Tonmineral

Allgemeine Merkmale

Die Struktur von Tonmineralen wurde weitgehend durch Röntgenbeugungsmethoden bestimmt. Die wesentlichen Merkmale der wasserhaltigen Schichtsilikate wurden von verschiedenen Wissenschaftlern wie Charles Mauguin, Linus C. Pauling, W.W. Jackson, J. West und John W. Gruner in den späten 1920er bis Mitte der 1930er Jahre entdeckt. Bei diesen Merkmalen handelt es sich um kontinuierliche zweidimensionale tetraedrische Schichten der Zusammensetzung Si2O5 mit SiO4-Tetraedern (Abbildung 1), die durch die gemeinsame Nutzung von drei Ecken jedes Tetraeders miteinander verbunden sind und ein hexagonales Netzmuster bilden (Abbildung 2A). Häufig sind die Siliciumatome der Tetraeder teilweise durch Aluminium und in geringerem Maße durch Eisen ersetzt. Der apikale Sauerstoff an der vierten Ecke der Tetraeder, der in der Regel senkrecht zur Platte ausgerichtet ist, bildet einen Teil einer benachbarten oktaedrischen Platte, in der die Oktaeder durch gemeinsame Kanten verbunden sind (Abbildung 3). Die Verbindungsebene zwischen tetraedrischer und oktaedrischer Platte besteht aus den gemeinsamen apikalen Sauerstoffatomen der Tetraeder und nicht geteilten Hydroxylgruppen, die im Zentrum jedes hexagonalen Rings der Tetraeder und auf derselben Ebene wie die gemeinsamen apikalen Sauerstoffatome liegen (Abbildung 4). Häufige Kationen, die die oktaedrischen Schichten koordinieren, sind Al, Mg, Fe3+ und Fe2+; gelegentlich treten auch Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu und Zn in beträchtlichen Mengen auf. Befinden sich zweiwertige Kationen (M2+) in den oktaedrischen Schichten, so ist die Zusammensetzung M2+/3 (OH)2O4 und alle Oktaeder sind besetzt. Wenn dreiwertige Kationen (M3+) vorhanden sind, ist die Zusammensetzung M3+/2 (OH)2O4 und zwei Drittel der Oktaeder sind besetzt, wobei das dritte Oktaeder fehlt. Der erste Typ von Oktaederblatt wird als trioktaedrisch, der zweite als dioktaedrisch bezeichnet. Wenn alle Anionengruppen in den Zusammensetzungen der oktaedrischen Schichten Hydroxylionen sind, können die resultierenden Schichten durch M2+(OH)2 bzw. M3+(OH)3 ausgedrückt werden. Solche Schichten, die als Hydroxidschichten bezeichnet werden, treten in einigen Tonmineralien einzeln und abwechselnd mit Silikatschichten auf. Brucit, Mg(OH)2, und Gibbsit, Al(OH)3, sind typische Beispiele für Minerale mit ähnlichen Strukturen. Es gibt zwei Haupttypen für das strukturelle „Rückgrat“ von Tonmineralen, die Silikatschichten. Die Einheitssilikatschicht, die durch die Ausrichtung eines oktaedrischen Blattes auf ein tetraedrisches Blatt gebildet wird, wird als 1:1-Silikatschicht bezeichnet, und die freiliegende Oberfläche des oktaedrischen Blattes besteht aus Hydroxylgruppen. Bei einem anderen Typ besteht die Einheitssilikatschicht aus einem oktaedrischen Blatt, das zwischen zwei tetraedrischen Blättern liegt, die in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet sind, und wird als 2:1-Silikatschicht bezeichnet (Abbildung 5). Diese Strukturmerkmale beschränken sich jedoch auf idealisierte geometrische Anordnungen.

Reale Strukturen von Tonmineralen enthalten erhebliche Kristallverformungen und -verzerrungen, die Unregelmäßigkeiten wie deformierte Oktaeder und Tetraeder anstelle von Polyedern mit gleichseitigen Dreiecksflächen erzeugen, ditrigonale Symmetrie, die von der idealen sechseckigen Oberflächensymmetrie abweicht, und gekräuselte Oberflächen anstelle der flachen Ebenen, die von den basalen Sauerstoffatomen der tetraedrischen Platte gebildet werden. Eine der Hauptursachen für derartige Verzerrungen sind Maßabweichungen zwischen der tetraedrischen und der oktaedrischen Platte. Wenn das tetraedrische Blatt nur Silizium im kationischen Bereich enthält und eine ideale hexagonale Symmetrie aufweist, beträgt die längere Einheitsabmessung in der Basalebene 9,15 Å, was zwischen den entsprechenden Abmessungen 8,6 Å von Gibbsit und 9,4 Å von Brucit liegt. Um die tetraedrische Platte in die Dimension der oktaedrischen Platte einzupassen, drehen sich abwechselnde SiO4-Tetraeder (bis zu einem theoretischen Maximum von 30°) in entgegengesetzte Richtungen, um die ideale hexagonale Anordnung in eine doppelt dreieckige (ditrigonale) Anordnung zu verzerren (Abbildung 2B). Durch diesen Verzerrungsmechanismus können sich tetraedrische und oktaedrische Schichten unterschiedlichster Zusammensetzung, die durch ionische Substitutionen entstehen, miteinander verbinden und Silikatschichten bilden. Unter den ionischen Substitutionen wirken sich jene zwischen Ionen deutlich unterschiedlicher Größe am stärksten auf die geometrischen Konfigurationen der Silikatschichten aus.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Schichtsilikate ist, dass die Strukturen aufgrund ihrer Ähnlichkeit in der Schichtstruktur und der hexagonalen oder nahezu hexagonalen Symmetrie verschiedene Möglichkeiten der Stapelung von Atomebenen, -schichten und -lagen zulassen, die sich durch kristallografische Operationen wie Translation oder Verschiebung und Drehung erklären lassen, wodurch sie sich von polymorphen Formen (z. B. Diamant-Graphit und Calcit-Aragonit) unterscheiden. Bei ersteren handelt es sich um eindimensionale Variationen, bei letzteren im Allgemeinen um dreidimensionale. Die Vielfalt der Strukturen, die sich aus verschiedenen Stapelfolgen einer festen chemischen Zusammensetzung ergeben, werden als Polytypen bezeichnet. Wird eine solche Vielfalt durch geringfügige, aber gleichbleibende Ionensubstitutionen verursacht, spricht man von Polytypen.