Tonmineralien und Ionenaustauscher

Experimente:
Versuch 1: Ionenaustauscherverhalten eines H-Tonminerals

Tonmineralien gehören wie die Zeolithe zu den Alumosilikaten. Sie bestehen aus SiO4-Tetraedern und AlO6-Oktaedern, die jeweils über ihre Ecken miteinander verknüpft sind und so ein zweidimensionales Netzwerk bilden. Je nach Anordnung der Tetraeder- und Oktaeder-Schichten unterscheidet man zwischen Zweischicht- und Dreischicht-Mineralien. Montmorillonit ist z. B. ein Dreischicht-Silicat. In diesem Fall liegt eine Oktaeder-Schicht zwischen zwei Tetraeder-Schichten. Solch eine Abfolge bildet dann die so genannte Silicat-Schicht. Das Aufeinanderreihen der Silicat-Schichten entsteht durch den Austausch von Silicium-Ionen Si4+) durch Aluminium-Ionen (Al3+). Zwischen den Schichten befinden sich Wassermoleküle und, um die überschüssige Ladung zu kompensieren, diverse Kationen (z. B. Na+, K+, Ca2+). Durch elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den Kationen und den Aluminium-Ionen werden die Silicat-Schichten zusammengehalten.

Tonminerale können diese Kationen gegen andere positiv geladene Ionen austauschen. In reinem Wasser ist immer ein gewisser Teil von Protonen enthalten (Eigendissoziation des Wassers). In Berührung mit Wasser kann ein Tonmineral daher seine Metall-Kationen gegen Protonen austauschen. Er wirkt als Festkörperbase, da Hydroxid-Ionen entstehen, die eine alkalische Lösung ergeben.

Ton-Na in Wasser

Unter Festkörpersäuren versteht man solche Tonmineralien, die Protonen abgeben können. Ein Beispiel ist der natürlich vorkommende Montmorillonit. (Man nennt ihn auch Bleicherde.) In diesen Tonen sind zwischen den Alumosilicat-Schichten Protonen eingelagert. Sie können gegen Metall-Kationen ausgetauscht werden.

Ton-H in Wasser 
und Natriumchlorid

Die Zugabe von Salzen fördert somit die Freisetzung von Hydronium-Ionen. Damit wird die umgebende Lösung deutlich saurer (-> Versuch 1). Man nennt diese Mineralien folglich H-Tone. Sie werden von der Industrie unter anderem auch in der Katalysetechnik verwendet. In den Böden tragen sie zur Versauerung bei.


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Letzte Überarbeitung: 11. April 2007, Dagmar Wiechoczek