inselsilikat tetraeder

Der isomorphe Ersatz einfach erklärt: Beim isomorphen Ersatz werden die Zentralionen in den Tetraedern und Oktaedern ausgetauscht. Dieser Austausch bewirkt einen Ladungsüberschuss oder auch ein Ladungsdefizit.

 

Grundstruktur von Silikaten

Um die Vorgänge des isomorphen Ersatzes (auch isotoper Ersatz genannt) nachvollziehen zu können, müssen wir uns zunächst die Grundstruktur von Silikaten anschauen. Silikate gehören zu den massemäßig bedeutendsten Mineralen und machen von den über 3500 vorkommenden Mineralarten rund 95 Vol.-% aus.

  Silikate haben ein markantes Grundgerüst, nämlich das SiO4-Tetraeder mit jeweils vier Sauerstoff-Ionen an den Ecken (siehe Abbildung, die Al-OH-Oktaeder besitzen jeweils sechs OH-Ionen). Bei der Neubildung oder der Auskristallisation der Minerale kann es bei Mangel oder Überschuss einzelner Elemente zum Ersatz des Zentralatoms kommen. In den Tetraedern wird Silizium gegen Aluminium ersetzt. In den Di-Oktaedern wird das Al-Ion gegen Mg, in den Tri-Oktaedern wird Magnesium (Mg) und Eisen (Fe) gegen Aluminium (Al) eingetauscht.

Ausgleich des Ladungsdefizits

Allerdings entsteht durch den Ersatz in der Regel ein Ladungsdefizit: Silizium ist vierwertig (Si4+). Wird es gegen das dreiwertige Aluminium (Al3+) eingetauscht, stimmt die Gesamtbilanz nicht mehr, so dass Kalium-Ionen (K+) in die Randbereiche des Gitters eingebaut werden, um das Defizit auszugleichen. Bei Tonmineralen können auch höherwertige Kationen eingebaut werden.
Ebenso kann ein positiver Ladungsüberschuss entstehen, wenn ein höherwertiges Kation eingetauscht wird.

Bei der Entstehung von Tonmineralen sorgt der isomorphe Ersatz in aller Regel dafür, dass die Tonminerale stark negativ geladen sind. Der Ladungsausgleich geschieht durch die reversible Anlagerung von ein- und mehrwertigen Kationen (Na+, K+, Ca2+, Mg2+). In der Natur wirkt sich das so aus, dass diese Ionen als Nährstoffe zur Verfügung stehen. Ton hat daher den Ruf, "nährstoffreich" zu sein. Die reversible Anlagerung hat hohe Auswirkungen auf die Kationenaustauschkapazität.

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