Chemische Grundlagen der Geo- und Umweltwissenschaften

Chemische Grundlagen sind die Basis für einen großen Teil der Geowissenschaften. Studierende der Geowissenschaften benötigen daher zunehmend ein solides Verständnis der chemischen Grundlagen, um ihr Studium erfolgreich zu absolvieren. Die erweiterte zweite Auflage dieses beliebten Lehrbuchs führt die Studenten in diese "georelevante" Chemie ein, die in demselben klaren und verständlichen Stil wie die Vorauflage präsentiert wird. Die neue Auflage wurde jedoch um den Bereich der Umweltgeowissenschaften erweitert und enthält ein neues Kapitel, in dem die Isotopengeochemie vorgestellt wird. Das Buch umfasst drei große, gegliederte Teile. Der erste (Kapitel 1-4) befasst sich mit der grundlegenden physikalischen Chemie geologischer Prozesse. Der zweite Teil (Kapitel 5-8) führt in die wellenmechanische Sicht auf das Atom ein und erklärt die verschiedenen Arten chemischer Bindungen, die den Materialien der Erde ihre vielfältigen und charakteristischen Eigenschaften verleihen. Die Schlusskapitel (9-11) geben einen Überblick über die geologisch relevanten Elemente und Isotope und erklären ihre Entstehung und ihre Häufigkeit im Kosmos und auf der Erde. Das Buch schließt mit einem umfangreichen Glossar von Begriffen; die Anhänge behandeln grundlegende Mathematik, erklären die grundlegende Lösungschemie und listen die chemischen Elemente und die im Buch verwendeten Symbole, Einheiten und Konstanten auf. Die Übersetzung wurde mit Hilfe von künstlicher Intelligenz (maschinelle Übersetzung durch den Service DeepL.com) angefertigt. Da die anschließende Überprüfung hauptsächlich im Hinblick auf inhaltliche Gesichtspunkte erfolgte, kann sich der Text des Buches stilistisch von einer konventionellen Übersetzung unterscheiden. Springer Nature arbeitet bei der Publikation von Büchern kontinuierlich mit innovativen Technologien, um die Arbeit der Autoren unterstützen. Vorwort Danksagung Inhaltsverzeichnis 1 Energie in geochemischen Prozessen 1.1 Einführung Kasten 1.1 Was ist Energie? 1.2 Energie in mechanischen Systemen Kasten 1.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 1.3 Energie in chemischen Systemen und Mineralen: Gibbs-Energie 1.3.1 Einheiten 1.3.2 Änderungen der Gibbs-Energie Kasten 1.3 Einige Eigenschaften der Entropie 1.4 Stabile, instabile und metastabile Minerale Weiterführende Literatur 2 Gleichgewicht in geologischen Systemen 2.1 Die Bedeutung der Mineralstabilität Kasten 2.1 Phasengleichgewichtsexperimente mit Mineralen 2.2 Systeme, Phasen und Komponenten 2.2.1 System 2.2.2 Phase 2.2.3 Komponente 2.3 Gleichgewicht 2.3.1 Thermisches Gleichgewicht 2.3.2 Chemisches Gleichgewicht 2.3.3 Die Gibbs’sche Phasenregel 2.4 Phasendiagramme im P–T-Raum 2.4.1 Pv-T-Diagramme 2.4.2 Das Prinzip von Le Chatelier 2.4.3 Die Clapeyron-Gleichung Kasten 2.2 Weitere Phasendiagramme von Einkomponentensystemen 2.5 Phasendiagramme im T-χ-Raum 2.5.1 Kristallisation in Systemen ohne Mischkristalle 2.5.2 Kristallisation in Systemen mit Mischkristallen 2.5.3 Der Solvus und Entmischung Kasten 2.3 Das Hebelgesetz Kasten 2.4 Partielles Aufschmelzen I: Schmelzbildung im Labor Kasten 2.5 Partielles Aufschmelzen II: Schmelzbildung im Mantel Kasten 2.6 Reaktionspunkte und inkongruentes Schmelzen 2.6 Ternäre Phasendiagramme 2.6.1 Ternäres Phasendiagramm ohne Mischkristall 2.6.2 Ternäres Phasendiagramm mit Mischkristall Kasten 2.7 Wie ein ternäres Diagramm funktioniert 2.7 Zusammenfassung Übungen Literatur 3 Kinetik geologischer Prozesse Kasten 3.1 Ungleichgewichtsstrukturen 3.1 Definition der Reaktionsgeschwindigkeit 3.1.1 Ratengleichung 3.1.2 Heterogene Reaktionen 3.1.3 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 3.1.4 Photochemische Reaktionen Kasten 3.2 Kinetik des radioaktiven Zerfalls I: das Rb–Sr-System Kasten 3.3 Kinetik des radioaktiven Zerfalls II: das U-Th-Pb-System Kasten 3.4 Was bedeutet Aktivierungsenergie auf atomarer Ebene? 3.2 Diffusion 3.2.1 Festkörperdiffusion 3.2.1.1 (Intrakristalline) Volumendiffusion 3.2.1.2 (Interkristalline) Korngrenzendiffusion Kasten 3.5 Diffusions- und Abkühlungsrate: Anwendungen bei Meteoriten 3.3 Schmelzviskosität 3.4 Haltbarkeit von metastabilen Mineralen und Schließungstemperatur 3.5 Zusammenfassung Übungen Literatur 4 Wässrige Lösungen und die Hydrosphäre Kasten 4.1 Die besonderen Eigenschaften von Wasser 4.1 Möglichkeiten, die Konzentrationen von Hauptbestandteilen auszudrücken 4.1.1 Lösungen 4.1.2 Feststoffe 4.1.3 Gase 4.2 Gleichgewichtskonstante 4.2.1 Löslichkeit und das Löslichkeitsprodukt 4.2.1.1 Wechselwirkung zwischen gelösten Ionen: der Effekt des gemeinsamen Ions 4.2.2 Andere Arten von Gleichgewichtskonstanten 4.2.2.1 Löslichkeit eines Gases 4.2.2.2 Dissoziation von schwachen Säuren Kasten 4.2 Der Einfluss der Temperatur auf die Gleichgewichtskonstanten Kasten 4.3 Die Spezies der Kohlensäure unter Einfluss des pH-Wertes 4.3 Nicht ideale Lösungen: Aktivitätskoeffizient 4.3.1 Ionenstärke 4.4 Natürliche Wässer 4.4.1 Flusswasser: Debye-Hückel-Theorie 4.4.2 Meerwasser 4.4.2.1 pH-Wert des Meerwassers: Carbonatgleichgewichte und Pufferung 4.4.3 Sole und hydrothermale Fluide Kasten 4.4 Kolloide Kasten 4.5 Bildung von Ionenpaaren im Meerwasser Kasten 4.6 Fluideinschlüsse in Mineralen 4.5 Oxidation und Reduktion: Eh-pH-Diagramme 4.5.1 Fallstudie Bangladesch – Arsen in Grundwasser und Trinkwasser Kasten 4.7 Oxidation und Reduktion (Redoxreaktionen) und Eh Kasten 4.8 Trinkwasserqualität Übungen Literatur 5 Elektronen in Atomen 5.1 Warum muss ein Geologe Atome verstehen? Kasten 5.1 Einheiten der Atomgröße 5.2 Das Atom 5.2.1 Die Mechanik der Atomteilchen Kasten 5.2 Was ist eine Welle? Kasten 5.3 Beugung 5.3 Stehende Wellen 5.3.1 Harmonische Schwingung 5.4 Elektronenwellen in Atomen 5.5 Die Formen der Orbitale 5.5.1 s-Orbitale 5.5.2 p-Orbitale 5.5.3 d-Orbitale 5.5.4 f-Orbitale 5.6 Energieniveaus der Elektronen 5.6.1 Atome mit mehreren Elektronen 5.6.2 Elektronenkonfigurationen Kasten 5.4 Die wichtigsten Grundlagen 5.7 Zusammenfassung Übungen Literatur 6 Was wir aus dem Periodensystem lernen können Kasten 6.1 Chemische Symbole 6.1 Ionisierungsenergie 6.2 Das Periodensystem der Elemente 6.3 Elektronegativität 6.4 Wertigkeit Kasten 6.2 Untergruppen und Blöcke 6.5 Atomspektren 6.5.1 Röntgenspektren 6.5.1.1 Z-Abhängigkeit der Röntgenspektren: Moseley’sches Gesetz Kasten 6.3 Licht und andere Formen der elektromagnetischen Strahlung Kasten 6.4 Die Elektronenstrahlmikrosonde 6.6 Zusammenfassung Übungen Literatur 7 Chemische Bindung und die Eigenschaften von Mineralen 7.1 Das Modell der ionischen Bindung 7.1.1 Ionenkristalle: Stapelung von Kugeln in drei Dimensionen 7.1.2 Ionenradius 7.1.3 Das Ionenradienverhältnis und seine Anwendungen Kasten 7.1 Gleichgewichtsabstand der Ionen Kasten 7.2 Ionenradien von geologisch wichtigen Elementen 7.2 Das Modell der kovalenten Bindung 7.2.1 σ- und π-Bindungen 7.2.2 Kovalente Kristalle 7.2.3 Molekülform und Hybridisierung 7.2.4 Die Komplexbindung Kasten 7.3 Der Mechanismus der kovalenten Bindung Kasten 7.4 Fallstudie: Bindung in Graphit und Graphen Kasten 7.5 Lewissäuren und -basen 7.3 Metalle und Halbleiter 7.3.1 Halbleiter Kasten 7.6 Die Energieniveaus im Metall Lithium 7.4 Bindung in Mineralen 7.4.1 Ionenpolarisation: nichtideale ionische Bindungen 7.4.2 Polarisierte kovalente Bindung und Ionizität 7.4.3 Bindungen in Silicaten 7.4.4 Oxoanionen 7.4.5 Reine Elemente, Legierungen und Sulfide 7.5 Andere Arten von atomarer und molekularer Wechselwirkung 7.5.1 Ion-Dipol-Wechselwirkungen und Hydratation 7.5.2 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen: Wasserstoffbrückenbindung 7.5.3 Induzierte Dipole und Van-der-Waals-Wechselwirkungen Kasten 7.7 Abschätzung der Bindungsstärke 7.6 Zusammenfassung Übungen Literatur 8 Silicatkristalle und -schmelzen 8.1 Silicatstrukturen 8.1.1 Inselsilicate 8.1.2 Gruppensilicate 8.1.3 Einfachkettensilicate 8.1.4 Ringsilicate 8.1.5 Doppelkettensilicate 8.1.6 Schichtsilicate 8.1.7 Gerüstsilicate Kasten 8.1 Saure und basische Oxide Kasten 8.2 Tonminerale und Ionenaustausch Kasten 8.3 Silicatschmelzen 8.2 Kationenplätze in Silicaten 8.2.1 Berechnung der Gitterplatzbelegung 8.2.1.1 Analyse von Olivin 8.2.1.2 Analyse von Amphibol 8.2.2 Auswirkungen der Kationensubstitution 8.2.2.1 Gekoppelte Substitution Kasten 8.4 Merkmale einer Silicatanalyse Kasten 8.5 Gitterplätze in Pyroxenen und Amphibolen 8.3 Optische Eigenschaften von Kristallen 8.3.1 Brechungsindex 8.3.2 Farbe und Absorption 8.3.3 Reflexionsvermögen 8.3.4 Anisotropie 8.4 Defekte in Kristallen 8.4.1 Kristallwachstum 8.4.2 Mechanische Festigkeit von Kristallen Übungen Literatur 9 Geologisch wichtige Elemente 9.1 Haupt- und Spurenelemente 9.1.1 Hauptelemente 9.1.2 Spurenelemente 9.2 Alkalimetalle 9.2.1 Radioaktive Isotope der Alkalimetalle Kapitel 9.1 Inkompatible Elemente 9.3 Wasserstoff 9.4 Erdalkalimetalle Kasten 9.2 Lithium, Beryllium und Bor 9.5 Aluminium Kasten 9.3 Hydrolyse 9.6 Kohlenstoff 9.6.1 Organischer Kohlenstoff 9.6.1.1 Kohlenwasserstoffe 9.6.1.2 Kohlenhydrate 9.6.1.3 Säuren, Aminosäuren und Proteine 9.6.2 Anorganischer Kohlenstoff 9.6.2.1 Kohlenstoffdioxid 9.6.3 Kohlenstoffisotope Kasten 9.4 Notation für organische Moleküle Kasten 9.5 Chlorophyll Kasten 9.6 Neue Formen von Kohlenstoff Kasten 9.7 Molekülspektren und Treibhausgase 9.7 Silicium 9.8 Stickstoff und Phosphor 9.9 Sauerstoff 9.10 Schwefel 9.10.1 Reduzierte Schwefelverbindungen 9.10.2 Oxidierte Schwefelverbindungen Kasten 9.8 Sulfidminerale 9.11 Halogene 9.11.1 Fluor 9.11.2 Chlor, Brom und Jod 9.12 Edelgase Kasten 9.9 Radon 9.13 Übergangsmetalle Kasten 9.10 Übergangsmetalle und die Farbe der Minerale 9.14 Seltenerdelemente 9.15 Actinoide Übung Literatur 10 Was können wir von den Isotopen lernen? Kasten 10.1 Die Nuklidkarte 10.1 Isotopensysteme 10.1.1 Radiogene Isotopensysteme 10.1.2 Stabile Isotopensysteme 10.1.3 Kosmogene Radioisotopensysteme 10.2 Radiogene Isotopensysteme 10.2.1 K-Ar-Geochronologie 10.2.2 Rb-Sr-Geochronologie 10.2.2.1 Das Isochronendiagramm 10.2.2.2 Das ursprüngliche Sr-Isotopenverhältnis charakterisiert die Herkunft eines Magmas 10.2.2.3 Datierung von känozoischen Sedimenten unter Verwendung von 87Sr/86Sr 10.2.3 Das radiogene Isotopensystem Sm–Nd 10.2.3.1 Sr- und Nd-Isotopensignaturen junger ozeanischer Vulkane: Kartierung geochemischer Reservoire im Mantel Kasten 10.2 Massenspektrometrie Kasten 10.3 Die 40Ar/39Ar-Datierung als Lösung für die Probleme der 40K-40Ar-Datierung Kasten 10.4 Herleitung der Isochronengleichung 10.3 Stabile Isotopensysteme 10.3.1 Notation 10.3.2 Wasserstoff- und Sauerstoffisotope – Schlüssel zum Klima der Vergangenheit 10.3.2.1 Der terrestrische Wasserkreislauf 10.3.2.2 Paläothermometrie und Paläoklimatologie mit stabilen Isotopen 10.3.3 Stabile Kohlenstoffisotope – Anzeichenvon frühem Leben erkennen 10.3.4 Massenunabhängige Fraktionierung von Schwefelisotopen 10.3.5 Stabile Isotope der Übergangsmetalle 10.4 Kosmogene Radioisotopensysteme 10.4.1 Radiokohlenstoffdatierung 10.4.2 Berylliumisotope 10.5 Zusammenfassung Übungen Literatur 11 Die Elemente im Universum 11.1 Die Bedeutung der Elementhäufigkeit 11.2 Messung der Elementhäufigkeit im Universum und im Sonnensystem 11.2.1 Spektralanalyse 11.2.2 Analyse von Meteoriten 11.2.2.1 Primitive Meteoriten 11.2.2.2 Differenzierte Meteoriten 11.2.3 Dunkle Materie Kasten 11.1 Klassifizierung der Meteoriten 11.3 Die Elementhäufigkeit im Sonnensystem 11.4 Elemententstehung im Universum 11.4.1 Der Urknall 11.4.2 Sterne 11.4.3 Supernovae Kasten 11.2 Kernfusion und Kernspaltung 11.5 Elemente im Sonnensystem 11.5.1 Kosmochemische Klassifizierung 11.5.2 Flüchtig versus refraktär 11.5.3 Elementfraktionierung im Sonnensystem 11.5.4 Entwicklung des Sonnensystems 11.5.5 Planetenbildung 11.6 Chemische Evolution der Erde 11.6.1 Der Kern 11.6.2 Der Mantel 11.6.3 Die Kruste 11.6.4 Die frühe Atmosphäre 11.6.5 Leben und oxygene Photosynthese 11.6.6 Zukunftsaussichten 11.7 Zusammenfassung Übungen Literatur Lösungen der Übungen A Anhang Literatur Glossar Stichwortverzeichnis