Tonminerale

Tonmineralebezeichnet einerseitsMinerale,die überwiegend feinstkörnig (Korngröße < 2 µm) vorkommen, andererseits jedoch dieSchichtsilikate,die nach ihrer schichtartigen Kristallstruktur aus Silizium und Sauerstoff sowie Wasserstoff und meist Magnesium und Aluminium benannt sind. Beide Definitionen sind nicht deckungsgleich. Manche überwiegend feinstkörnig vorkommende Minerale, etwaGoethitoderGibbsit,sind keineSilikate.Andererseits gibt es Schichtsilikate, wie etwaKaolinit,die oft größer als zwei Mikrometer sind. Tonminerale bezeichnen daher in der Regel solche Minerale, die beide Kriterien erfüllen.

Schichtgitter von Montmorillonit als Beispiel für Schichtsilikate

Entstehung

Tonminerale entstehen durchVerwitterungvon anderen Mineralen bzw.Gläsernoder bilden sich neu aus übersättigtenBodenlösungenoderhydrothermalenWässern. Bei derDiagenesekommt es zu Ordnungsprozessen in denKristallstrukturender Tonminerale, die als Maß für die Reife einesSedimentsverwendet werden kann.

Struktur

Tonminerale bestehen aus zwei charakteristischen Bauelementen:

Tetraederschicht: eckenverknüpfte SiO₄-Tetraeder,zum TeilSi substituiertdurchAl
Oktaederschicht: kantenverknüpfte Al(OH)₆-Oktaeder,zum Teil Al substituiert durchMg

Je nach Anordnung dieser Schichten unterscheidet man:

1:1-Tonminerale (Zweischicht-Tonminerale): Tetraederschicht-Oktaederschicht (TO), zum BeispielKaolinitoderChrysotil
2:1-Tonminerale (Dreischicht-Tonminerale): Tetraederschicht-Oktaederschicht-Tetraederschicht (TOT), zum BeispielIllit,SmectitoderVermiculit
2:1:1-Tonminerale (Vierschicht-Tonminerale): Tetraederschicht-Oktaederschicht-Tetraederschicht-Oktaederschicht (TOTO), zum BeispielChlorit

Durch die Substitution (v. a. von vierwertigem Si durch dreiwertiges Al in der Tetraederschicht oder von dreiwertigem Al durch zweiwertiges Mg in der Oktaederschicht) entsteht eine negative Schichtladung, die durch die Einlagerung vonKationenin derZwischenschichtneutralisiert wird. Die Schichtladung der 1:1-Tonminerale ist stets Null. Die 2:1-Tonminerale werden nach ihrer Schichtladung x klassifiziert:

x ≈ 0:Talk-Pyrophyllit-Gruppe^[1]
x ≈ 0,25 – 0,6:Smektitgruppe,zum BeispielMontmorillonit,Beidellit,Nontronit,SaponitoderHectorit^[1]
x ≈ 0,6 – 0,9:Vermiculit-Illit-Gruppe
x ≈ 1 – 2:Glimmergruppe^[1]

Tonminerale mit nicht ganzzahligen Schichtladungen besitzen die Fähigkeit zurQuellung,das heißt zur temporären und reversiblen Wasseraufnahme in ihren Zwischenschichten.

Alternativ kann die Schichtladung in der Oktaederschicht auch dadurch kompensiert werden, dass nur zwei von drei Oktaedern besetzt sind. Daher unterscheidet man:

dioktaedrische Tonminerale mit zwei besetzten Oktaederpositionen, zum Beispiel Kaolinit
trioktaedrische Tonminerale mit drei besetzten Oktaederpositionen, zum Beispiel Chrysotil

Eigenschaften

Tonminerale sind sehr weich (Mohs-Härte1) und reagierenplastischauf mechanische Beanspruchung. Sie wandeln sich beim Erhitzen in härtere und festere Minerale um (Keramik). Tonminerale besitzen eine großespezifische Oberfläche,an die Stoffe adsorbiert und desorbiert werden können. Mit der großen Oberfläche ist eine hoheKationenaustauschkapazitätverbunden. Tonminerale haben eine geringe Wasserdurchlässigkeit.Suspensionenvon Tonmineralen reagierenthixotropauf mechanische Beanspruchung.

Geologische Bedeutung

Die Art und der Anteil der Tonminerale in Böden bestimmt maßgeblich deren Fruchtbarkeit. 2:1-Tonminerale besitzen eine höhere Kationenaustauschkapazität als 1:1-Tonminerale und können daher mehr Nährstoffe wieKalium- oderAmmoniumionenan Pflanzen abgeben, während sie die von den Wurzeln abgegebenenHydroniumionenan deren Stelle in ihrer Zwischenschicht einlagern. DerkristallographischeOrdnungsgrad des TonmineralsIllitwird von Mineralogen verwendet, um die Zeit zu bestimmen, die seit der Ablagerung eines Sediments vergangen ist. Er nimmt mit fortschreitenderDiagenesezu.

Technische Bedeutung

TongrubebeiMengerskirchenim Westerwald

Ton ist der wichtigste und älteste Rohstoff für die Herstellung vonKeramik.Als Bestandteil vonLehmwird er für die Herstellung vonZiegelnbenötigt. Daneben wird er zusammen mitKalksteinzur Produktion vonZementverwendet. In derBildenden Kunstdient er der Herstellung vonPlastiken.Tonminerale werden alsIonenaustauscher,beispielsweise bei der Säuberung von Trinkwasser und zum Entfärben von Lösungen eingesetzt. InsbesondereMontmorillonitwird wegen seiner Wasseraufnahmefähigkeit genutzt, zum Beispiel imKatzenstreu.Kaolinit wird auch in derPapierindustriealsAppreturmittelverwendet, glättet die Oberfläche und nimmt Tinte auf.Blähton(stark porös gebrannter Ton) dient als isolierender Baustoff und für dieHydrokultur.Andere Tone dienen als Abdichtung inDeponien,sind Füll-, Trenn- undZuschlagstoffeinFarben,LebensmittelnundpharmazeutischenProdukten oder werden alsKatalysatoreneingesetzt.

Zum Einsatz alsFüllstoff,beispielsweise inKunststoffen,werden Tone zuvor mit organischen Modifikatoren modifiziert, um sie organophil (d. h.hydrophob) zu machen. Dadurch verlieren sie zwar ihre gute Wasseraufnahmefähigkeit, lassen sich aber gut mitorganischen Stoffen(z. B.Polymerschmelzen) mischen. Sie können dann alsNanofüllstoffeingesetzt werden.

Siehe auch

Literatur

Karl Jasmund,Gerhard Lagaly(Hrsg.):Tonminerale und Tone. Struktur, Eigenschaften, Anwendungen und Einsatz in Industrie und Umwelt.Steinkopff, Darmstadt 1993,ISBN 3-7985-0923-9.

Weblinks

Commons:Ton und Lehm– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikiversity: Institut für Bodenkunde– Kursmaterialien

Uni Greifswald – Tonminerale
Tongewinnung, Aufbereitung und Rekultivierung von Tongruben,Bundesverband Keramische Rohstoffe und Industrieminerale e. V.

Einzelnachweise

↑^a^b^cOle Becker, George P. Simon:Epoxy Layered Silicate Nanocomposites.In:Inorganic Polymeric Nanocomposites and Membranes(=Advances in Polymer Science.Bd. 179). Springer, Berlin u. a. 2005,ISBN 3-540-25325-4,S. 29–82,doi:10.1007/b107204.

[BeckerSimon2005-1] Ole Becker, George P. Simon:Epoxy Layered Silicate Nanocomposites.In:Inorganic Polymeric Nanocomposites and Membranes(=Advances in Polymer Science.Bd. 179). Springer, Berlin u. a. 2005,ISBN 3-540-25325-4,S. 29–82,doi:10.1007/b107204.

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