Über die Entstehung des Auggener Bohnerzjaspis - Georg ...

Georg-Kerschensteiner Schule
Technisches Gymnasium Müllheim
Über die Entstehung des
Auggener Bohnerzjaspis
vorgelegt von
Ekaterina Ditz (18)
Dennis Gramespacher (18)
Marco Schmidlin (13)
jugend forscht
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an der Georg-Kerschensteiner Schule
Technisches Gymnasium Müllheim
ge
c
s
r
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f
1978-2009

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis.........................................................................................................1
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................2
Einleitung.......................................................................................................................3
1 Zur Geologie des Oberrheingrabens ...............................................................4
2 Arbeiten zur Klärung der Entstehungsgeschichte des Auggener
Bohnerzjaspis ....................................................................................................5
2.1 Kieselgel als Modell für einen Jaspis in seiner frühen Entwicklungsphase .........6
2.2 Entstehung der Färbung des Auggener Jaspis....................................................6
2.2.1 Einbau von Eisenionen in ein Kieselgel ...............................................................7
2.2.2 Eindiffusion von Eisenionen in ein Kieselgel........................................................8
2.3 Entstehung der Bänderung des Auggener Jaspis .............................................10
3 Wasserabgabe bei unseren Kieselgelen .......................................................13
4 Danksagung .....................................................................................................14

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Ein Jaspis aus Auggen mit beeindruckender Bänderung. .......................5
Abbildung 2: Kieselgel in das Eisen(III)-sulfat (3 g) bei der Herstellung eingelagert
wurde, und anschließend mit Ammoniaklösung überschichtet wurde (von
links NH3/H2O: 10/10, 5/15, 20/0, Kontrolle nach 3 Monaten). ............................7
Abbildung 3: Kieselgel mit eindiffundierten Eisen(III)-Ionen (1.25 g Eisen(III)sulfat);
links: nach 2 Wochen Diffusion, mitte: Stunden nach der
Überschichtung mit Ammoniak, rechts: nach 3 Monaten. ..................................8
Abbildung 4: Ausfällung von Eisenhydroxid im Gel ohne Basenzusatz, bei der
Verwendung von Eisen(III)-chlorid. .....................................................................9
Abbildung 5: Ein Auggener Jaspis mit besonders ausgeprägter Bänderung..............10
Abbildung 6: Liesegangringe in einem Kieselgel (Eisen(III)-sulfat mit Ammoniak
überschichtet), ganz rechts: sich durchdringende Liesegangringe durch
Rissbildung hervorgerufene Bidirektionale Eindiffusion von Ammoniak............11
Abbildung 7: Liesegangringe mit engem Abstand, Entstanden bei der
Verwendung von Eisen(III)-chlorid im Gel und Kalziumhydroxid in der
Überschichtung..................................................................................................12
Abbildung 8: Entstehung von formschönen Gipseinkristallen, bei der Verwendung
von Eisen(III)-sulfat im Gel und Kalziumhydroxid in der Überschichtung..........12
Abbildungsnachweis
Abbildung 1 und 5 stammen von Herrn Fritz Schmidlin, die restlichen Abbildungen
wurden von uns selbst angefertigt.
2

Einleitung
Die Anregung uns mit dem Thema Bohnerzjaspis zu beschäftigen geht auf
Herrn Fritz Schmidlin, dem Opa unseres Gruppenmitglieds Marco Schmidlin
zurück. Fritz Schmidlin beschäftigt sich seit frühester Kindheit mit dem
Auggener Jaspis in allen seinen Facetten.
Im Auggener Ortsteil Hach betreibt Herr Fritz Schmidlin eine Mineraliengalerie.
Man kann dort auch eine beeindruckend große Sammlung fluoreszierender
Mineralien besichtigen. In einer angegliederten Werkstatt bearbeitet er
außerdem eine Vielzahl unterschiedlicher Gesteine u.a zu Schmuck von hoher
Qualität.
In jüngster Zeit brachte er zwei Bücher heraus, die dem Thema Bohnerzjaspis
gewidmet sind. Er geht darin auch auf denkbare Entstehungsbedingungen des
Auggener Jaspis ein.
Man kann verschiedene Hypothesen über die Bildungsbedingungen dieses
Minerals formulieren. Unser Ziel war es, mit Hilfe von Experimenten
möglicherweise eine Reihe von Besonderheiten im Aufbau des Auggener
Bohnerzjaspis erklären zu können, die Rückschlüsse auf die damaligen
Entstehungsbedingungen ermöglichen sollten.
3

1 Zur Geologie des Oberrheingrabens
,,Vor ca. 80 Mill. Jahren begann der Einbruch des Rheingrabens und ist bis
heute noch nicht abgeschlossen. Mit Beginn des Binnenmeeres wurden Teile
des weißen Juras aufgelöst, also auch die darin vorhandenen weißen
Jaspisknollen.“ 1 Beim Abbau des Kalksteins im Isteiner Steinbruch findet man
somit regelmäßig weiße Jaspisknollen. Auf der Gemarkung Auggen gibt es
Bohnerzvorkommen (also Eisenerz), die für die Farbe des dort vorkommenden
Jaspis verantwortlich sind. Man spricht deshalb auch vom Bohnerzjaspis. Die
Färbung schwankt zwischen braun (Eisenhydroxid) und rot (Eisenoxid).
Die im Rheingraben befindlichen Thermalquellen (Bad Bellingen, Bad
Krozingen, Badenweiler) sowie Erdverschiebungen im Bereich der Altstadt
Staufen zeigen, die auch heute noch vorhandenen geologischen Aktivitäten an
(im letzten Fall sogar vom Mensch initiiert).
1
Fritz Schmidlin, „Bohnerzjaspis, Entstehung – Faszination“, J.H.Röll Verlag, Dettelbach, 2004,
Bd. 1, 8.
4

2 Arbeiten zur Klärung der Entstehungsgeschichte
des Auggener Bohnerzjaspis
Jaspis ist eine Varietät des mikrokristallinen Silikats Chalcedon, und ist durch
hohe Beimengungen von Verunreinigungen oft intensiv gefärbt. Die
Beimengung von Goethit [Eisenoxyhydrat, FeO(OH)] verursacht eine gelbbraune
Färbung. Hämatit (Eisenoxid, Fe2O3) als Beimengung verursacht
dagegen eine rote Färbung des Jaspis. 2 Grüner Jaspis mit Beimengungen von
Chlorit (ein Alumosilikat) werden in Auggen nicht gefunden 3 .
Abbildung 1: Ein Jaspis aus Auggen mit beeindruckender Bänderung.
2 J. Falbe, M. Regitz (Hrsg.), Römpp Chemielexikon, Thime Verlag Stuttgart, 9. Aufl., 1989.
3 Persönliche Mitteilung von Fritz Schmidlin, Hach/Auggen.
5

Wir hatten die Absicht die Entstehungsgeschichte des Auggener Jaspis zu
erhellen. Wir widmeten uns in unserer Arbeit folgenden Fragen:
- Wie kommt es zur ausgeprägten Braun- und Rotfärbung des Auggener
Jaspis?
- Wie entstehen die dunkel-hellen-Bänderungen im Jaspis?
Um Experimente zu dieser Thematik durchführen zu können, benötigten wir ein
Modellsystem, das das Verhalten von Jaspis in seinem frühen
Entwicklungsstadium zeigen sollte.
2.1 Kieselgel als Modell für einen Jaspis in seiner frühen
Entwicklungsphase
Von Kieselgel ist bekannt, dass es die Diffusionsgeschwindigkeiten von
gelösten Salzen extrem herabsetzt, so dass auch das Kristallwachstum schwer
löslicher Kristalle langsam und in guter Qualität durch eine doppelte Umsetzung
gelingt. 4,5 Die Diffusion ist aber noch nicht so sehr eingeschränkt wie z.B. in
kristallinen oder amorphen Festkörpern wie Steinsalz oder Glas, in denen die
Diffusion praktisch gänzlich zum Erliegen kommt, und Diffusionsprozesse nur
über sehr lange Zeiträume beobachtbar sind.
Wir wollten Kieselgele einsetzen um sie als Modell für einen Jaspis in einem
frühen Entwicklungsstadium zu benutzen, der höhere
Diffusionsgeschwindigkeiten für Salze erlauben sollte als ein völlig gealterter
Jaspis, die aber deutlich kleiner sein sollten als in wässrigen Lösungen. All
diese Kriterien werden von Kieselgel erfüllt. Ein weiterer Vorteil dieser Gele ist
ihre einfache Herstellung aus Natronwasserglas (Na0-4SiO2-4) und Säure.
2.2 Entstehung der Färbung des Auggener Jaspis
Wie oben bereits erwähnt, entsteht Färbungen von Jaspis durch Beimengungen
von Eisenoxid (Fe2O3, rot) und dehydratisiertem Eisenhydroxid [FeO(OH),
braun]. Eine Fragestellung unserer Arbeit war: Wie kommen die
entsprechenden eisenhaltigen Verunreinigungen in den Jaspis?
Es sind zwei Wege möglich:
4 H. K. Henisch, „Crystal Growth in Gels“, Dover Publications, 2 nd Ed. 1996.
5 S. Müller, O. Schäfer, „Synthese von Opalen, Abschließende Projektberichte“, Georg-
Kerschensteiner Schule, Müllheim, 2007, 502-522.
6

- lösliche Eisenverbindungen sind bei der Jaspisentstehung zugegen und
werden in den „jungen“ Jaspis eingelagert.
- oder nach der Entstehung des Jaspis, diffundieren gelöste Eisenverbindungen
in Jaspis und gehen mit der Zeit in die farbgebenden Verbindungen
Eisenhydroxid oder Eisenoxid über.
Wir untersuchten beide Möglichkeiten an einem Modellkieselgel.
2.2.1 Einbau von Eisenionen in ein Kieselgel
Ein Kieselgel in einem Reagenzglas wurde unter Anwesenheit von Eisen(III)sulfat
mit unterschiedlichen Konzentrationen hergestellt und mit verschieden
starken Ammoniaklösungen überschichtet (Abb. 2). 6
Abbildung 2: Kieselgel in das Eisen(III)-sulfat (3 g) bei der Herstellung eingelagert wurde, und
anschließend mit Ammoniaklösung überschichtet wurde (von links NH3/H2O: 10/10, 5/15, 20/0,
Kontrolle nach 3 Monaten).
Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass keine Braunfärbung durch
Eisenhydroxid zu beobachten war, im Gegenteil es war sogar eine Aufhellung
der vormals gelben Gele feststellbar (je mehr Ammoniak, desto heller). Der
Befund, dass freie Eisenionen nicht mit Kaliumthiocyanat [bildet mit Eisen(III)-
Ionen das tiefrote Fe(SCN)3] nachweisbar waren, legt den Schluss nahe, dass
6 Herstellungsvorschrift: Eine salzsaure wässr. Lösung (14 ml 32%ige Salzsäure in 200 ml
Wasser) von Ameisensäure [1 ml, 85% (v/v)] und Eisen(III)-sulfat (Riedel-DeHaën,
entwässert, Eisengehalt: 21-23%; 1.0 g, 3.0 g bzw. 5.0 g) wurde unter unter pH-Kontrolle
langsam bei Raumtemp. mit einer Lösung von Natronwasserglas (Merck, 60 ml) in 150 ml
Wasser versetzt, bis ein pH-Wert von 4.5 erreicht war. Nach Überführung der Lösung in fünf
100 ml Reagenzgläser wurde 24 h lang bei Raumtemp. gelieren gelassen. Nach dem
Gelieren wurden die vier der jeweils fünf Reagenzgläser mit unterschiedlich starken
7

das Eisen chemisch nicht mehr nachweisbar in die Gelstruktur eingebaut
wurde, und so kein Eisenhydroxid mehr gebildet werden kann.
2.2.2 Eindiffusion von Eisenionen in ein Kieselgel
Als nächstes untersuchten wir das Verhalten von unterschiedlich konzentrierten
Eisen(III)-sulfatlösungen
Modellkieselgel.
bezüglich ihres Diffusionsverhaltens in unser
7
Abbildung 3: Kieselgel mit eindiffundierten Eisen(III)-Ionen (1.25 g Eisen(III)-sulfat); links: nach
2 Wochen Diffusion, mitte: Stunden nach der Überschichtung mit Ammoniak, rechts: nach 3
Monaten.
Ammoniak-Lösungen überschichtet {5/10/15 bzw. 20 ml Ammoniaklösung [25% (m/m)] und
15/10/5 bzw. 0 ml Wasser}.
7 Herstellungsvorschrift: Eine wässr. Lösung von HCl (14 ml 32%ige Salzsäure in 200 ml
Wasser) und Ameisensäure [1 ml, 85% (v/v)] wurde unter unter pH-Kontrolle langsam bei
Raumtemp. mit einer Lösung von Natronwasserglas (Merck, 60 ml) in 150 ml Wasser
versetzt, bis ein pH-Wert von 4.5 erreicht war. Nach Überführung der Lösung in fünf 100 ml
Reagenzgläser wurde 24 h lang bei Raumtemp. gelieren gelassen. Nach dem Gelieren
wurden die Gele mit einer Eisen(III)-sulfat-Lösung (Riedel-DeHaën, entwässert, Eisengehalt:
21-23%: 0.25 g, 0.75 g und 1.25 g) in je 5 ml Wasser und 0.12 ml konz. H2SO4
überschichtet. Nach zwei Wochen wurde mit Ammoniaklösung [25% (m/m)] überschichtet.
8

Diese Experimente zeigen zum einen, dass im stark Sauren (Zusatz von
Schwefelsäure) Eisen(III)-Ionen in das Kieselgel eindiffundieren, und bei
Basenzugabe Eisenhydroxid im Gel ausgefällt wird. Die dabei gemachte
Beobachtung, dass Eisen(III)-Ionen förmlich aus dem Gel herausgezogen
werden (Aufhellung des Gels im unteren Bereich) ist an dieser Stelle
erwähnenswert.
Abbildung 4: Ausfällung von Eisenhydroxid im Gel ohne Basenzusatz, bei der Verwendung
von Eisen(III)-chlorid.
Bei der Verwendung von Eisen(III)-chlorid 8 wird schon ohne Basenzusatz im
unteren Bereich der Reagenzgläser braunes Eisenhydroxid ausgefällt, was
wohl auf die geringeren Protonenkonzentration durch die Salzsäure
zurückgeführt werden kann (Abb. 4).
Festzuhalten ist, dass Eisen(III)-Ionen nur in erheblich saurem Milieu in
Kieselgele eindiffundieren können, da es sonst zur Ausfällung von
Eisenhydroxid kommt.
Von der Geologie des Rheingrabens her, spricht nichts gegen die Möglichkeit,
dass Eisen(III)-Ionen durch Säuren (z. B. Schweflige Säure aus SO2) aus
8 Vorschrift wie bei 7 mit folgenden Änderungen: Verwendung von Eisen(III)-chlorid (wasserfrei)
(1.75 g) in Wasser (5 ml) und Salzsäure [32% (m/m), 0.12 ml] als erste
Überschichtungslösung. Ohne Überschichtung von Ammoniak.
9

oxidischen Eisenerzen freigesetzt wurden. In Schwefliger Säure löst sich
Bohnerz aus Auggen merklich. 9
2.3 Entstehung der Bänderung des Auggener Jaspis
Die Entstehung der Hell-Dunkel-Bänderung im Auggener Jaspis zu erhellen
hatten wir uns zur Aufgabe gestellt. Zur Zeit kursieren zwei Theorien darüber,
wie diese Bänderungen entstanden sein könnten:
- Aufwachsen verschiedener Schichten mit unterschiedlicher
Zusammensetzung (Farbe)
- Bänderung durch Liesegangringbildung im noch „jungen“ Jaspis
Abbildung 5: Ein Auggener Jaspis mit besonders ausgeprägter Bänderung.
9 Aus einer mit SO2-gesättigten wässr. Lösung, in dem zwei Wochen lang gepulvertes Bohnerz
lag, konnten Eisen(III)-Ionen sowohl als Berliner Blau als auch Eisenthiocyanat
nachgewiesen werden.
10

Wir untersuchten hauptsächlich die Möglichkeit, ob sich in einem Eisen(III)haltigem
Kieselgel Liesegangringe bilden können. 10
Wir stellten wie oben beschrieben ein Modellkieselgel her, das mit Eisen(III)-
Ionen (aus dem enstsprechenden Sulfat oder Chlorid) beladen wurde. Nach
dem Eindiffundieren wurde das Gel basisch überschichtet.
Abbildung 6: Liesegangringe in einem Kieselgel (Eisen(III)-sulfat mit Ammoniak überschichtet),
ganz rechts: sich durchdringende Liesegangringe durch Rissbildung hervorgerufene
Bidirektionale Eindiffusion von Ammoniak.
Bei Verwendung von Eisen(III)-sulfat und Ammoniak entstanden gut
ausgebildete Liesegangringe im Kieselgel (Abb. 6). Liesegangringe entstanden
ebenfalls bei der Konstellation Eisen-(III)-chlorid/Kalziumhydroxid nur sind in
diesem Fall die Ringe viel enger beieinander und entstehen an der
Geloberfläche (Abb. 7).
Im Fall der Konstellation Eisen(III)-sulfat/Kalziumhydroxid bilden sich nach
mehreren Wochen sehr gut ausgebildete Gipseinkristalle im Kieselgel (Abb. 8).
10 Herstellungsvorschrift: Eine wässr. Lösung von HCl (14 ml 32%ige Salzsäure in 200 ml
Wasser) und Ameisensäure [1 ml, 85% (v/v)] wurde unter unter pH-Kontrolle langsam bei
Raumtemp. mit einer Lösung von Natronwasserglas (Merck, 60 ml) in 150 ml Wasser
versetzt, bis ein pH-Wert von 4.5 erreicht war. Nach Überführung der Lösung in fünf 100 ml
Reagenzgläser wurde 24 h lang bei Raumtemp. gelieren gelassen. Nach dem Gelieren
wurde jedes Reagenzglas mit einer Lösung von Eisen(III)-sulfat (Riedel-DeHaën,
entwässert, Eisengehalt: 21-23%; 2.0 g) und konz. H2SO4 (0.12 ml) in Wasser (5 ml)
überschichtet. Nach zwei Wochen wurde mit Ammoniaklösung [12.5% (m/m)] überschichtet.
11

Abbildung 7: Liesegangringe mit engem Abstand, Entstanden bei der Verwendung von
Eisen(III)-chlorid im Gel und Kalziumhydroxid in der Überschichtung. 11
Abbildung 8: Entstehung von formschönen Gipseinkristallen, bei der Verwendung von
Eisen(III)-sulfat im Gel und Kalziumhydroxid in der Überschichtung. 12
11 10
Versuchvorschrift wie bei mit folgenden Unterschieden: Eisenhaltige
Überschichtungslösung: Eisen(III)-chlorid (wasserfrei, 2.5 g), Salzsäure [32% (m/m), 0.12 ml]
in Wasser (5 ml); Basische Überschichtungslösung: Calciumhydroxidaufschlämmung.
12 10
Versuchvorschrift wie bei mit folgenden Unterschied: Basische Überschichtungslösung:
Calciumhydroxidaufschlämmung.
12

3 Wasserabgabe bei unseren Kieselgelen
Da der Auggener Jaspis im wesentlichem aus wasserfreiem Silikat besteht,
muß ein „Jungjaspis“ nach der Aufnahme der farbgebenden Verunreinigungen
einen erheblichen Wasserverlust durchlaufen haben.
Wir wollten auch diese Wasserabgabe bei unserem Modellkieselgel
nachvollziehen. Dazu wurde bei einem Kieselgel der Salzgehalt (entstanden
durch die Herstellung aus Wasserglas und Säure) durch Waschen mit demin.
Wasser parktisch vollständig entfernt.
Bei Trocknung an der Luft zeigte sich, dass die Wasserabgabe sehr langsam
(über Monate) erfolgen muss, da es sonst zur fortgesetzter Rissbildung kommt,
die die Form zerstört. Das Volumen des Gels kontrahiert im Laufe der Zeit
zunehmend und wird dabei immer härter.
Man kann den Trocknungsvorgang erheblich beschleunigen (auf ein fünftel der
Zeit), wenn man im Autoklav bei 25 bar über Kalziumchlorid (wasserfrei)
trocknet.
Die braunen Eisenhydroxide im Auggener Jaspis gehen beim Glühen unter
Wasserabgabe in rotes Eisenoxid über. 13 Das gleiche Resultat erhielten wir
beim Glühen eines Fragments unserer eisenhydroxidhaltigen getrockneten
Kieselgele.
13
Fritz Schmidlin, „Bohnerzjaspis, Entstehung – Faszination“, J.H.Röll Verlag, Dettelbach, 2004,
Bd. 1, 63.
13

4 Danksagung
Wir danken der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim
Frau Beate Wagner und Herrn Reinhold Berger für ihre rege Anteilnahme am
Fortschritt unserer Forschungen. Ein besonderer Dank gilt unserem
betreuenden Lehrer Herrn Otto Schäfer für seine fachliche und motivierende
Betreuung. Ebenfalls danken wir Herrn Dr. rer. nat. Dipl. chem. Stefan Müller für
die fachliche und textliche Hilfestellung.
Herrn Fritz Schmidlin danken wir für die Bereitstellung von Bildern und
Ausstellungsstücken.
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