Mineraloberflächen

Mineraloberflächen bezeichnet die äußerste Ebene eines Minerals, die direkt mit der Umgebung in Kontakt steht. Sie bilden den feinen Übergang zwischen dem festeren Kristallgitter und Phasen wie Wasser, Gasen oder organischen Stoffen und bestimmen wesentliche Eigenschaften wie Reaktivität, Benetzung, Adsorption und Transportprozesse.

Strukturell sind Oberflächen terminiert und weisen unsaturated Bindungen sowie eine erhöhte Oberflächenenergie auf. In wässriger Umgebung erfahren Oberflächen oft Hydratation und Hydroxylierung, wodurch sich Ladung und Reaktivität ändern. Die Oberflächeneigenschaften hängen stark von der Mineralart ab: Silikate wie Quarz besitzen Silanol-Gruppen, Oxide und Hydroxide wie Hämatit oder Goethit zeigen M–OH-Gruppen, Tonminerale tragen oft permanente negative Ladungen. Die Oberflächenladung hängt vom pH-Wert und der chemischen Umgebung ab (Punkt nahe dem Null-Ladungswert, pHznp).

Interaktionen mit Flüssigkeiten umfassen Adsorption, Ligandenaustausch, komplexbildende Reaktionen und geringe bzw. erhöhte Auflösung. Oberflächen kontrollieren Kationenaustauschkapazitäten, Zeta-Potential und die Geschwindigkeit geochemischer Prozesse. Oberflächenmodelle (z. B. Oberflächenkomplexierungsmodelle) helfen, diese Beziehungen zu beschreiben.

Analytische Methoden zur Charakterisierung reichen von Bildgebungs- und Strukturtechniken wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Atomic-Force-Microscopy (AFM) und Scanning-Tunneling-Microscopy (STM) bis zu chemischen Analysen wie XPS, FTIR/Raman und LEED.

Bedeutung finden Mineraloberflächen in Geochemie, Bodenkunde, Umweltchemie, Katlysis und Materialwissenschaften. Typische Beispiele sind Calcit-Auflösung, Adsorption an Fe- und Al-Oxiden sowie Interaktionen von Mineralien mit contaminants im Grundwasser.