mobile navigation

Struktur der Tonminerale

Fundamentale Struktureinheiten der Tonminerale sind Sauerstoff- und Hydroxidlagen, die je nach Koordination der Zentralkationen als Tetraeder- oder Oktaederschichten bezeichnet wer-den. Die Tetraederpositionen werden von Silizium-Ionen eingenommen, die isomorph durch Aluminium-Ionen ersetzt sein können. Die Oktaederpositionen werden von dreiwertigen Aluminium-Ionen oder von zweiwertigen Magnesium- und Eisen-Ionen belegt.

Tetraeder- und Oktaederschichten sind über gemeinsame Sauerstoff- oder Hydroxid-Ionen miteinander verknüpft. Je nach Stapelfolge und Abstand der Schichtpakete unterscheidet man zwischen unterschiedlichen Tonmineralgruppen.

 

Kaolin-Gruppe

Die Minerale dieser Gruppe setzen sich aus Zweierschichten zusammen, die aus je einer Tetraeder- und einer Oktaederschicht aufgebaut sind. Sie werden daher auch als Zweischichtminerale bezeichnet. Der diagnostische Basisabstand der Schichtpakete beträgt je nach Mineralart dL = 7,0 – 7,3 Ångström (Å). Die Schichtpakete werden durch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Daher besitzen die Minerale dieser Gruppe keine innerkristalline Quellfähigkeit und große mineralogische Stabilität. Ein Kaolinteilchen besteht aus rund 50 Schichtpaketen.

 

Talk-Pyrophyllit-Gruppe

Bei diesen Mineralen ist an die Oktaederschicht eine weitere Tetraederschicht ankondensiert, sodass sich ein regelmäßiger Aufbau aus Dreierschichten ergibt. Im trioktaedrischen Talk (Mg2+ im Oktaeder) und im dioktaedrischen Pyrophyllit (Al3+ im Oktaeder) sind die Schichten ungeladen. Der Zusammenhalt der Schichtpakete erfolgt über Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte. Die ungeladenen Schichtpakte besitzen keine innerkristalline Quellfähigkeit. Der diagnostische Basisabstand beträgt dL = 9 – 10 Å.

Illit-Glimmer-Gruppe

Bei den Mineralen dieser Gruppe handelt es sich ebenfalls um Dreischichtsilikate, wobei sich jedes Schichtpaket aus zwei Tetraeder- und einer Oktaederschicht zusammensetzt. Im Unterschied zur Talk-Pyrophyllit-Gruppe weisen die Glimmerminerale jedoch eine hohe Schichtladung auf, die durch Ersatz von Silizium-Ionen durch Aluminium-Ionen in den Tetraederschichten verursacht wird. Die negative Schichtladung wird im Zwischenschichtraum durch eingelagerte Kalium-Ionen kompensiert. Die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen den Kalium-Ionen und den Schichtpaketen führen zu einem nicht quellfähigen Kristallgitter mit einem Basisabstand von dL = 10 Å. Einzelne Glimmer unterscheiden sich vor allem in der Art der Oktaederbesetzung von einander. In den dioktaedrischen Muskoviten sind die Oktaederzentren mit dreiwertigen Aluminium-Ionen, in den trioktaedrischen Biotiten dagegen mit zweiwertigen Eisen- oder Magnesium-Ionen belegt. Illite weisen infolge der partiellen Einlagerung von Wasserstoff-Ionen eine randliche Quellfähigkeit des Kristallgitters auf. Rund 10 – 20 Schichtpakete bilden ein Illitteilchen.

 

Smektit-Gruppe

Die Struktur der Smektitminerale leitet sich prinzipiell von den Mineralen der Glimmer-Gruppe ab. Es handelt sich um Dreischichtsilikate, die im Unterschied zu den Glimmern eine deutlich geringere Schichtladung besitzen. Anstelle von Kalium-Ionen wird die negative Schichtladung durch hydratisierte Kationen neutralisiert. Da zwischen den negativ geladenen Schichten und den eingelagerten Kationen nur schwache elektrostatische Kräfte wirken, weisen Smektite eine starke innerkristalline Quellfähigkeit und eine entsprechend geringe Stabilität auf. Der Basisabstand der Schichtpakete variiert in Abhängigkeit von der Art der eingelagerten Kationen und deren Hydratisierungsgrad zwischen dL = 12 - 18 Å. Ungefähr 2 – 5 Schichtpakete bilden ein Smektitteilchen.

Chlorit-Gruppe

Minerale der Chlorit-Gruppe setzen sich aus negativ geladenen Schichtpaketen zusammen, wobei die Schichtladung nicht durch Zwischenschichtkationen, sondern durch positiv geladene Oktaeder-Zwischenschichten (meist Mg(OH)2) kompensiert wird. Die negative Ladung der Schichtpakete resultiert vor allem aus der Substitution von Silizium- durch Aluminium-Ionen in den Tetraederschichten. Chlorite sind innerkristallin nicht quellfähig, wobei der diagnostische Basisabstand dL = 14 Å beträgt. Die meisten Chlorite sind trioktaedrisch und enthalten Magnesium-Ionen in den Oktaederpositionen.

Spezielle Eigenschaften

Aufgrund ihrer geringen Korngröße und ihres speziellen molekularen Aufbaus weisen Tone spezielle Eigenschaften auf. Dazu zählt die hydraulische Abdichtungswirkung. In der Natur wirken Tone über Millionen von Jahren als geohydraulische Barrieren. Sie schützen wertvolles Grundwasser vor Schadstoffen und halten artesisch sprudelndes Erdöl in sicherer Tiefe. Was jedoch passiert, wenn der Mensch infolge seiner Geldgier und Unachtsamkeit die natürliche Tonbarriere beschädigt, hat die Ölpest im Golf von Mexiko erst 2010 gezeigt.

 

Die zweite spezielle Eigenschaft liegt in der Fähigkeit zur Adsorption von Schadstoffen. Sie wird als Schadstoffrückhaltevermögen bezeichnet und durch die permanente negative Oberflächenladung der Tonteilchen hervorgerufen. Die Effektivität der Schadstoffbindung wird durch die extrem hohe spezifische Oberfläche der Teilchen ermöglicht. Sie variiert je nach Tonmineralart zwischen 20 und 800 m2/g.

Aber das ist noch nicht alles – Tone können noch mehr: Zum Beispiel durch Quellung ihr Volumen vergrößern und dabei Risse und Hohlräume dauerhaft verschließen. Dieser auch als Selbstheilungseffekt bezeichnete Vorgang basiert auf der Anlagerung von Kationen und Wassermolekülen an den negativ geladenen Oberflächen. In begrenztem Umfang können auch Anionen aufgenommen werden. Das Wasserbindevermögen wird dabei maßgebend von der Art der Tonminerale und von der Wertigkeit der beteiligten Ionen bestimmt. Extremes Quellen wird bei innerkristallin quellfähigen Mineralen wie Smektiten beobachtet.

 

Als weitere herausragende Eigenschaft ist die Plastizität zu nennen. Im Unterschied beispielsweise zu Sandkörnern liegen die einzelnen Tonteilchen nicht isoliert nebeneinander, sondern sind durch Kohäsionskräfte miteinander verbunden. Die Stärke dieser Bindungskräfte ist vor allem von der Wasserbeladung der Tonteilchen abhängig. Im trockenen Zustand sind die Tonteilchen direkt und starr miteinander verbunden. Mit zunehmender Wasserbeladung lagern sich Wassermoleküle adsorptiv an die negativ geladenen Oberflächen der Tonteilchen an. Durch den Wasserfilm wird bei verminderter Kohäsion eine flexible Verschiebbarkeit der Tonteilchen gegeneinander ermöglicht ohne dass der Zusammenhalt des Teilchenverbandes verloren geht. Dieses einzigartige Phänomen stellt seit je her die Basis für die plastische Formgebung in der Keramik dar. Ein offenbar sehr bewährter Mechanismus, der seit mehr als 6.000 Jahren von der intelligenten Menschheit genutzt wird.