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<!DOCTYPE html>

<title>Substitution (Mineralogie)</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Substitution (Mineralogie)</span></h1>

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</div>

<div id="mw-content-text" class="mw-body-content mw-content-ltr" lang="de" dir="ltr"><div class="mw-content-ltr mw-parser-output" lang="de" dir="ltr"><p>Als <b>Substitution</b> (<i>Austausch</i>) bezeichnet man in der <a href="Mineralogie" title="Mineralogie">Mineralogie</a> das Ersetzen eines <a href="Chemisches_Element" title="Chemisches Element">chemischen Elements</a> in der <a href="Kristallstruktur" title="Kristallstruktur">Kristallstruktur</a> durch ein anderes. Die zugrunde liegende <a href="Chemische_Reaktion" title="Chemische Reaktion">chemische Reaktion</a> heißt <a href="Substitutionsreaktion" title="Substitutionsreaktion">Substitutions- oder Austauschreaktion</a>.

</p><p>Je nach Anzahl der Gitterplätze eines <a href="Kristall" title="Kristall">Kristalls</a>, die vom Austausch betroffen sind, unterscheidet man

</p>

<ul><li>die einfache Substitution, auch <b>Diadochie</b> genannt, und</li>

<li>die gekoppelte Substitution.</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Grundlagen">Grundlagen</h2></div>

<p>Zur Beschreibung der chemischen Zusammensetzung von <a href="Mineral" title="Mineral">Mineralen</a> werden üblicherweise <a href="Idealisierung_(Physik)" title="Idealisierung (Physik)">idealisierte</a> <a href="Summenformel" title="Summenformel">Summenformeln</a> aufgestellt, z. B. Mg<sub>2</sub>SiO<sub>4</sub> für <a href="Forsterit" title="Forsterit">Forsterit</a>. In der Realität wird man bei <a href="Chemische_Analyse" class="mw-redirect" title="Chemische Analyse">chemischen Analysen</a> aber stets auch andere Elemente in natürlichen Kristallen finden, in diesem Beispiel etwa <a href="Eisen" title="Eisen">Eisen</a> (Fe).

</p><p>Ob ein Element (in Mineralen praktisch immer in Form eines <a href="Ion" title="Ion">Ions</a>) in ein Kristallgitter eingefügt werden kann, hängt ab von seinem Radius, seiner <a href="Elektrische_Ladung" title="Elektrische Ladung">elektrischen Ladung</a> sowie seinem <a href="Chemische_Bindung" title="Chemische Bindung">Bindungs</a>charakter: allgemein sind Elemente mit ähnlichem <a href="Ionenradius" title="Ionenradius">Ionenradius</a> und gleicher <a href="Ionenladung" class="mw-redirect" title="Ionenladung">Ionenladung</a> im Kristallgitter eines Minerals austauschbar.

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

</p><p>Die einzelnen Zusammensetzungen einer solchen Mischreihe werden in der Literatur häufig in Form eines <a href="Molenbruch" class="mw-redirect" title="Molenbruch">Molenbruches</a> angegeben, der den prozentualen Stoffmengenanteil eines Endgliedes nennt, z. B. Fo<sub>70</sub> für einen Olivin-Mischkristall mit 70 % Forsterit (Fo) (und entsprechend 30 % Fayalit).

</p><p>Ob und in welchem Umfang eine theoretisch mögliche Substitution im Einzelfall stattfindet, hängt stark von den <a href="Geologie" title="Geologie">geologischen Gegebenheiten</a> ab und kann Aufschluss über die Entstehungsbedingungen des Minerals und des Gesteins (<a href="Petrogenese" class="mw-redirect" title="Petrogenese">Petrogenese</a>) geben.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Substitutionstypen">Substitutionstypen</h2></div>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Einfache_Substitution">Einfache Substitution</h3></div>

<p>Hier wird ein Element A mit der Ladung <i>n</i> durch ein Element B mit identischer Ladung <i>n</i> auf demselben Gitterplatz ersetzt (diadocher Ersatz). Die verallgemeinerte Substitutionsreaktion lautet

</p>

<div class="mw-heading mw-heading4"><h4 id="Beispiele">Beispiele</h4></div>

<dl><dd><dl><dd><b>Mg<sup>2+</sup><sub>2</sub></b>SiO<sub>4</sub> ↔ <b>Fe<sup>2+</sup><sub>2</sub></b>SiO<sub>4</sub> (Forsterit ↔ Fayalit; <a href="Olivin" class="mw-redirect" title="Olivin">Olivin</a>-Reihe)</dd></dl></dd></dl>

<dl><dd><dl><dd><b>K<sup>+</sup></b>AlSi<sub>3</sub>O<sub>8</sub> ↔ <b>Na<sup>+</sup></b>AlSi<sub>3</sub>O<sub>8</sub> (<a href="Orthoklas" title="Orthoklas">Orthoklas</a> ↔ <a href="Albit" title="Albit">Albit</a>; <a href="Alkalifeldspat" class="mw-redirect" title="Alkalifeldspat">Alkalifeldspat</a>-Reihe)</dd></dl></dd></dl>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Gekoppelte_Substitution">Gekoppelte Substitution</h3></div>

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

</p>

<p>Eine gekoppelte Substitution kann für beliebig viele Elemente formuliert werden und stellt in natürlichen Systemen den Normalfall dar (reelle chemische Formel). Die Gesamtladung pro <a href="Formeleinheit" title="Formeleinheit">Formeleinheit</a> bleibt jedoch stets gleich. An der Substitution können sowohl <a href="Kation" title="Kation">Kationen</a> als auch <a href="Anion" title="Anion">Anionen</a> beteiligt sein.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading4"><h4 id="Beispiele_2">Beispiele</h4></div>

<dl><dd><dl><dd><b>Mg<sup>2+</sup><sub>7</sub>Si<sup>4+</sup><sub>8</sub></b>O<sub>22</sub>OH ↔ <b>Mg<sup>2+</sup><sub>6</sub>Al<sup>3+</sup><sub>2</sub>Si<sup>4+</sup><sub>7</sub></b>O<sub>22</sub>OH (Tschermak-Austausch in <a href="Amphibolgruppe" title="Amphibolgruppe">Amphibolen</a>)</dd></dl></dd></dl>

<dl><dd><dl><dd><b>Na<sup>+</sup>Al<sup>3+</sup>Si<sup>4+</sup><sub>3</sub></b>O<sub>8</sub> ↔ <b>Ca<sup>2+</sup>Al<sup>3+</sup><sub>2</sub>Si<sup>4+</sup><sub>2</sub></b>O<sub>8</sub> (Albit ↔ <a href="Anorthit" title="Anorthit">Anorthit</a>; <a href="Plagioklas" class="mw-redirect" title="Plagioklas">Plagioklas</a>-Reihe)</dd></dl></dd></dl>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Häufige_Kombinationen"><span id="H.C3.A4ufige_Kombinationen"></span>Häufige Kombinationen</h2></div>

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

</p><p>Bei <i>einfachen Substitutionen</i>:

</p>

</td>

</td>

</td>

<td rowspan="2">z. B. in folgenden <a href="Mineralgruppe" title="Mineralgruppe">Mineralgruppen</a>:<br><a href="Feldspat" title="Feldspat">Feldspäte</a>, <a href="Zeolithgruppe" title="Zeolithgruppe">Zeolithe</a>, Amphibole

</td></tr>

<tr>

<td><b>Ionenradius</b>

</td>

</td>

<td>1,32 Å

</td></tr></tbody></table>

</td>

</td>

</td>

</td>

</td>

<td rowspan="2">Feldspäte, Zeolithe, Amphibole

</td></tr>

<tr>

<td><b>Ionenradius</b>

</td>

<td>1,26 Å

</td>

<td>1,40 Å

</td>

<td>1,56 Å

</td>

<td>1,31 Å

</td></tr></tbody></table>

</td>

</td>

</td>

</td>

<td rowspan="2"><a href="Olivin" class="mw-redirect" title="Olivin">Olivin</a>, <a href="Pyroxen" class="mw-redirect" title="Pyroxen">Pyroxene</a>, <a href="Amphibolgruppe" title="Amphibolgruppe">Amphibole</a>, <a href="Granat" class="mw-redirect" title="Granat">Granate</a>, <a href="Glimmer" class="mw-redirect" title="Glimmer">Glimmer</a>

</td></tr>

<tr>

<td><b>Ionenradius</b>

</td>

<td>0,86 Å

</td>

<td>0,75 

</td>

<td>0,81 Å

</td></tr></tbody></table>

</td>

</td>

</td>

<td rowspan="2">Amphibole, Glimmer, <a href="Epidotgruppe" title="Epidotgruppe">Epidotgruppe</a>

</td></tr>

<tr>

<td><b>Ionenradius</b>

</td>

<td>0,69 Å

</td>

<td>0,68 Å

</td></tr></tbody></table>

</td>

</td>

</td>

<td rowspan="2"><a href="Columbit" title="Columbit">Columbit</a>

</td></tr>

<tr>

<td><b>Ionenradius</b>

</td>

<td>0,78 Å

</td>

<td>0,78 Å

</td></tr></tbody></table>

</td>

</td>

</td>

</td>

<td rowspan="2">Glimmer, Amphibole und Zeolithe

</td></tr>

<tr>

<td><b>Ionenradius</b>

</td>

<td>1,19 Å

</td>

<td>1,67 Å

</td>

<td>1,23 Å

</td></tr></tbody></table>

<p>Bei <i>gekoppelten Substitutionen</i> können folgende Elemente auf einem Gitterplatz ausgetauscht werden (weitere Ersetzungen sind zum Ladungsausgleich notwendig):

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Siehe_auch">Siehe auch</h2></div>

<ul><li><a href="Goldschmidtsche_Regel" title="Goldschmidtsche Regel">Goldschmidtsche Regel</a></li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>

<ul><li>Nesse W.D. (2000): Introduction to Mineralogy - Oxford University Press, ISBN 0-19-510691-1</li></ul></div><div><div class="zim-footer">

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