Chemische Verwitterung

Gliederung

1. Einleitung

2. Voraussetzungen für den Ablauf chemischer Verwitterungen

3. Verwitterungsprozesse
3.1 Hydration
3.1.1 Einordnung der Hydration in den Gesamtprozess
3.1.2 Ablauf der Hydration
3.2 Hydrolyse und Silikatverwitterung
3.2.1 Voraussetzungen und Vorbemerkung
3.2.2 Erster Teilprozess der Silikatverwitterung
3.2.3 Fortgesetzte Silikatverwitterung
3.2.4 Endprodukt – Tonminerale
3.3 Carbonatisierung
3.3.1 Voraussetzungen
3.3.2 Ablauf
3.4 Lösungsverwitterung
3.5 Oxidationsverwitterung
3.5.1 Voraussetzungen
3.5.2 Ablauf der Oxidationsverwitterung
3.5.3 Oxidationsverwitterung als anthropogener Prozess
3.6 Biogene Verwitterung
3.7 Chelation und fugale Verwitterung

4. Schlusswort

5. Verwendete Literatur

1. Einleitung

Die folgende Arbeit soll einen Einblick in den Ablauf chemischer Prozesse beim dem Vorgang der chemischen Verwitterung liefern. Freilich ist die Abgrenzung der einzelnen Verwitterungsprozesse untereinander nicht immer eindeutig. Das bedeutet, dass ein Verwitterungsprozess unter Umständen nicht eindeutig dem Gebiet der Chemie oder Physik zugeordnet werden kann. Klar ist dennoch, das nicht immer nur ein Verwitterungsvorgang abläuft. Oftmals sind viele Teilprozesse an der Verwitterung eines Materials beteiligt. Physikalischer und chemischer Natur. Auch soll im Vorhinein schon festgelegt sein, dass die in der Arbeit aufgezeigten Teilprozesse, speziell aber die chemischen Vorgänge und Prozesse lediglich beispielhaft gelten sollen. Sozusagen stellvertretend für die vielen unterschiedlichen Reaktionen, Säuren, Ionen, Gesteine und Stoffe, die beteiligt sein können.

2. Voraussetzungen für den Ablauf chemischer Verwitterungsprozesse

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein Merkmal chemischer Reaktionen besteht darin, dass Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsintensität von bestimmten Faktoren abhängig sind. Zum einen wäre an dieser Stelle der Faktor Temperatur zu nennen. Bestimmte Reaktionen laufen nur bei bestimmten Temperaturen ab. (BSP!) Der maßgebliche Faktor an dieser Stelle ist jedoch in der Größe der Oberfläche zu sehen, an der eine einsetzende chemische Reaktion ansetzten kann. Speziell bei der Hydration oder auch Lösungsverwitterung ist die Menge und Beschaffenheit der zur Verfügung stehenden Oberfläche dergestalt von Bedeutung, als das sich Teilchen an andere Teilchen anlagern müssen, um eine Reaktion einzuleiten. Je mehr Oberfläche nun ein Stoff besitzt, desto mehr Teilchen können sich an die Teilchen der Oberfläche des Stoffs anlagern und desto mehr Stoffmenge wird bei der Reaktion umgesetzt. Die größte Oberfläche erreicht ein Stoff, wenn seine „Außenhülle“, im Folgenden Grenzfläche genannt, nicht glatt, sondern „rau“ ist. Um nun wieder auf den Status der Hydrationsverwitterung als einem teilweise grundlegenden Prozess zurückzukommen, sei folgendes gesagt: Wie bereits erwähnt benötigen einige chemische Reaktionen eine große Stoffoberfläche. Die Abbildung verdeutlicht nochmals die Zunahme der Oberfläche, bei Zerteilung eines Gesteinsstückes in mehrere kleine Stücke. Das Diagramm zeigt die Zunahme der Gesamtoberfläche bei steigender Zahl der Teilchen, ohne Zunahme der des Gesamtvolumens. Neben der Vergrößerung ist weitere Voraussetzung immer das Vorhandensein von Wasser und Säure in dissoziierter Form.

3. Verwitterungsprozesse

3.1 Hydration

3.1.1 Einordnung der Hydration in den Gesamtprozess Verwitterung

Neben den Teilprozessen der chemischen Verwitterung ist der Prozess der Hydrationsverwitterung lediglich, und nicht nur, als ein Teilprozess der chemischen Verwitterung, sondern als ein grundlegender Prozess für den Ablauf weiterer chemischer Verwitterungsprozesse zu verstehen. Teilprozesse der physikalischen Verwitterung und der Teilprozess der Hydrationsverwitterung haben die Oberflächenvergrößerung eines Stoffes zur Folge und sind somit als Reaktionsbedingende oder –verstärkende Prozesse zu verstehen.

3.1.2 Ablauf der Hydration

„Die Hydratation bedeutet Wasseranlagerung im Molekularbereich. Sie tritt daher als Prozess fast überall auf, ohne bedeutende Klimaabhängigkeiten.“^[1] Dies ist dadurch zu erklären, dass die Anlagerung von Wasser an Minerale temperaturunabhängig abläuft. Wie bereits erwähnt stellt die Hydration einen ersten Teilprozess der gesamten chemischen Verwitterung dar. Durch sie wird eine erste chemische Auflockerung des Gesteins bewirkt, dadurch das Minerale gelöst werden. Eine der Voraussetzungen für den Ablauf einer solchen Reaktion sind „(…) Spalten und Risse im Gestein, auch solche kleinster Ausdehnung (…)“^[2], in die Wasser eindringen kann. Die Zweite Voraussetzung für den Ablauf der Hydration ist das Vorhandensein von frei beweglichen H2O-Molekülen. Diese frei beweglichen Wassermoleküle lagern sich an ein Mineral oder Gestein an und bilden eine sogenannte Hydrathülle. Man stellt sich den Aufbau eines Minerals als eine dreidimensionale Gitterstruktur vor, in der sich Anionen^[3] und Kationen^[4] nebeneinander angelagert haben. Da das Wasser Dipoleigenschaften^[5] besitzt, lagert sich die Sauerstoffseite des Wassermoleküls an die Grenzflächen-Kationen der Gitterstruktur des Minerals an. „Diese Bindung erfolgt sowohl durch Neben-, als auch Hauptvalenzkräfte. Gleichfalls werden Grenzflächenionen durch Wasserstoffionen ersetzt. “^[6] Folge dieser Anlagerung von Wasser an die Grenzfläche des Minerals sind sogenannte Hydrathüllen. Diese Hydrathüllen isolieren die einzelnen Ionen der Gitterstruktur des Minerals gegeneinander und [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] schwächen dadurch den Zusammenhalt der Struktur. Es entstehen Spalten oder Haarrisse im Gestein. Der Zusammenhalt des Gitters wird gestört, das Mineral allmählich spröde. Auch ist das Wasser in der Lage, einzelne Ionen aus dem Gitterverbund herauszulösen und auszuspülen. Dies [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] treibt die Bildung von Rissen oder Klüften weiter voran. Immer mehr Wasser kann an eine immer größer werdende Oberfläche vorbeigeführt werden. Somit verstärkt sich die Hydration mit der Zeit selbst.

Es ist jedoch nicht nur die Anlagerung von Wasser an das Kristallgitter der Gesteine möglich, auch kommt es zur Bildung von „ (…) Verwitterungsneubildungen mit anderen Verwitterungseigenschaften als die Ausgangsgesteine.“^[7] Dieser Vorgang ist zumeist in silikatischen Gesteinen zu finden.

Ein bekanntes Beispiel für die Einlagerung von Wasser in ein Gestein ist die Hydration von Anhydrit zu Gips.

CaSO4 + H2O à CaSO4 * 2H2O

Anhydrit + Wasser à Gips

“Gips wird deshalb auch chemisch als Calcium-Dihydrat bezeichnet. Die Einlagerung von Wasser in den Kristallverband erzeugt eine Volumenvergrößerung, die bei Gipslagen, die zwischen anderen Gesteinen eingebettet sind, zur sogenannten Quellfaltung führen kann, d.h. die Gipslage wird gefaltet (…).“^[8]

Ein weiteres Beispiel für die Einlagerung von Wasser in Gesteine ist die Umwandlung des rötlichen Hämatit zum rostfarbenen Goethit.

Fe2O3 + H2O à Fe2O3 * H2O

Hämatit + Wasser à Goethit (Eisenoxid-Hydrat)

Diese Hydration ist ein Grund für die häufig bräunlich bis gelbliche Färbung der Böden in humiden Klimazonen.

Wie Eingangs bereits erwähnt, kann die Hydrationsverwitterung als teilweise vorbereitender Prozess für andere Verwitterungsvorgänge angesehen werden, da alle (zumindest) chemischen Verwitterungsprozess nicht nur das Vorhandensein von Wasser, sondern auch eine erste Auflockerung des Gesteins zur Voraussetzung haben. So wird oftmals die Hydration als erste Stufe der Silikatverwitterung benannt.^[9]

[...]

^[1] Leser, 1981, S. 76

^[2] Leser, 1981, S. 76

^[3] Ein Anion ist ein negativ geladenes Molekül.

^[4] Ein Kation ist ein positiv geladenes Molekül Ausnahme Wasserstoff: Ein positiv geladenes Wasserstoffatom nennt man Proton.

^[5] Dipolcharakter bedeutet, das sich die Ladung innerhalb des Wassermoleküls aufteilt. Während die Sauerstoffseite negativ geladen ist, ist die Wasserstoffseite positiv geladen. Dies führt dazu, das sich Wasser sowohl an Kationen, als auch an Anionen ohne Probleme anlagern kann.

^[6] Hendl/Liedke, 1997, S. 160

^[7] Leser, 1981, S. 76

^[8] Ahnert, 2003, S. 108

^[9] vgl. Leser, 2001, S. 333