Die Struktur von Boden-Mineralen

Um die Verwitterbarkeit der Löss-Mineral-Komponenten und deren Bedeutung für den Boden genauer zu verstehen, sind einige Grundkenntnisse von deren Struktur sinnvoll, besonders von den im Löss häufig vorkommenden Mineralen Quarz, Feldspat und Glimmer. Bei den drei Mineralgruppen handelt es sich um primäres Material, welches als metamorphes oder magmatisches Gestein an die Erdoberflächen gekommen ist, z.B. als Granit in Skandinavien und dann als eiszeitliches Verwitterungsmaterial ins Sauerland eingetragen wurde (s. „Kreislauf der Gesteine“). Im Gegensatz dazu handelt es sich bei dem Arnsberger Sandstein um sekundäres Sedimentgestein, teils aus den gleichen Mineralen wie der Löss. Auch die aus der Verwitterung von Feldspäten und Glimmern entstandenen Tone sind somit sekundärer Natur.

Die drei Mineralgruppen Quarz, Feldspäte und Glimmer bestehen hauptsächlich aus relativ wenigen Elementen: Sauerstoff, Silizium und Aluminium, sowie den Kationen von Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium und Eisen. Sauerstoff trägt in besonderer Weise zum Volumen der Minerale bei. Die beteiligten Elemente ordnen sich im Raum in einer definierten kristallinen Struktur an. Quarz. Dabei spielen die Ladungsverhältnisse eine große Rolle.

Die Struktur der primären Hauptminerale des Lössbodens Quarz, Feldspat und Glimmer weisen nur wenige, teilweise gleiche kristalline Strukturelemente und Bauprinzipien auf:

  • Grundelement ist der SiO4-Tetraeder. Dieser wird in unterschiedlicher Weise zu einer dreidimensionalen Struktur vernetzt.
  • Ein weiteres strukterelles Grundelement ist der AlO4(OH)2-Oktaeder.
  • Die SiO4-Tetraeder können unterschiedliche räumliche Strukturen bilden: im Raum vernetzte Gerüst-Strukturen sowie zweidimensionale Schicht-oder Blattstrukturen, die übereinader vernetzt werden.
  • Das 4-wertige Si im Tetraeder und das 3-wertige Al im Oktaeder können durch andere niederwertige Atome ohne Strukturveränderung ausgetauscht werden (isomorpher Ersatz).
  • Durch den isomorphen Ersatz entsteht ein negativer Ladungsüberschuss.
  • Dieser negative Ladungsüberschuss wird durch verschiedene Kationen, die in die Struktur eingebunden sind, ausgeglichen.

Mehrere der in die Kristallstruktur eingebundenen Kationen sind für die Pflanzenernährung wichtig. Sie werden bei der Verwitterung von Feldspäten und Glimmern verfügbar und können von den Pflanzen aufgenommen werden. Somit wird deutlich, dass die Landpflanzen bei ihrer Ernährung auf die in der Mineralstruktur „verborgenen“ Kationen und deren Freisetzung durch Verwitterungsprozesse im Boden angewiesen sind. Es ist deshalb aus ökologischer Sicht sinnvoll, sich auch mit der Chemie und Struktur der häufigsten Bodenminerale zu beschäftigen.

Bei der Darstellung der Kristallstrukturen ist folgendes zu beachten:
Die sehr unterschiedlich großen Ionenradien, besonders die der relativ kleinen Silizium- und Aluminium-Ionen im Vergleich zu dem der sehr großen Sauerstoff-Ionen führt bei einer grafischen Darstellung der Struktur mit größengerechten Ionenradien dazu, dass von den Mineralen im Wesentlichen unterschiedliche Sauerstoff-Packungen zu sehen sind, wie in der folgenden Abbildung 12 deutlich wird.

Abb. 12: Kugelmodelle von Silikatstruturen

Deshalb wird aus Gründen der Anschaulichkeit bei den Darstellungen der Mineralstrukturen eine Mischung von Polyedermodell und Kugelmodell verwendet und dabei auf exakte Ionenradien verzichtet.

Einzelheiten zur Struktur der Minerale sind unter den folgenden Links zu finden:

Struktur von Quarz
Struktur eines Feldspats
Struktur eines Glimmers