1. Doppelstunde Chemische Grundlagen der Minerale Glossar · Vorlesung Geomaterialien 1. Doppelstunde Chemische Grundlagen der Minerale Glossar Prof. Dr. F.E. Brenker Institut für

Vorlesung

Geomaterialien

1. Doppelstunde

Chemische Grundlagen der Minerale

Glossar

Prof. Dr. F.E. Brenker

Institut für Geowissenschaften

FE Mineralogie

JWG-Universität Frankfurt

AG Brenker

Planetare und extraterrestrische Prozesse auf der Nanoskala

2

Ursprung des

Sonnensystems

Bildung und

Veränderung von

Planetesimalen

(Kometen, Asteroiden)

Ursprung des

Erde – Mond

Systems

Planetare Prozesse

Erde vs. Mars

Globaler Massenaustausch

(Aufbau, Chemie und Dynamik

der tiefen Erde)

Zielsetzung Vorlesung

Übung

Einordnung der Minerale in das geologische Gesamtkonzept

Erkennen von Merkmalen und Identifizierung von Mineralen

Arbeitsmaterialien

Literatur

Foliensammlung Vorlesungen Zugangsdaten User: Mineralogie PW: GeomatMin

Skript

Online Übungen

Minerale

Ca. 5000 bekannte natürlich vorkommende Minerale

Ca. 40.000 Namen

Chemische Zusammensetzung Gesamterde?

Kruste Mantel Kern

Chemische Zusammensetzung Kern?

Differentiation von Protoplaneten

10

Groß genug um Hitze zu speichern!

Reste von Protoplanetenkernen Fe,Ni - Meteoriten

Eisenmeteorite spiegeln die

Kernzusammensetzungen von

differenzierten Asteroiden wieder

• Dichte Erdmantel/Erdkern 9,9 g/cm3

• Dichte innerer Kern 12,2 g/cm3 an.

Dichte metallisches Eisen 10,6 g /cm3

Zumischung von leichteren Elementen

Sauerstoff, Silizium, Schwefel

Falls der Innere Kern wärmer sein sollte,

warum war er dann fest, während der äußere

Kern flüssig ist?

Schmelzpunkterniedrigung von metallischem Eisen =>

flüssiger äußerer Kern

Laborversuche

Chemische Zusammensetzung Erdmantel?

Tiefbohrungen Windischeschenbach (ca. 10km)

14

Mantelgesteine in Vulkanen Spinell-Peridotit (Olivinknolle)

15

• Dichte von 3,3 g/cm3

• P-Wellengeschwindigkeit 8,1 km/s

Adelebsen, Deutschland

Ross Island, Antarktis

16

WESTERN VICTORIA,

AUSTRALIA

Arizona, USA

Katalonien, Spanien

Tay Nguyen-Gebirge, Vietnam

Granat-Peridotit – ab ca. 150 km Tiefe

17

Chemische Zusammensetzung Kruste?

• Entfernung von der

Sonne

• Himmelskörpergröße

Flussdelta

Häufige Elemente?

Chemische Zusammensetzung der Gesamterde [Gew%]

Iron 33.3

Oxygen 29.8

Silicon

15.6

Others 1.9

Sodium 0.2

Aluminiun 1.5

Calcium 1.8

Nickel 2.0

Magnesium 13.9

Chemische Zusammensetzung der Erdkruste [Gew%]

Oxygen 46.6

Silicon 27.7

Others 1.4

Magnesium 2.1

Potassium 2.6

Sodium 2.8

Calcium 3.6

Iron 5.0

Aluminium 8.1

Die häufigsten Elemente der Erde

Die 8 häufigsten Elemente

Die 18 wichtigsten Elemente der Erde

Atom- und Ionenradien

Die meisten Minerale und daher natürlich auch Gesteine

bestehen nicht aus elektrisch neutralen Atomen, sondern aus

geladenen Teilchen, die man Ionen nennt. Diese Ionen

gehen aus Atomen durch Abgabe bzw. Anlagerung von

Elektronen hervor. Positiv und negativ geladene Ionen ziehen

sich gegenseitig an und bilden auf diese Weise die

Kristallgitter von Mineralen.

.

Was gibt die

Koordinationszahl an?

Ionenradiusquotient

RK/RA

Koordinationspolyeder

Hexagonal dichteste Kugelpackung

• hexagonale Symmetrie

• auf Lücke gepackt

Untere

Kugelschicht

Obere

Kugelschicht

Was ist ein Kristall ?

Enstehung aus

Gasphase, Schmelze oder Lösung

1) Bildung kritischer Keime

2) Kristallwachstum

Kristall als Schmuckstein

(Bsp. Zirkonia)

Anordnung erfolgt nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten

Eigenschafte der Kristalle sind ein Ausdruck ihres atomaren Aufbaus

Isotrop – richtungsunabhängig

Anisotrop - richtungsabhängig

Abgrenzung der Kristalle zu anderen

homogenen Körpern

=>

Physikalische Eigenschaften beziehen

sich auf eine Richtung

Präsolarer Diamant

TEM

Transmissionselektronenmikroskopie – atomare Auflösung

Nanodiamanten –

die ersten präsolare Kristalle

© NASA

0.5 µm

Olivine - Forsterite

(Mg0.99Fe0.01)2SiO4

> 11 m Länge,2 m Durchmesser Gips, Naica, Mexiko

Höhle 290 m Tiefe

Durchmesser 30 m

45°C-50°C

Luftfeuchte 90-100 %

Einschlüsse geben Info über Bildungsbedingungen

Abnehmende Länge und Breite der

sich neu auflagernden Schichten

Morphologie entsteht durch

unterschiedliche

Verschiebungsgeschwindigkeiten

• Schnell wachsende Flächen

verschwinden

• Langsam wachsende Flächen prägen

sich aus

Entwickelte Theorie über Raumgitter von Kristallen

AFM

Atomarer Aufbau

der Materie

Kristallwachstum – sekundäre Keimbildung auf der Fläche eines wachsenden

Kristalls

A) Diffusion eines Gitterbausteins aus der Lösung zur Kristalloberfläche

B) Oberflächenadsorption und Dehydration

C) Diffusion der Gitterbausteine auf der Oberfläche zur bereits

bestehenden Stufen

D) + E) Diffusion zu energetisch besonders günstigen Halbkristalllagen

und Inkorporation in den wachsenden Kristall

Auf Wachstumsfläche gibt es Lagen mit unterschiedlicher Anlagerungsenergie

Kossel-Stranski-Theorie – Kristallwachstum durch elektrostatische

Wechselwirkung an der Oberfläche des Kristalls

Ionen lagern sich an einer Kristallfläche genau dort an, wo der höchste

Energiegewinn zu erwarten ist.

Was ist ein Mineral ?

Pyrop - Mg3Al2[SiO4]3

Malachti - Cu2[(OH)2|CO3]

Pyrit - FeS2

Was ist ein Mischkristall ?

Bsp. Olivin (Mg, Fe)2SiO4

Forsterit (Mg2SiO4) und Fayalit (Fe2SiO4)

Nudeln mit Spinat vs. Spinatnudeln

Was ist eine Modifikation?

Bsp. Kohlenstoff: Graphit Diamant hexagonal kubisch

anisotroper Leiter Isolator

Was ist eine Varietät?

Bergkristall

Amethyst

Achat

Bsp.: SiO2