Chemische Grundlagen sind die Basis für einen großen Teil der Geowissenschaften. Studierende der Geowissenschaften benötigen daher zunehmend ein solides Verständnis der chemischen Grundlagen, um ihr Studium erfolgreich zu absolvieren. Die erweiterte zweite Auflage dieses beliebten Lehrbuchs führt die Studenten in diese "georelevante" Chemie ein, die in demselben klaren und verständlichen Stil wie die Vorauflage präsentiert wird. Die neue Auflage wurde jedoch um den Bereich der Umweltgeowissenschaften erweitert und enthält ein neues Kapitel, in dem die Isotopengeochemie vorgestellt wird.
Das Buch umfasst drei große, gegliederte Teile. Der erste (Kapitel 1-4) befasst sich mit der grundlegenden physikalischen Chemie geologischer Prozesse. Der zweite Teil (Kapitel 5-8) führt in die wellenmechanische Sicht auf das Atom ein und erklärt die verschiedenen Arten chemischer Bindungen, die den Materialien der Erde ihre vielfältigen und charakteristischen Eigenschaften verleihen. Die Schlusskapitel (9-11) geben einen Überblick über die geologisch relevanten Elemente und Isotope und erklären ihre Entstehung und ihre Häufigkeit im Kosmos und auf der Erde. Das Buch schließt mit einem umfangreichen Glossar von Begriffen; die Anhänge behandeln grundlegende Mathematik, erklären die grundlegende Lösungschemie und listen die chemischen Elemente und die im Buch verwendeten Symbole, Einheiten und Konstanten auf.
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Author(s): Robin Gill; Florian Neukirchen
Edition: 2
Publisher: Springer Spektrum
Year: 2020
Language: German
Pages: 290
Vorwort
Danksagung
Inhaltsverzeichnis
1 Energie in geochemischen Prozessen
1.1 Einführung
Kasten 1.1 Was ist Energie?
1.2 Energie in mechanischen Systemen
Kasten 1.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik
1.3 Energie in chemischen Systemen und Mineralen: Gibbs-Energie
1.3.1 Einheiten
1.3.2 Änderungen der Gibbs-Energie
Kasten 1.3 Einige Eigenschaften der Entropie
1.4 Stabile, instabile und metastabile Minerale
Weiterführende Literatur
2 Gleichgewicht in geologischen Systemen
2.1 Die Bedeutung der Mineralstabilität
Kasten 2.1 Phasengleichgewichtsexperimente mit Mineralen
2.2 Systeme, Phasen und Komponenten
2.2.1 System
2.2.2 Phase
2.2.3 Komponente
2.3 Gleichgewicht
2.3.1 Thermisches Gleichgewicht
2.3.2 Chemisches Gleichgewicht
2.3.3 Die Gibbs’sche Phasenregel
2.4 Phasendiagramme im P–T-Raum
2.4.1 Pv-T-Diagramme
2.4.2 Das Prinzip von Le Chatelier
2.4.3 Die Clapeyron-Gleichung
Kasten 2.2 Weitere Phasendiagramme von Einkomponentensystemen
2.5 Phasendiagramme im T-χ-Raum
2.5.1 Kristallisation in Systemen ohne Mischkristalle
2.5.2 Kristallisation in Systemen mit Mischkristallen
2.5.3 Der Solvus und Entmischung
Kasten 2.3 Das Hebelgesetz
Kasten 2.4 Partielles Aufschmelzen I: Schmelzbildung im Labor
Kasten 2.5 Partielles Aufschmelzen II: Schmelzbildung im Mantel
Kasten 2.6 Reaktionspunkte und inkongruentes Schmelzen
2.6 Ternäre Phasendiagramme
2.6.1 Ternäres Phasendiagramm ohne Mischkristall
2.6.2 Ternäres Phasendiagramm mit Mischkristall
Kasten 2.7 Wie ein ternäres Diagramm funktioniert
2.7 Zusammenfassung
Übungen
Literatur
3 Kinetik geologischer Prozesse
Kasten 3.1 Ungleichgewichtsstrukturen
3.1 Definition der Reaktionsgeschwindigkeit
3.1.1 Ratengleichung
3.1.2 Heterogene Reaktionen
3.1.3 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit
3.1.4 Photochemische Reaktionen
Kasten 3.2 Kinetik des radioaktiven Zerfalls I: das Rb–Sr-System
Kasten 3.3 Kinetik des radioaktiven Zerfalls II: das U-Th-Pb-System
Kasten 3.4 Was bedeutet Aktivierungsenergie auf atomarer Ebene?
3.2 Diffusion
3.2.1 Festkörperdiffusion
3.2.1.1 (Intrakristalline) Volumendiffusion
3.2.1.2 (Interkristalline) Korngrenzendiffusion
Kasten 3.5 Diffusions- und Abkühlungsrate: Anwendungen bei Meteoriten
3.3 Schmelzviskosität
3.4 Haltbarkeit von metastabilen Mineralen und Schließungstemperatur
3.5 Zusammenfassung
Übungen
Literatur
4 Wässrige Lösungen und die Hydrosphäre
Kasten 4.1 Die besonderen Eigenschaften von Wasser
4.1 Möglichkeiten, die Konzentrationen von Hauptbestandteilen auszudrücken
4.1.1 Lösungen
4.1.2 Feststoffe
4.1.3 Gase
4.2 Gleichgewichtskonstante
4.2.1 Löslichkeit und das Löslichkeitsprodukt
4.2.1.1 Wechselwirkung zwischen gelösten Ionen: der Effekt des gemeinsamen Ions
4.2.2 Andere Arten von Gleichgewichtskonstanten
4.2.2.1 Löslichkeit eines Gases
4.2.2.2 Dissoziation von schwachen Säuren
Kasten 4.2 Der Einfluss der Temperatur auf die Gleichgewichtskonstanten
Kasten 4.3 Die Spezies der Kohlensäure unter Einfluss des pH-Wertes
4.3 Nicht ideale Lösungen: Aktivitätskoeffizient
4.3.1 Ionenstärke
4.4 Natürliche Wässer
4.4.1 Flusswasser: Debye-Hückel-Theorie
4.4.2 Meerwasser
4.4.2.1 pH-Wert des Meerwassers: Carbonatgleichgewichte und Pufferung
4.4.3 Sole und hydrothermale Fluide
Kasten 4.4 Kolloide
Kasten 4.5 Bildung von Ionenpaaren im Meerwasser
Kasten 4.6 Fluideinschlüsse in Mineralen
4.5 Oxidation und Reduktion: Eh-pH-Diagramme
4.5.1 Fallstudie Bangladesch – Arsen in Grundwasser und Trinkwasser
Kasten 4.7 Oxidation und Reduktion (Redoxreaktionen) und Eh
Kasten 4.8 Trinkwasserqualität
Übungen
Literatur
5 Elektronen in Atomen
5.1 Warum muss ein Geologe Atome verstehen?
Kasten 5.1 Einheiten der Atomgröße
5.2 Das Atom
5.2.1 Die Mechanik der Atomteilchen
Kasten 5.2 Was ist eine Welle?
Kasten 5.3 Beugung
5.3 Stehende Wellen
5.3.1 Harmonische Schwingung
5.4 Elektronenwellen in Atomen
5.5 Die Formen der Orbitale
5.5.1 s-Orbitale
5.5.2 p-Orbitale
5.5.3 d-Orbitale
5.5.4 f-Orbitale
5.6 Energieniveaus der Elektronen
5.6.1 Atome mit mehreren Elektronen
5.6.2 Elektronenkonfigurationen
Kasten 5.4 Die wichtigsten Grundlagen
5.7 Zusammenfassung
Übungen
Literatur
6 Was wir aus dem Periodensystem lernen können
Kasten 6.1 Chemische Symbole
6.1 Ionisierungsenergie
6.2 Das Periodensystem der Elemente
6.3 Elektronegativität
6.4 Wertigkeit
Kasten 6.2 Untergruppen und Blöcke
6.5 Atomspektren
6.5.1 Röntgenspektren
6.5.1.1 Z-Abhängigkeit der Röntgenspektren: Moseley’sches Gesetz
Kasten 6.3 Licht und andere Formen der elektromagnetischen Strahlung
Kasten 6.4 Die Elektronenstrahlmikrosonde
6.6 Zusammenfassung
Übungen
Literatur
7 Chemische Bindung und die Eigenschaften von Mineralen
7.1 Das Modell der ionischen Bindung
7.1.1 Ionenkristalle: Stapelung von Kugeln in drei Dimensionen
7.1.2 Ionenradius
7.1.3 Das Ionenradienverhältnis und seine Anwendungen
Kasten 7.1 Gleichgewichtsabstand der Ionen
Kasten 7.2 Ionenradien von geologisch wichtigen Elementen
7.2 Das Modell der kovalenten Bindung
7.2.1 σ- und π-Bindungen
7.2.2 Kovalente Kristalle
7.2.3 Molekülform und Hybridisierung
7.2.4 Die Komplexbindung
Kasten 7.3 Der Mechanismus der kovalenten Bindung
Kasten 7.4 Fallstudie: Bindung in Graphit und Graphen
Kasten 7.5 Lewissäuren und -basen
7.3 Metalle und Halbleiter
7.3.1 Halbleiter
Kasten 7.6 Die Energieniveaus im Metall Lithium
7.4 Bindung in Mineralen
7.4.1 Ionenpolarisation: nichtideale ionische Bindungen
7.4.2 Polarisierte kovalente Bindung und Ionizität
7.4.3 Bindungen in Silicaten
7.4.4 Oxoanionen
7.4.5 Reine Elemente, Legierungen und Sulfide
7.5 Andere Arten von atomarer und molekularer Wechselwirkung
7.5.1 Ion-Dipol-Wechselwirkungen und Hydratation
7.5.2 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen: Wasserstoffbrückenbindung
7.5.3 Induzierte Dipole und Van-der-Waals-Wechselwirkungen
Kasten 7.7 Abschätzung der Bindungsstärke
7.6 Zusammenfassung
Übungen
Literatur
8 Silicatkristalle und -schmelzen
8.1 Silicatstrukturen
8.1.1 Inselsilicate
8.1.2 Gruppensilicate
8.1.3 Einfachkettensilicate
8.1.4 Ringsilicate
8.1.5 Doppelkettensilicate
8.1.6 Schichtsilicate
8.1.7 Gerüstsilicate
Kasten 8.1 Saure und basische Oxide
Kasten 8.2 Tonminerale und Ionenaustausch
Kasten 8.3 Silicatschmelzen
8.2 Kationenplätze in Silicaten
8.2.1 Berechnung der Gitterplatzbelegung
8.2.1.1 Analyse von Olivin
8.2.1.2 Analyse von Amphibol
8.2.2 Auswirkungen der Kationensubstitution
8.2.2.1 Gekoppelte Substitution
Kasten 8.4 Merkmale einer Silicatanalyse
Kasten 8.5 Gitterplätze in Pyroxenen und Amphibolen
8.3 Optische Eigenschaften von Kristallen
8.3.1 Brechungsindex
8.3.2 Farbe und Absorption
8.3.3 Reflexionsvermögen
8.3.4 Anisotropie
8.4 Defekte in Kristallen
8.4.1 Kristallwachstum
8.4.2 Mechanische Festigkeit von Kristallen
Übungen
Literatur
9 Geologisch wichtige Elemente
9.1 Haupt- und Spurenelemente
9.1.1 Hauptelemente
9.1.2 Spurenelemente
9.2 Alkalimetalle
9.2.1 Radioaktive Isotope der Alkalimetalle
Kapitel 9.1 Inkompatible Elemente
9.3 Wasserstoff
9.4 Erdalkalimetalle
Kasten 9.2 Lithium, Beryllium und Bor
9.5 Aluminium
Kasten 9.3 Hydrolyse
9.6 Kohlenstoff
9.6.1 Organischer Kohlenstoff
9.6.1.1 Kohlenwasserstoffe
9.6.1.2 Kohlenhydrate
9.6.1.3 Säuren, Aminosäuren und Proteine
9.6.2 Anorganischer Kohlenstoff
9.6.2.1 Kohlenstoffdioxid
9.6.3 Kohlenstoffisotope
Kasten 9.4 Notation für organische Moleküle
Kasten 9.5 Chlorophyll
Kasten 9.6 Neue Formen von Kohlenstoff
Kasten 9.7 Molekülspektren und Treibhausgase
9.7 Silicium
9.8 Stickstoff und Phosphor
9.9 Sauerstoff
9.10 Schwefel
9.10.1 Reduzierte Schwefelverbindungen
9.10.2 Oxidierte Schwefelverbindungen
Kasten 9.8 Sulfidminerale
9.11 Halogene
9.11.1 Fluor
9.11.2 Chlor, Brom und Jod
9.12 Edelgase
Kasten 9.9 Radon
9.13 Übergangsmetalle
Kasten 9.10 Übergangsmetalle und die Farbe der Minerale
9.14 Seltenerdelemente
9.15 Actinoide
Übung
Literatur
10 Was können wir von den Isotopen lernen?
Kasten 10.1 Die Nuklidkarte
10.1 Isotopensysteme
10.1.1 Radiogene Isotopensysteme
10.1.2 Stabile Isotopensysteme
10.1.3 Kosmogene Radioisotopensysteme
10.2 Radiogene Isotopensysteme
10.2.1 K-Ar-Geochronologie
10.2.2 Rb-Sr-Geochronologie
10.2.2.1 Das Isochronendiagramm
10.2.2.2 Das ursprüngliche Sr-Isotopenverhältnis charakterisiert die Herkunft eines Magmas
10.2.2.3 Datierung von känozoischen Sedimenten unter Verwendung von 87Sr/86Sr
10.2.3 Das radiogene Isotopensystem Sm–Nd
10.2.3.1 Sr- und Nd-Isotopensignaturen junger ozeanischer Vulkane: Kartierung geochemischer Reservoire im Mantel
Kasten 10.2 Massenspektrometrie
Kasten 10.3 Die 40Ar/39Ar-Datierung als Lösung für die Probleme der 40K-40Ar-Datierung
Kasten 10.4 Herleitung der Isochronengleichung
10.3 Stabile Isotopensysteme
10.3.1 Notation
10.3.2 Wasserstoff- und Sauerstoffisotope – Schlüssel zum Klima der Vergangenheit
10.3.2.1 Der terrestrische Wasserkreislauf
10.3.2.2 Paläothermometrie und Paläoklimatologie mit stabilen Isotopen
10.3.3 Stabile Kohlenstoffisotope – Anzeichenvon frühem Leben erkennen
10.3.4 Massenunabhängige Fraktionierung von Schwefelisotopen
10.3.5 Stabile Isotope der Übergangsmetalle
10.4 Kosmogene Radioisotopensysteme
10.4.1 Radiokohlenstoffdatierung
10.4.2 Berylliumisotope
10.5 Zusammenfassung
Übungen
Literatur
11 Die Elemente im Universum
11.1 Die Bedeutung der Elementhäufigkeit
11.2 Messung der Elementhäufigkeit im Universum und im Sonnensystem
11.2.1 Spektralanalyse
11.2.2 Analyse von Meteoriten
11.2.2.1 Primitive Meteoriten
11.2.2.2 Differenzierte Meteoriten
11.2.3 Dunkle Materie
Kasten 11.1 Klassifizierung der Meteoriten
11.3 Die Elementhäufigkeit im Sonnensystem
11.4 Elemententstehung im Universum
11.4.1 Der Urknall
11.4.2 Sterne
11.4.3 Supernovae
Kasten 11.2 Kernfusion und Kernspaltung
11.5 Elemente im Sonnensystem
11.5.1 Kosmochemische Klassifizierung
11.5.2 Flüchtig versus refraktär
11.5.3 Elementfraktionierung im Sonnensystem
11.5.4 Entwicklung des Sonnensystems
11.5.5 Planetenbildung
11.6 Chemische Evolution der Erde
11.6.1 Der Kern
11.6.2 Der Mantel
11.6.3 Die Kruste
11.6.4 Die frühe Atmosphäre
11.6.5 Leben und oxygene Photosynthese
11.6.6 Zukunftsaussichten
11.7 Zusammenfassung
Übungen
Literatur
Lösungen der Übungen
A Anhang
Literatur
Glossar
Stichwortverzeichnis
