Bodenkolloide und Tonminerale: Struktur, Gruppen und Bildung

Zusammenfassung

Das Dokument erklärt die Bodenkolloide als aktiven Bestandteil des Bodens und unterscheidet biogene und anorganische Kolloide. Es beschreibt die Kristallstruktur der Tonminerale aus Tetraedern und Oktaedern, die isomorphe Substitution sowie die wichtigsten Tonmineralgruppen. Außerdem werden Entstehung und Bildungsbedingungen von Tonen behandelt.

Kernpunkte

Die Tonfraktion umfasst Partikel kleiner als 2 µm (Partikelgrößenkonzept).
Silikat-Tone bestehen aus Tetraedern (Si, 4 O) und Oktaedern (Al, 6 O).
Isomorphe Substitution, z. B. Si durch Al, verändert die Struktur und ist durch Atomradius und Koordinationszahl begrenzt.
Kaolinit hat eine niedrige Kationenaustauschkapazität, Montmorillonit eine hohe KAK und eine große innere Oberfläche.
Tone entstehen durch Vererbung, Transformation oder Neubildung aus primären Mineralien.
Montmorillonit bildet sich bei hoher Kieselsäure- und Mg-Konzentration in neutralem bis alkalischem Milieu, Kaolinit bei hoher H⁺-Konzentration ohne Basen.

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Kolloide: Die aktiven Bestandteile des Bodens

Kolloide bilden den aktiven Teil des Bodens.

Einstufung von Kolloiden

Biogen: Humifizierte Anteile organischer Substanz.
Anorganisch: Silikat-Tone (Phyllosilikate), Al- und SiO₂-Gele (Allophan und Imogolit), Oxide und Hydroxide von Eisen (Fe) und Aluminium (Al).

Tonminerale vs. Tonfraktion

Es ist wichtig, zwischen Tonmineralen und der Tonfraktion zu unterscheiden. Die Tonfraktion wird nach dem Partikelgrößenkonzept willkürlich als Partikel kleiner als 2 µm definiert.

Kristallstrukturen von Tonen

Tonminerale sind in Schichten angeordnet. Es gibt zwei grundlegende strukturelle Einheiten für alle kristallinen Silikat-Tone:

Tetraeder: Ein Silicium-Atom in der Mitte, umgeben von 4 Sauerstoffatomen in tetraedrischer Anordnung.
Oktaeder: Ein Aluminium-Atom in der Mitte, umgeben von 6 Sauerstoffatomen in oktaedrischer Anordnung.

Isomorphe Substitution

Strukturelle Veränderungen entstehen durch den Austausch von Ionen während der Tonbildung. Dies kann sowohl in Tetraedern als auch in Oktaedern auftreten (z. B. Substitution von Si-Atomen durch Al-Atome). Diese Substitutionen sind begrenzt und werden durch den Atomradius und die Koordinationszahl (4 für Tetraeder, 6 für Oktaeder) bestimmt.

Gruppen der Tonminerale

1. Kaolinit: Niedrige Kationenaustauschkapazität (KAK), beschränkt auf externe Flächen und Kanten; große Partikelgröße (0,1–5 µm).
2. Montmorillonit: 2:1-Typ-Ton, hohe KAK, große innere und äußere Oberfläche, kleine Partikelgröße (0,01–1 µm).
3. Hydratisierte Glimmer (Illit): 2:1-Typ-Ton mit intermediären Eigenschaften, nicht elastisch, geringere isomorphe Substitution.
4. Chlorit: 2:2-Typ-Ton, Struktur mit 2:1-Zwischenschicht aus Aluminium.
5. Vermiculit: 2:1-Typ-Ton, hohe interne Oberfläche, kann K⁺-Ionen fixieren.

Ursprung und Bildung von Tonen

Vererbung: Tone sind Teil der Ausgangssubstanz (typisch für sedimentäre Böden).
Transformation: Begrenzte Änderungen in primären Mineralien, meist in Richtung Abbau.
Neubildung: Vollständige Umwandlung durch Bruch und Rekonstruktion der primären Mineralien (Trennung der Kristallstruktur in Tetraeder und Oktaeder sowie Ionen).

Bedingungen für die Bildung

Montmorillonit: Hohe Kieselsäure- und Mg-Konzentration, neutral bis alkalisch.
Vermiculit: Mäßige H⁺-Konzentration.
Illit: Aus Glimmer, bei geringer bis moderater H⁺-Konzentration.
Kaolinit: Hohe H⁺-Konzentration, Abwesenheit von Basen.
Halloysit: Gleiche Konzentration von Al und Si bei hoher H⁺-Konzentration.
Allophan: Mittlere bis hohe H⁺-Konzentration, in feuchten oder gesättigten Systemen.
Hydrargillit: Hohe H⁺-Konzentration, niedrige Si-Konzentration, keine Basen.

Häufige Fragen

Was ist die Tonfraktion im Boden?

Die Tonfraktion umfasst nach dem Partikelgrößenkonzept alle Partikel kleiner als 2 µm. Sie ist eine Größenklasse und nicht gleichbedeutend mit den Tonmineralen.

Worin unterscheiden sich Kaolinit und Montmorillonit?

Kaolinit hat eine niedrige KAK, eine große Partikelgröße (0,1–5 µm) und wirkt nur an externen Flächen und Kanten. Montmorillonit hat eine hohe KAK, eine große innere und äußere Oberfläche und kleinere Partikel (0,01–1 µm).