Faszination Mineralogie: Den Karbonaten auf der Spur

Faszination MineralogieGestern besuchten uns 8 Gymnasiasten des Kirchenfeld Gymnasiums am Institut. Sie erforschten mit Methoden der Chemie und Physik die Eigenschaften von Karbonaten, die in unserem Alltag eine wichtige Rolle spielen. Die Forschungsgruppe der Mineralogie von Prof. Sergey Churakov gab den Besuchern vertiefte Einblicke in die Welt der Mineralogie. 

Sie starteten mit eine theoretischen Einführung um einige Grundlageninformationen zu erhalten. Je nach chemischer Zusammensetzung entstehen verschiedene Kristallarten und Kristallsysteme. Dazu gehören Kalzit, Aragonit, Malachit, Azurit, und viele mehr.

 Eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Karbonaten spielt der Kohlenstoffkreislauf. Je wärmer die Meerestemperatur ist, wie beispielsweise am Äquator, desto weniger Karbonat kann gelöst werden. Das Wasser wird übersättigt und die Karbonate fällen aus. Ebenso begünstigt eine höhere Konzentration an CO3(-2) Anionen im Wasser die Ausfällung von Karbonat. Deshalb gedeihen Korallen in tropischen Meeren prächtig, sofern das Wasser genug sauber ist und sie genug Sonnenlicht haben.

Um Karbonate genauer zu untersuchen, lohnt sich ein Blick auf das Kirstallgitter: Das Modell zeigt, welche Atome mit welchen in Beziehung stehen. Elektrostatische Wechselwirkungen balancieren die Kräfte zwischen den Atomen aus.

Mit einem speziellen Mikroskop (atomic force microscope (AFM))  können die Forscher bis auf atomare Ebene Oberflächenstrukturen von Mineralen beobachten. In Videoaufnahmen zeigte Sergey Churakov, welche Bereiche der Kristalle sich dabei schneller oder langsamer auflösen.

Bevor die Gymnasiasten zum praktischen Teil wechselten, erklärte Martin Fisch wie aus den Rohmaterialien Kalk, Mergel und Tonstein Klinker entstehen.  Anschliessend führten David Mair und Arthur Adams die Jugendlichen ins Mikroskopieren ein. Anhand einiger Aufgaben verglichen die Gymnasiasten Dünnschliffe von Gesteinen unter dem Mikroskopen. Sie erfuhren, wie typischer Kalkschlamm aussieht – langweilig und öde…

Da waren die Dünnschliffe eines Kalkes mit seinen Fossilien schon wesentlich interessanter. Die Gymnasiasten konnten beobachten wie ein Kalk aussieht, der durch die Umwandlung mit mehr Druck und Temperatur zu einem Marmor wurde.

Schlussendlich diskutierten sie die Frage, weshalb Karbonate wichtig sind. Nebst dem, dass Karbonate wichtige Speicher für Erdöl oder Erdgas sind, das Grundmaterial für Beton oder direkt als Bausteine dienen, bieten sie gute Durchlässigkeiten für heisses Grundwasser im tiefen Untergrund, das für Geothermie nutzbar ist. In der Forschung dienen sie als Klimainformanten, da die Sauerstoffisotope im Kalk Hinweise geben auf warme oder kalte Klimaphasen.

Als Abschluss der Mikroskopiersequenz stellen die zwei Doktoranden vor, in welchen Gebieten sie selbst forschen. Nach dem Mittagessen besuchen die Jugendlichen das «atomic force microscope» (AFM))  und können direkt beobachten, wie sich die Oberfläche eines Kalzits auflöst. Mit diesen Messungen und in Kombination mit Modellierungen erforschen die Mineralogen die Kinetik der Mineralauflösung.

Anschliessend machten die Gymnasiasten einige Experimente zum technischen Kalkkreislauf. Dass die Kalksteine schäumen, wenn sie mit Salzsäure beträufelt werden, wussten die Jugendlichen zwar schon. Um herauszufinden, was denn nun da tatsächlich geschieht, wendeten sie ihre eigenes Chemiewissen an und erstellten die dazugehörige chemische Gleichung. Auch bei den weiteren Versuchen vom Kalkbrennen über das Löschen des Kalks bis zur Karbonatisierung wendeten sie weiteres Wissen an.

Zuletzt reichern die Gymnasiasten die Kalkwasser-Lösung durch einblasen mit CO2 an.

Zum Schluss stellten Martin Fisch und Andreas Glauser ihre eigenen Forschungsarbeiten vor und gaben so Einblick, wie angewandt die Forschung im Bereich der Mineralogie sein kann.

Insgesamt erlebten die Gymnasiasten einen abwechslungsreichen Tag am Institut für Geologie und konnten feststellen, dass Geologie nicht nur aus «Steinen» besteht, sondern dass gerade die Mineralogie sehr viel mit Chemie und Physik zu tun hat.


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