Quelltext der Seite Substitution (Mineralogie)

Als '''Substitution''' (''Austausch'') bezeichnet man in der [[Mineralogie]] das Ersetzen eines [[chemisches Element|chemischen Elements]] in der [[Kristallstruktur]] durch ein anderes. Die zugrunde liegende [[chemische Reaktion]] heißt [[Substitutionsreaktion|Substitutions- oder Austauschreaktion]].

Je nach Anzahl der Gitterplätze eines [[Kristall]]s, die vom Austausch betroffen sind, unterscheidet man
* die einfache Substitution, auch '''Diadochie''' genannt, und
* die gekoppelte Substitution.

== Grundlagen ==
Zur Beschreibung der chemischen Zusammensetzung von [[Mineral]]en werden üblicherweise [[Idealisierung (Physik)|idealisierte]] [[Summenformel]]n aufgestellt, z.&nbsp;B. Mg<sub>2</sub>SiO<sub>4</sub> für [[Forsterit]]. In der Realität wird man bei [[chemische Analyse|chemischen Analysen]] aber stets auch andere Elemente in natürlichen Kristallen finden, in diesem Beispiel etwa [[Eisen]]&nbsp;(Fe).

Ob ein Element (in Mineralen praktisch immer in Form eines [[Ion]]s) in ein Kristallgitter eingefügt werden kann, hängt ab von seinem Radius, seiner [[Elektrische Ladung|elektrischen Ladung]] sowie seinem [[Chemische Bindung|Bindung]]s<nowiki/>charakter: allgemein sind Elemente mit ähnlichem [[Ionenradius]] und gleicher [[Ionenladung]] im Kristallgitter eines Minerals austauschbar.

Lässt sich ein Element im Kristall vollständig durch ein anderes Element (oder mehrere andere) ersetzen, so spricht man von einer [[Mischkristall]]<nowiki/>reihe (einem Mischkristallsystem) mit zwei (oder mehr) Endgliedzusammensetzungen. Diese Extremzusammensetzungen haben in der Regel eigene Namen. Würde man z.&nbsp;B. bei Forsterit (s.&nbsp;o.) sämtliches&nbsp;[[Magnesium|Mg]] durch&nbsp;Fe ersetzen, so erhielte man ein Mineral mit der Formel&nbsp;Fe<sub>2</sub>SiO<sub>4</sub>; dieses Mineral heißt [[Fayalit]]. Alle Zusammensetzungen zwischen dem Mg-Endglied Forsterit und dem Fe-Endglied Fayalit werden zusammengefasst in der Mischkristallreihe des [[Olivin]]s mit der Formel&nbsp;(Mg,Fe)<sub>2</sub>SiO<sub>4</sub>. 

Die einzelnen Zusammensetzungen einer solchen Mischreihe werden in der Literatur häufig in Form eines [[Molenbruch]]es angegeben, der den prozentualen Stoffmengenanteil eines Endgliedes nennt, z.&nbsp;B. Fo<sub>70</sub> für einen Olivin-Mischkristall mit 70&nbsp;% Forsterit&nbsp;(Fo) (und entsprechend 30&nbsp;% Fayalit).

Ob und in welchem Umfang eine theoretisch mögliche Substitution im Einzelfall stattfindet, hängt stark von den [[Geologie|geologischen Gegebenheiten]] ab und kann Aufschluss über die Entstehungsbedingungen des Minerals und des Gesteins ([[Petrogenese]]) geben.

== Substitutionstypen ==
=== Einfache Substitution ===
Hier wird ein Element&nbsp;A mit der Ladung&nbsp;''n'' durch ein Element&nbsp;B mit identischer Ladung&nbsp;''n'' auf demselben Gitterplatz ersetzt (diadocher Ersatz). Die verallgemeinerte Substitutionsreaktion lautet

:A<sup>n</sup> ↔ B<sup>n</sup>

==== Beispiele ====
:Mg<sup>2+</sup> ↔ Fe<sup>2+</sup>

::'''Mg<sup>2+</sup><sub>2</sub>'''SiO<sub>4</sub> ↔ '''Fe<sup>2+</sup><sub>2</sub>'''SiO<sub>4</sub> (Forsterit ↔ Fayalit; [[Olivin]]-Reihe)

:K<sup>+</sup> ↔ Na<sup>+</sup>

::'''K<sup>+</sup>'''AlSi<sub>3</sub>O<sub>8</sub> ↔ '''Na<sup>+</sup>'''AlSi<sub>3</sub>O<sub>8</sub> ([[Orthoklas]] ↔ [[Albit]]; [[Alkalifeldspat]]-Reihe)

=== Gekoppelte Substitution ===
Bei einer gekoppelten Substitution wird ein Element&nbsp;A mit der Ladung&nbsp;''n'' durch ein Element&nbsp;B mit einer davon verschiedenen Ladung&nbsp;''m''≠''n'' ersetzt. Um den Gesamtkristall elektrisch neutral zu belassen, muss zusätzlich ein Element&nbsp;C der Ladung&nbsp;''m'' durch ein Element&nbsp;D der Ladung&nbsp;''n'' ausgetauscht werden. Die Elemente&nbsp;A und&nbsp;B sowie die Elemente&nbsp;C und&nbsp;D belegen in der Regel jeweils einen Gitterplatz. Die allgemeine Substitutionsreaktion lautet

:A<sup>n</sup> + C<sup>m</sup> ↔ B<sup>m</sup> + D<sup>n</sup>

Eine gekoppelte Substitution kann für beliebig viele Elemente formuliert werden und stellt in natürlichen Systemen den Normalfall dar (reelle chemische Formel). Die Gesamtladung pro [[Formeleinheit]] bleibt jedoch stets gleich. An der Substitution können sowohl [[Kation]]en als auch [[Anion]]en beteiligt sein.

==== Beispiele ====
:Mg<sup>2+</sup> + Si<sup>4+</sup> ↔ 2 Al<sup>3+</sup>

::'''Mg<sup>2+</sup><sub>7</sub>Si<sup>4+</sup><sub>8</sub>'''O<sub>22</sub>OH ↔ '''Mg<sup>2+</sup><sub>6</sub>Al<sup>3+</sup><sub>2</sub>Si<sup>4+</sup><sub>7</sub>'''O<sub>22</sub>OH ([[Tschermak-Austausch]] in [[Amphibolgruppe|Amphibolen]])

:Na<sup>+</sup> + Si<sup>4+</sup> ↔ Ca<sup>2+</sup> + Al<sup>3+</sup>

::'''Na<sup>+</sup>Al<sup>3+</sup>Si<sup>4+</sup><sub>3</sub>'''O<sub>8</sub> ↔ '''Ca<sup>2+</sup>Al<sup>3+</sup><sub>2</sub>Si<sup>4+</sup><sub>2</sub>'''O<sub>8</sub> (Albit ↔ [[Anorthit]]; [[Plagioklas]]-Reihe)

== Häufige Kombinationen ==
Aufgrund der geforderten Eigenschaften der substituierenden Elemente in Bezug auf Ionenladung und -radius beobachtet man häufig bestimmte Kombinationen sich gegenseitig ersetzender Elemente.

Bei ''einfachen Substitutionen'':
{| class="wikitable border="1"
|-
| '''Ion'''
| [[Kalium|K]]<sup>+</sup>
| [[Natrium|Na]]<sup>+</sup>
| rowspan = "2" | z.&nbsp;B. in folgenden [[Mineralgruppe]]n:<br />[[Feldspat|Feldspäte]], [[Zeolithgruppe|Zeolithe]], Amphibole
|-
| '''Ionenradius'''
| 1,65&nbsp;[[Ångström (Einheit)|Å]]
| 1,32&nbsp;Å
|}
{| class="wikitable border="1"
|-
| '''Ion'''
| [[Calcium|Ca]]<sup>2+</sup>
| [[Strontium|Sr]]<sup>2+</sup>
| [[Barium|Ba]]<sup>2+</sup>
| [[Europium|Eu]]<sup>2+</sup>
| rowspan = "2" | Feldspäte, Zeolithe, Amphibole
|-
| '''Ionenradius'''
| 1,26&nbsp;Å
| 1,40&nbsp;Å
| 1,56&nbsp;Å
| 1,31&nbsp;Å
|}
{| class="wikitable border="1"
|-
| '''Ion'''
| Mg<sup>2+</sup>
| Fe<sup>2+</sup>
| [[Mangan|Mn]]<sup>2+</sup>
| rowspan = "2" | [[Olivin]], [[Pyroxen]]e, [[Amphibolgruppe|Amphibole]], [[Granat]]e, [[Glimmer]]
|-
| '''Ionenradius'''
| 0,86&nbsp;Å
| 0,75&nbsp;
| 0,81&nbsp;Å
|}
{| class="wikitable border="1"
|-
| '''Ion'''
| Fe<sup>3+</sup>
| [[Aluminium|Al]]<sup>3+</sup>
| rowspan = "2" | Amphibole, Glimmer, [[Epidotgruppe]]
|-
| '''Ionenradius'''
| 0,69&nbsp;Å
| 0,68&nbsp;Å
|}
{| class="wikitable border="1"
|-
| '''Ion'''
| [[Niob|Nb]]<sup>5+</sup>
| [[Tantal|Ta]]<sup>5+</sup>
| rowspan = "2" | [[Columbit]]
|-
| '''Ionenradius'''
| 0,78&nbsp;Å
| 0,78&nbsp;Å
|}
{| class="wikitable border="1"
|-
| '''Ion'''
| [[Fluor|F]]<sup>−</sup>
| [[Chlor|Cl]]<sup>−</sup>
| [[Hydroxid-Ion|OH]]<sup>−</sup>
| rowspan = "2" | Glimmer, Amphibole und Zeolithe
|-
| '''Ionenradius'''
| 1,19&nbsp;Å
| 1,67&nbsp;Å
| 1,23&nbsp;Å
|}

Bei ''gekoppelten Substitutionen'' können folgende Elemente auf einem Gitterplatz ausgetauscht werden (weitere Ersetzungen sind zum Ladungsausgleich notwendig):
* Fe<sup>3+</sup>, Al<sup>3+</sup>, [[Chrom|Cr]]<sup>3+</sup> für Fe<sup>2+</sup>, Mg<sup>2+</sup>
* Al<sup>3+</sup>, [[Phosphor|P]]<sup>5+</sup> für [[Silizium|Si]]<sup>4+</sup>
* [[Sauerstoff|O]]<sup>2−</sup> für OH<sup>−</sup>.

== Siehe auch ==
* [[Goldschmidtsche Regel]]

== Literatur ==
* Nesse W.D. (2000): Introduction to Mineralogy - Oxford University Press, ISBN 0-19-510691-1

[[Kategorie:Kristallographie]]
[[Kategorie:Physikalische Chemie]]