2.3. Oktaederabflachung und ditrigonale Verzerrung

16 2.2. Isomorphe Substitution
Werden nun unter Erhalt der Anionengerüststruktur die Kationen X 2+ und Z 4+
durch niederwertigere A + und Y 3+ ersetzt, so spricht man von isomorpher Substitution.
Das Silicatgerüst 8 weist nun eine negative Ladung auf, die durch sog.
Zwischenschichtkationen M z+ kompensiert wird. Die Zwischenschichtkationen besetzen
die hexagonalen Kavitäten zweier aufeinanderfolgender Silicatschichten (Abb. 3).
Man gelangt so zur allgemeinen Formel
M z+
h; 2+
(x+y) X3−xA z hex.
+ x okt. Z4+ 4−yY3+ y
tet. O10 (OH,F) 2
i (x+y)−
eines geladenen Dreischichttonminerals. Der Betrag der negativen Ladungen pro
Formeleinheit wird als Schichtladung bezeichnet.
2.3. Oktaederabflachung und ditrigonale Verzerrung
Die im Abschnitt 2.1 aufgezeigte Struktur stellt ein ideales Silicatgerüst mit hexagonaler
Symmetrie dar. Im gleichen Abschnitt wurde erläutert, daß die Oktaederund
Tetraederlücken durch Kationen, deren Ionenradien in einem bestimmten Intervall
liegen, besetzt werden können. Aus den unterschiedlichen Kationen sowie deren
Ladungen resultieren aber unterschiedliche Bindungslängen dO im Oktaeder und dT
im Tetraeder zwischen den Zentralkationen und den koordinierenden Anionen. Da
Tetraeder- und Oktaederschicht fest aneinander kondensiert sind, muß das System
durch Verzerrung auf die unterschiedlichen Polyederdimensionen reagieren.
Verschiedene Autoren, wie M. Hazen 9 et al., H. Takeda 10 und H. Toraya 11 ,
haben dieses Thema ausführlich diskutiert. Meist greifen sie dabei auf G. Donnay
12 et al. zurück. Deshalb seien hier seine Definitionen angeführt. Der Ausgleich
zwischen Tetraeder- und Oktaederschicht erfolgt über die Anpassung der a- und b-
Achsendimensionen einer jeden Schicht, wobei das Achsenverhältnis b a p 3 erhalten
bleibt.
Bei der Oktaederschicht geschieht dies durch die Vergrößerung der parallel zur
b-Achse verlaufenden Oktaederkanten (Abb. 4). Das Oktaeder verzerrt zum trigonalen
Antiprisma. Da die Oktaederschicht dadurch flacher wird, spricht man hier
von Oktaederabflachung. Den Grad der Verzerrung beschreibt man durch den sog.
Oktaederabflachungswinkel Ψ. Dies ist der Winkel zwischen der zur c ∗ -Achse parallelen
Flächennormalen und der Raumdiagonalen des Oktaeders. Im idealen Oktaeder
8 Man bezeichnet das starre, durch die Anionen vorgegebene Gerüst meist als Silicatgerüst, da
die Tetraederlücken häufig mit Si 4+ Kationen besetzt sind.
9 R.M. Hazen, The Effect of Cation Substitutions on the Physical Properties of Trioctahedral
Micas, American Mineralogist, 57, (1972), 103 – 129
10 H. Takeda, B. Morosin, Comparison of Observed and Predicted Structual Parameters of Mica
at High Temperature, Acta Cryst., B31, (1975), 2444 – 2452
11 H. Toraya, Distortions of Octahedra and Octahedral Sheets in 1 M Micas and the Relation to
their Stability, Zeitschrift für Kristallographie, 157, (1981), 173 – 190
12 G. Donnay, J.D.H. Donnay, H. Takeda, Trioctahedral One-Layer Micas. II. Prediction of the
Structure from Composition and Cell Dimensions, Acta Cryst., 17, (1964), 1374 – 1381

2. Tonminerale 17
√
2
beträgt Ψ = arcsin √ =54.74
3 ◦ . Berücksichtigt man die beobachtete b-Achse, so
erhält man als Grad der Verzerrung
Ψ=arcsin
p b
3 p 3 dO
Man sieht leicht, daß für b>bideal der Winkel Ψ > 54.74 ◦ wird.
Abb. 4. Schematische Darstellung der Oktaederab achung 9 . Blick auf die 001 Ebene.
Abb. 5. Schematische Darstellung der ditrigonalen Verzerrung 9 . Blick auf die 001 Ebene.
.

18 2.3. Oktaederabflachung und ditrigonale Verzerrung
Im Gegenzug zur Expansion der b-Dimension der Oktaederschicht findet in der
Tetraederschicht eine Kontraktion der b-Achse statt. Dies geschieht, indem unter
Erhalt der monoklinen Spiegelebene sowie unter Wahrung des Achsenverhältnisses
b a p 3 je zwei benachbarte Tetraeder gegensätzlich um den Winkel α verdreht
werden (Abb. 5). Die hexagonale Symmetrie (α =0 ◦ ) geht dabei in eine ditrigonale
über. Man spricht deshalb auch von ditrigonaler Verzerrung. UnterBerücksichtigung
des Bindungsabstandes dT und der beobachteten b-Achse erhält man den Grad der
Verzerrung als
α = arccos
p b
4 p 2 dT
Man erkennt wiederum sehr schnell, daß für b 0 ◦ wird.
Abbildung 5 zeigt sehr schön, daß bei α =30 ◦ die maximale Kontraktion der b-Achse,
nämlich auf 86.6 % der idealen Größe, erreicht wird.
2.4. Stapelfehlordnungen
Wie in Abschnitt 2.1 beschrieben wurde, werden die Silicatschichten in Richtung der
c∗-Achse gestapelt. Im Vergleich zur starren, durch kovalente Bindungen aufgebauten
Silicatschicht sind die Wechselwirkungen der einzelnen Schichten untereinander
relativ schwach. Bei ungeladenen Tonmineralen liegen nur Dipol- und Van-der-Waals
Wechselwirkungen vor. Liegen geladene Dreischichttonminerale vor, so kommen elektrostatische
und sterische Wechselwirkungen hinzu.
Aufgrund dieser vergleichsweise schwachen Wechselwirkungen kommt es zu Stapelfehlordnungen.
Man unterscheidet mehrere Grade der Fehlordnung. Ausgangspunkt
ist eine reguläre Stapelung, wie sie bei Anwesenheit eines sehr gut in die hexagonalen
Vertiefungen passenden Kations, wie z.B. K + auftreten kann. Der nächste Schritt
geht zu einer halbzufälligen Stapelung über. Dabei ist die nachfolgende Schicht um
einen festen Winkel in Einheiten von n 60◦ oder n 120◦ gegenüber der ersten verdreht,
oder um einen festen Betrag, z.B. n b/3 in eine Richtung verschoben. Den
Extremfall der Stapelfehlordnung stellt die zufällige Stapelung dar. In diesem Fall
spricht man von turbustratischer Stapelung.
2.5. Klassifizierung der Tonminerale
Anhand des Schichttyps (Abschn. 2.1) und der Schichtladung (Abschn. 2.2) lassen sich
die Tonminerale in acht Hauptgruppen unterteilen, von denen jede wiederum in eine
di- und trioktaedrische Untergruppe aufgespalten wird (Tab. 1). Die Unterscheidung
zwischen di- und trioktaedrischen Tonmineralen bezieht sich auf die Besetzung der
Oktaederlücken. Bei dioktaedrischen Tonmineralen sind nur 2/3 der Oktaederlücken
besetzt.
Ein anderes Unterscheidungskriterium bezieht sich auf das Kationenaustauschvermögen
der Tonminerale des Schichttyps 2:1. Während Smectite und Vermiculite
alle Zwischenschichtkationen gegen andere austauschen, werden bei den Illiten und
Glimmern nur die an den Schichträndern befindlichen Kationen ausgetauscht.
Zur Gruppe der Chlorite sei nur erwähnt, daß anstelle der Zwischenschichtkationen
Einfachschichten kantenverknüpfter M (O, (OH, F)) 6 -Oktaeder eingelagert sind.
.