+ erreicht wird.

    Eine Schwaechung der Bindung kann durch verschiedene Ereignisse erfolgen:
    Abnehmende Kationenbelegung der Z-Schichten und einhergehende abnehmende Ladung der Elementarschichten.
    Verwendung von anderen Kationen anstatt von Kalium. Damit ergeben sich oft laengere Bindungen zu den Elementarschichten.
    Ladungssitze in den O-Schichten statt in den T-Schichten.

    Bei der Unterschreitung eines bestimmten Schwellenwertes kann es zu einer Hydratisierung der Z-Schichten und so zu einer innerkristallinen Schwellung kommen. Dabei werden zunaechst die Zwischenschicht-Kationen hydratisiert und spaeter soger mobilisiert.
    Die Hydratisierung haengt von der Hydratisierungsenergie ab. Sie ist gross bei onen mit kleinem Radius und hoher Valenz, wie z.B. Ca2+. Die Hydratisierung und die damit verbundene innerkristalline Quellung haengt daneben auch noch von den Ladungen und der Bindungsstaerke der Elementarschichten ab. Mobilisierte Z-Schicht-Kationen koennen leicht gegen aeussere Kationen ausgetauscht werden. Hierdrin liegt auch der Grund fuer die Kationenaustauschkapazitaet der Tonminerale.

    2.6. Strukturtypen der Tonminerale

    Es gibt 5 Strukturtypen, denen man alle bekannten silikatischen Tonminerale zuordnen kann. Sie bestehen aus Abfolgen der Elementar- und Z-Schichten, die zusammen ein Schichtpacket oder eine Struktureinheit darstellen. Dieses wird als Strukturtyp bezeichnet.

    Zweischichtminerale: 1:1 Schichttyp, T-O
    Dicke der Struktureinheit meist rund 7 Å, Bindung der Elementarschicht durch Wasserstoffbruecken, keine innerkristalline Quellfaehigkeit.

    3-Schichtminerale: 2:1 Schichttyp, T-O-T.
    Dicke der Struktureinheit meist 10 Å, Elementarschichten durch Kationen gebunden. Die Elementarschichten sind negativ geladen, die Ladungen werden durch die Zwischenschicht-Kationen kompensiert. Unter einem bestimmten Grenzwert der ladung gute bis sehr gute innerkristalline Quellfaehigkeit, darueber keine.

    4-Schichtminerale: 2:1 Schichttyp, O-T-O-T.
    Dicke der Struktureinheit meist 14 Å , keine Zwischenschicht-Kationen, die Ladungen der O- und der T-Schichten kompensieren sich. Daher auch keine innerkristalline Quellfaehigkeit.

    Wechsellagerungen: Periodische oder aperiodische Abfolge von 2-3 Struktureinheiten.

    Bandsilikate: Statt Zwischenschichten Kanaele, die oft mit Kationen gefuellt sind. Keine innerkristalline Quellfaehigkeit. Austauschfaehigkeit der Kanal-Kationen gut bis sehr gut.

    2.7. Polytypie, Polymorphie

    Polymorphie ist die Entsprechung des Begriffes Isomerie fuer die kristallinen Stoffe. Polymorphe Stoffe, deren Strukturen sich nur durch eine unterschiedlichen Stapelfolge von gleichartigen Schichten unterscheiden, werden Plolytypen genannt.
    Die Polytypie der Schichtsilikate beruht auf mehreren Lagen oder Orientierungen der T- und O-Schichten innerhalb entsprechender Elementarschichten und mehreren moeglichen Orientierungen der Elementarschichten zueinander.

    Der Polytyp eines Schichtsilkates kann gkennzeichnet werden durch:

  • Anzahl der Struktureinheiten in der Elementarzelle
  • die Kristallklasse
  • 3. Systematik der Tonminerale

    3.1. Zweischichtminerale

    Dioktaedrisch: Kaolin Minerale [Si2O5][(Al,Fe3+)2(OH)4]
    Dazu gehoeren:
  • Kaolin: Triklin, nicht besetzte Oktaederluecken sind geordnet verteilt
  • disordered Kaolin oder Fireclay, Verschiebung der Elementarschichten in Richtung der B-Achse. Fehlgeordnete Kaoline, monoklin.
  • Halloysit. Z-Schichten mit H2O belegt. Aus der Kaolin-Struktur durch Verschiebung in 001-Richtung.Bindung der Elementarschicht durch Wassermolekuele. Polare Elementarschichten.

    Bildung der Kaolinite.

    Geringes Angebot an Si(OH)4, da sonst die Polymerisation zu rasch erfolgt. Niedriges Al/Si-Verhaeltnis, ansonsten findet die Bildung von Dreischichtmineralen statt. Saures Milieu mit pH-Wert um 5, geringes Angebot an potentiellen Z-Schicht Kationen wie Ca oder K.
    Meist bei intensiver tropischer Verwitterung mit hohen Niederschlaegen und einer intensiven Entwaesserung, aber auch in gemaessigt humiden Klima in Verbindung mit Mooren durch die Verwitterung von Feldspaeten oder Pyroklastiten. das Hauptmineral der Kaolin-Genese ist der Feldspat.

    Trioktaedrisch:
    Silikate [Si2O5][(Mg,Fe2+)3(OH)4]
    Dazu gehoeren:

  • Serpentin
  • Antigorit
  • Lizardit
  • Chysotil
  • Greenalith
    meist hydrothermal autometamorph, Zersatz Mg-reicher Gesteine.

    Alumosilikate [Si2-xAlxO5][(Mg,Fe2+)3-x(Al,Fe3+)x(OH)4]
    Dazu gehoeren:

  • Alumo-Serpentine. X kann zwischen 0,15 und 1 liegen
  • Berthierin
  • Cronstedtit
  • Amesit

  • 3.2. Dreischichtminerale ohne Quellfaehigkeit

    Dioktaedrisch
    Silikate [Si4O10][(Al, Fe3+)2(OH)2)]
    Dazu gehoeren:
  • Pyrophyllit

    Alumosilikate Kx[Si4-xAlxO10][(Al,Fe3+)2(OH)2]
    Dazu gehoeren:

  • Muskovit. x = 1.Von den Muskoviten zum Illit nimmt der Gehalt an Kalium ab. Die Ladung dagegen nimmt zu auf Werte von 0,6 - 0,7/O10(OH)3. Darunter beginnen die quellfaehigen Tone.
    Ladung und Kristallinitaet sind mit der Korngroesse korrelliert. Im Grobton findet sich noch Muskovit, in der Fraktion unter 0,2 µm dagegen die ladungsaermsten Mitglieder. Die im Boden vorkommenden Illite sind Produkte der Muskovit-Verwitterung.

    Muskovit - Illit - Vermiculit - Smectit - Kaolinit

    Die Verwitterung erfolgt in K-armen Milieu unter Aufweitung der Z-Schichten. So koennen die Kalium-Ionen hinaus und Calcium- und Natrium-Ionen in die Struktuer hinein. Illite erhalten sich gut in salinarem Milieu, daher bilden sie das Hauptmineral der Tiefseesedimente.

  • Dioktaedrischer Illit
  • Glaukonit. Faziesgebundenes Tonmineral. Gruene Blaettchen oder auch Aggregate als Hohlraumfuellungen. Es tritt im marinen Bereich bis 2000 m Wassertiefe auf und besitzt einen hohen Anteil an den Sedimenten fossiler Schelfmeere.

    Trioktaedrisch
    Silikate [Si4O10][(Mg,Fe2+)3(OH)2]
    Dazu gehoeren:

  • Talk

    Alumosilikate Kx[Si4-xAlxO10][(Mg,Fe2+)3(OH)2]
    Dazu gehoeren:

  • Biotit. x = 1, Mischkristalle durch beliebige Mg/Fe-Verhaeltnisse. Tritt in der Tonfraktion praktisch nicht mehr auf.
  • Trioktaedrischer Illit

  • 3.3. Dreischichtminerale mit Quellfaehigkeit

    Die Quellfaehigkeit haengt von aeusseren Umstaenden ab, wie z.B. dem Wasserdampfdruck oder elektrolythaltigen Porenwaessern. Ab 90° C beginnt das Zwischenschichtwasser zu entweichen, ab ungefaehr 250° C ist es vollstaendig ausgetrieben. Beim Abkuehlen erfolgt bereits wieder eine Rehydratisierung. Die Quellung haengt auch von dem Sitz der Ladungen ab. Bevorzugt werden Ladungen in den O-Schichten gegenueber den T-Schichten.

    Daneben haengt die Quellung auch von der Hydratationsenergie der Z-Schicht-Kationen ab.

    Die Quellfaehigkeit reicht von einer leichten Aufweitung bis hin zur voelligen Aufloesung.
    Es wird unterschieden in:

  • Vermiculite, Quellfaehigkeit bis 15 Å, Ladung 0,6 - 0,9
  • Smectite, Quellfaehigkeit ab 15 Å, Ladung 0,2 - 0,6

    Die Quellung haengt von der Ladung der Elementarschichten und der Z-Kationen ab.
    K+ als Z-Kation koennen die Ladung auf 0,6 - 0,7 / O10(OH)2 absenken. Darunter gehen Glimmer in smectitische Strukturen ueber. Mit anderen Kationen dann ab 0,9 weiter in Vermiculite.

    3.3.1. Dioktaedrische Dreischichtminerale mit Quellfaehigkeit
    Zusammensetzung: (K,Na,Ca,Mg)i+[Si4-xAlxO10][(Al,Fe3+)2-y(Mg,Fe2+)y+z(OH)2]
    mit i = z + y - 2z und 1 > i > 0,2
    Dazu gehoeren:
  • dioktaedrischer Vermiculit mit i = 0,6 - 0,9. Sie stellen den Uebergang von degradierten Glimmern zu den Smectiten dar. Die Ladungen befinden sich hauptsaechlich inden T-Schichten. Die Kationen der Z-Schichten sind nicht fixiert in ihren Positionen.
  • Smectit mit i = 0,2 - 0,7 wie Montmorillonit und Beidellit
    Montmorillonit besitzt eine niedrige Gesamtladung, 0,25 - 0,5 / O10(OH)2. Die Ladung wird ueberwiegend durch die Mg2+ in den O-Schichten erzeugt.
    Beidellit hat die Ladung imeist in den T-Schichten liegend. Er ist der Al-reichtse Smectit.

    3.3.2. Trioktaedrische Dreischichtminerale mit Quellfaehigkeit
    Zusammensetzung: (K,Na,Ca,Mg)[Si4-xAlxO10][(Mg.Fe2+)3-y(Al,Fe3+)y-z(OH)2]
    mit i = x - y +3z
    Dazu gehoeren:
  • trioktaedrischer Vermiculit i = 0,6 - 0,9. Sie sind erheblich laenger bekannt als die dioktaedrischen Vermiculite. Werden sie erhitzt, blaettern sie auf bis zum 30-fachen ihres Volumens. Verwendung als Isolier- und Verpackungsmaterial.
  • Trioktaedrischer Smectit i = 0,2 - 0,7. Sie treten nur selten als Verwitterungsprodukte unter Oberflaechenbedingungen auf. Hauptsaechlich unter marinen Bedingungen, z.B. Saponit, ein trioktaedrischer Smectit mit hohem Mg-Gehalt.

  • 3.4 Vierschichtminerale

    Dazu gehoeren:
  • Chlorite
    Sie kommen sowohl im Boden als auch autometamorph vor. Pedogene Chlorite entstehen durch Einlagerung polymerisierter Al-Hydroxide in aufweitbare Z-Schichten unter Austausch und Verdraengung der urspruenglichen Kationen

    Dioktaedrische Vierschichtminerale
    Sie werden weiter unterteilt in:
    di-di-oktaedrisch: Beide O-Schichten dioktaedrisch
    di-tri-oktaedrisch: dioktaedrische 2:1 Elementarschicht
    tri-di-oktaedrisch: eigenstaendige O-Schicht dioktaerisch

    trioktaedrische Vierschichtminerale

  • 3.5. Wechsellagerungsminerale

    Regelmaessige Wechsellagerungen tragen oft eigene namen. Unregelmaessige werden nach ihren Komponenten und derren schwankenden Verhaeltnissen zueinander benannt.

    3.6. Bandsilikate

    Von diesen sind als Tonminerale nur Palygorskit und Sepiolith bekannt

    Bei Polygorskit sind 4 Tetraeder zu Baendern verknuepft. Die einzelnen Baender sind wiederum ueber die Tetraederecken verbunden.

    3.7. Tonminerale mit geringer Kristallordnung

    Allophane: Defekte T- und Al-belegte O-Schichten zu Elementarschichten verknuepft. Verkruemt zu einer Kugel von ungefaehr 50 Å.
    Imogolit

    4. Tonmineralneubildungen

    4.1. Verwitterung

    Jede Kristallstruktur ist nur unter den Bedingungen ihrer Bildung stabil. Unter veraenderten Druck und Temperaturbedingungen kann sie eine Metastabilitaet zeigen.
    Silikate sind relativ bestaendig, da ihre Si - O - Si Verbindungen stabil sind und Silizium nur schwer zu mobilisieren ist.
    Die Verwitterung von Mineralen geht meist langsam von exponierten Kanten und/oder Spaltrissen aus. Dabei ist Wasser das wichtigste Medium der Verwitterung. Als Dipolmolekuel ist es ein gutes Loesungsmittel fuer geladene Teilchen.
    Daneben kann Wasser dissoziieren

    Bei der Silikatverwitterung werden folgende Prozesse wirksam:

    a) Hydratisierung: Anlagerung von H2O-Molekuelen an Ionen. Dabei wird die Hydratisierungsenergie frei. Sie nimmt mit der Ladung des Ions zu und mit seinem Radius ab. Die hydratisierten Ionen koennen das Kristallgitter verlassen. Zwischen dem Gitter und der Loesung stellt sich ein Gleichgewicht ein, so dass der prozess ohne Zufuhr von Wasser schnell zum erliegen kommt.

    b) Oxidation: Hier wird Fe2+ zu Fe3+ oxidiert. Dabei kommt es zu einer Verringerung des Ionenradiusses und zu Stoerungen der Kristallstruktur.

    c) Hydrolyse / Protolyse: Bei Inselsilikaten wie Olivin kommt es zu einer Anlagerungvon Protonen an den (SiO4)-Komplex. Allerdings ist dieses schon bei einer hoeheren Kernladungszahl nicht mehr moeglich. So ist zu erklaeren, das das Inselsilikat Olivin sehr leicht verwittert, dagegen das Inselsilikat Zirkon mit zu den verwitterungsbestaendigsten Mineralen gehoert.

    Allgemein gilt aber, das die Verwitterungsbestaendigkeit von den Inselsilikaten ueber die Ketten-, Band-, Schicht- bis hin zu den Geruestsilikaten zunimmt. Es wird immer schwerer, Protonen an die (SiO4)-Komplexe anzulagern oder Ionen aus dem Verband herauszuloesen.

    Bei den Feldspaeten stellen die (AlO4)-Tetraeder Schwachpunkte im Geruest dar. Hier ist die Struktur leicht aufgeweitet. Das Si/Al-Verhaeltnis der Feldspaete korreliert mit deren Verwitterungsbestaendigkeit.

    Bei stagnierenden Loesungen mit hohem pH-Wert entstehen kationenreiche Tone, bei flukturierender Loesung mit niedrigem pH-Wert kationenarme Tone.

    4.2. Verhalten der fuer die Tonmineralneubildung wichtigen Elemente

    Silizium: Geringe Loeslichkeit als SiO2, in einem pH-Bereich von 2 bis 9 und Zimmertemperatur nur 100 - 200 mg / l. Die Si(OH)4-Komplexe polymerisieren rasch unter Abgabe von Wasser.

    Aluminium: Die Hydroxide von Aluminium sind in schwach saurem und schwach alkalischem Milieu kaum loeslich. Es neigt dazu, in Gibbsit-Struktur oder dioktaedrischen O-Schichten fast komplett immobil zu werden. Die Genese von Tonmineralen kann also nur stattfinden, wenn O-Schichtbildung und Si(OH)4-Polymersiation fast gleichzeitig ablaufen.

    Eisen: Kann unter Sauerstoffabschluss in alkalischem Milieu als Fe(OH)2 trioktaedrische O-Schichten bilden. In saurem Milieu ist es als Fe2+ leicht mobilisierbar, als Fe3+ bildet es bevorzugt Goethit oder Haematit.

    Magnesium: Ist in saurem Milieu leicht als Mg2+ mobilisierbar, bei einem pH-Wert oberhalb von 7 ist es kaum loeslich. Eignet sich gut fuer trioktaedrische O-Schichten, die als Matrize fuer silikatische T-Schichten dienen.

    Calcium, Natrium und Kalium: Ihre Konzentration ist stark vom pH-Wert , der Fluktaution der Loesung und dem primaeren Angebot abhaengig (vor allem Ca). Werden sie rasch abgefuehrt, reichern sich Al und Si an und es bilden sich Kaolin-Minerale.

    5. Spezielle Eigenschaften der Tone

    5.1. spezifische Oberflaeche

    Die spezifische Oberfläche steigt mit abhnehmender Korngroesse stark an. Hinzu kommt meist noch eine innere Oberflaeche, die die aussere um ein vielfaches uebertreffen kann. Die spezifische Oberflaeche wird mit m2/g angegeben, dabei kann der Anteil der inneren Oberflaeche bis zu 80 - 90% betragen. Betraegt die Oberflaeche der Schlufffraktion noch unter 1 m2/g, so haben Tonminerale folgende spezifische Oberflaechen:

    Tonmineral m2/g
    Kaolin-Minerale 1 - 40
    Illite 50 - 200
    Chlorite < 200
    Vermiculite 600 - 700
    Smectite 600 - 800
    Allophane 700 - 1100

    5.2. Oberflaechenladungen

    Die Oberflächen der Tonminerale tragen elektrische Ladungen. Bei den quellfaehigen Dreichschichtminerlen werden sie z.B. durch Al-Substitution in den T-Schichten verursacht. Sie ist stets negativ. Im Inneren des Minerals wird die Ladung meist durch die Z-Schicht-Kationen kompensiert, aber an der Mineraloberflaeche nicht.

    Die Ladungsdichte steigt vom Kaolin ueber die Smectite, Illite an, um bei den degradierten Glimmern, Chloriten und Vermiculiten die hoechsten Werte zu erreichen. Die O-Schichten spielen eine geringere Rolle als Ladungstraeger fuer die Oberflaechenladungen.

    Neben dieser permanenten ladung gibt es noch eine variable Ladung. Sie wird durch Protonierung oder Deprotonierung aller auf der Mineraloberflaeche auftretenden O-, OH-, und (OH)2-Gruppen erzeugt. Betroffen sind vor allem die Seitenflaechen, Kanten und Ecken der Minerale. Hier enthalten die T- und O-Schichten randliche Kationen mit unvollstaendiger tetraedrischer oder oktaedrischer Umgebung. Damit sind sie die Traeger einer positiven Ladung, an die sich H2O-Molekuele anlagern koennen. Diese wiederrum koennen bei hohem pH-Wert Protonen abspalten, in saurem Milieu hingegen Protonen anlagern. Diese Oberflaechen besitzen also bei niedrigem pH-Werten gewoehnlich positive, bei hohen pH-Werten dagegen negative Ladungen.

    5.3. Ionenaustauschkapazitaet

    Aufgrund der Oberflaechenladung kann eine Adsorption von Ionen stattfinden. Dabei kann die Ionenkonzentration in Richtung Mineraloberflaeche ststig ansteigen bis hin zu einer stark konzentrierten Schicht, der sogenannten Stern-Schicht. Die dort befindlichen Ionen sind leicht austauschbar. Die Kationenaustauschkapazitaet haengt von den permanenten wie den variablen Ladungen ab und wird auf ein neutrales Milieu bezogen. Protonen werden nicht beruecksichtigt.

    5.4. Selektiver Ionenaustausch

    Verschiedene Kationen haben eine unterschiedliche *Haftfestigkeit*. Die Elementverhaeltnisse der Loesung und der Stern-Schicht muessen nicht identisch sein. Die Haftfestigkeit steigt mit der Valenz und dem abnehmenden effektiven Durchmeser des Ions.
    Li+ < Na+ < K+ < Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+ < Al3+

    Lyotrope Reihe

    5.5. Quellverhalten

    Entzieht man Tonen Wasser, so zeigen sie eine grosse Haerte. An den Beruehrungspunkten der einzelnen Minerale wirken Van-der-Waals-Kraefte. Wasser wird dann nur sehr langsam aufgenommen und die Durchlaessigkeit ist herabgesetzt.
    Bei der innerkristallinen Quellung unter Auflast wird der Quelldruck frei.

    5.6. Plastizitaet

    Den Beginn der Plastizitaet kennzeichnet die sogenannte Untere Atterberg Grenze. Sie ist durch den kleinsten Gewichtsanteil Wasser definiert, bei dem sich Ton noch zu duennen Walzen von 3 mm Durchmesser ausrolen laesst. Die Obere Atterberg Grenze stellt die Fliessgrenze dar, ueber der sich der Ton als Suspension ergiessen laesst oder eine in den Ton eingebrachte Kerbe sich derformationslos wieder verschliesst.
    Darueber ist die freie Beweglichkeit der teilchen gewaehrleistet. Massgeblich debei ist die Dicke der diffusen Schichten, welche wieder von dem Konzentrationsgefaelle und den Kationen der Loesung abhaengen. Die Fliesgrenze kann bei hoeheren Kationenkonzentrationen absinken.

    Thixotropie

    Eien raeumliche Struktur der Tonkomponenten in einem Ton-Wasser-Gemisch kann sich im Ruhezustand leichter einstellen. So koennen z.B. elektrostatische Kraefte wirken und das Gemsich kann seine Fliessfaehigkeit verlieren, auch wenn es ein wenig ueber der Fliessgrenze liegt. Die Suspension erstarrt zu einem Gel. Bei einer mechanischen Beanspruchung wie z.B. einer Ersschuetterung bricht die Ordnung der Tonkomponenten zusammen und die Fliessfaehigkeit wird wieder hergestellt (vergleichbar einem Joghurt, den man umruehrt). Auf diesem Phaenomen beruhen subaquatische Rutschungen.

    Fussnoten

    Kugelpackungen

    Es gibt zwei Moeglichkeiten fuer dichteste Kugelpackungen:

    hexagonal dichteste Kugelpackungen. Die 3. Schicht ist deckungsgleich mit der 1. Schichtenfolge ist 1 - 2 - 1 - 2 - 1 .... kubisch dichteste Kugelpackung. Die 4. Schicht ist deckungsgleich mit der 1. Schichtenfolge 1 - 2 - 3 - 1 - 2 - 3 - 1 - 2 ....

    Die Raumnerfuellung fuerdie liegt bei rund dichtesten Kugelpackungen 74 %. Fuer die Oktaeder- und Tetraederluecken bleiben 26 %.

    Luecken in den Kugelpackungen:

    Auf jede Kugel kommt eine Oktaederluecke und 2 Tetraederluecken. Bei der Besetzung der Luecken spielt die Groesse des Bewerbers eine Rolle.
    Ideal ist fuer Tetraederluecken ist das Radienverhaeltnis:

    Rkation / Ranion = 0,225

    Für Oktaederluecken:

    Rkation / Ranion = 0,414

    Dabei ist es leichter, eine Kugelpackungsstruktur aufzuweiten als in einer zu grossen Luecke zu klappern.

    Dissoziation von Wasser

    2 H2O <> (H3O)+ + (OH)-
    Bei 25° betraegt das Ionenprodukt 10-14

    Hydratationsenergie

    Die Hydratationsenergie nimmt mit der Anzahl der Valenzelektronen zu. steigt also innerhalb einer Periode von Links nach Rechts. Mit wachsendem Ionenradius nimmt sie ab, also innerhalb einer Gruppe von Oben nach Unten.

    Zunehmende Hydratationsenergie:

    K+ > Na+ > Li+ > (H+) > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+ > Al3+

    Kalium kann nur unter guenstigen Bedingungen im Ton eine Wasserhuelle aufbauen, Natrium dagegen schon bei maessigen Wasserdampfdruck bis zu 2 Wasserschichten.

    © 2000 Gunnar Ries



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