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Über dieses Buch

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.

Die Übersetzung wurde mit Hilfe von künstlicher Intelligenz (maschinelle Übersetzung durch den Service DeepL.com) angefertigt. Da die anschließende Überprüfung hauptsächlich im Hinblick auf inhaltliche Gesichtspunkte erfolgte, kann sich der Text des Buches stilistisch von einer konventionellen Übersetzung unterscheiden. Springer Nature arbeitet bei der Publikation von Büchern kontinuierlich mit innovativen Technologien, um die Arbeit der Autoren unterstützen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Energie in geochemischen Prozessen

Zusammenfassung
Der Zweck dieses Buches ist es, den Studentinnen und Studenten der Geowissenschaften die chemischen Prinzipien vorzustellen, die für die Geologie und Mineralogie grundlegend sind. Es kann dabei keinen grundlegenderen Einstieg geben als das Thema Energie, das im Zentrum der Geologie und der Chemie steht. Energie spielt in jedem geologischen Prozess eine Rolle, vom Kristallwachstum eines Minerals im atomaren Maßstab bis hin zur Hebung und anschließenden Erosion ganzer Gebirgsketten.
Robin Gill

Chapter 2. Gleichgewicht in geologischen Systemen

Zusammenfassung
Die in Gesteinen enthaltenen Minerale geben Hinweise über die Bildungsbedingungen von metamorphen und magmatischen Gesteinen. Mineralvergesellschaftungen sind nur unter bestimmten Bedingungen stabil. Phasendiagramme helfen uns, die Details zu entschlüsseln.
Robin Gill

Chapter 3. Kinetik geologischer Prozesse

Zusammenfassung
Reaktionen zwischen Mineralen laufen nicht immer schnell genug ab, um das chemische Gleichgewicht zu erreichen. Tatsächlich ist das Ungleichgewicht eher die Regel als die Ausnahme. Kinetik ist die Messung und Analyse chemischer Reaktionsgeschwindigkeiten. Wir lernen in diesem Kapitel, wie und warum diese von der Temperatur abhängen.
Robin Gill

Kapitel 4. Wässrige Lösungen und die Hydrosphäre

Zusammenfassung
Wasser ist der wichtigste Akteur für die Erosion und den Transport von erodierten Materialien, entweder auf mechanische oder auf chemische Weise. Die Löslichkeit von Stoffen in einer Lösung ist über Gleichgewichtsreaktionen gesteuert. Mit zunehmendem Gehalt an gelösten Stoffen verändert sich das Verhalten einer Lösung: Bei nicht idealen Lösungen können wir nicht mehr mit Konzentrationen rechnen, sondern müssen Aktivitäten verwenden. Die Stabilität chemischer Spezies in Lösungen hängt vom pH-Wert und dem Redoxpotenzial ab.
Robin Gill

Kapitel 5. Elektronen in Atomen

Zusammenfassung
Die submikroskopische Welt der Atome hat einen größeren Einfluss auf die Geologie als viele Menschen denken. Viele wichtige Eigenschaften von Mineralen, Gesteinen oder Magmen können aus den Arten der Atome und den chemischen Bindungen, die diese zusammenhalten, abgeleitet werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Position der Elektronen innerhalb der Atome in den sogenannten Orbitalen.
Robin Gill

Chapter 6. Was wir aus dem Periodensystem lernen können

Zusammenfassung
Wenn wir die chemischen Elemente in der Reihenfolge ihrer Ordnungszahl untersuchen, führt die Struktur der Energieniveaus in den Atomen zusammen mit dem Effekt der zunehmenden Kernladung zu einer Periodizität ihrer chemischen Eigenschaften. Das Periodensystem bietet eine kompakte Möglichkeit, um die Variation der chemischen Eigenschaften (wie Elektronegativität und Wertigkeit) der Elemente zusammenzufassen. Die Wellenlängen von Atomspektren variieren systematisch mit der Ordnungszahl des Elements und bieten ein leistungsfähiges Mittel, um die Konzentration jedes Elements in einem Mineral oder Gestein zu bestimmen.
Robin Gill

Kapitel 7. Chemische Bindung und die Eigenschaften von Mineralen

Zusammenfassung
Viele Eigenschaften von Mineralen (Härte, Kristallstruktur, elektrische Leitfähigkeit, Löslichkeit, Glanz usw.) lassen sich leicht durch die chemischen Bindungen erklären, die sie auf atomarer Ebene zusammenhalten. Ionische Bindungen – mit Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen zwischen Atomen – bilden sich zwischen Elementen sehr unterschiedlicher Elektronegativität. Die Strukturen ionischer Verbindungen werden durch das dichte Packen von kugelförmigen Ionen unterschiedlicher Größe bestimmt und lassen sich aus dem Radienverhältnis von Kationen zu Anionen vorhersagen. Kovalente Bindungen – mit von zwei Atomen gemeinsam verwendeten Elektronen – bilden sich zwischen Elementen gleicher oder sehr ähnlicher Elektronegativität. Die Strukturen einfacher Moleküle und größerer Kristalle können aus der Geometrie von Atomorbitalen vorhergesagt werden. Metallische Bindungen bilden sich zwischen Elementen ähnlicher Elektronegativität, wenn der Mittelwert der Elektronegativität gering ist. In der Realität liegen Mischformen zwischen den idealen Bindungstypen vor.
Robin Gill

Kapitel 8. Silicatkristalle und -schmelzen

Zusammenfassung
Die meisten gesteinsbildenden Minerale sind Silicate, d. h. Verbindungen, in denen Metalle mit Silicium und Sauerstoff kombiniert werden. In diesem Kapitel wird untersucht, wie die chemische Struktur dieser Verbindungen, insbesondere die Art der Bindung, die bekannten morphologischen und physikalischen Eigenschaften von Silicatmineralen und die physikalischen Eigenschaften von Silicatschmelzen bestimmt.
Robin Gill

Chapter 9. Geologisch wichtige Elemente

Zusammenfassung
Chemische Elemente sind für Geowissenschaftler aus ganz unterschiedlichen Gründen von Interesse. Einige, wie Silicium und Eisen, sind so häufig, dass ihre chemischen Eigenschaften das Verhalten von Mineralen und Gesteinen bestimmen. In geringerer Menge vorkommende Elemente, wie Rubidium und Strontium, nehmen zwar in geringerem Umfang an geologischen Prozessen teil, sie können uns dennoch zu verstehen helfen, wie solche Prozesse funktionieren. Andere Elemente, wie Chrom, Neodym oder Uran, haben wichtige kommerzielle Anwendungen. Ziel dieses Kapitels ist es, in die Geochemie der wichtigsten chemischen Elemente einzuführen und zu zeigen, wie das Periodensystem verwendet werden kann, um die Eigenschaften der Elemente vorherzusagen. Es soll zudem veranschaulichen, was diese Elemente uns über geologische Prozesse aussagen können.
Robin Gill

Chapter 10. Was können wir von den Isotopen lernen?

Zusammenfassung
Die meisten Elemente bestehen aus mehr als einem Isotop. Mit radiogenen Isotopensystemen wie K–Ar b–Sr, Sm–Nd und U–Th–Pb können wir das Alter von Gesteinen bestimmen, aber auch Erkenntnisse über die Herkunft von Sedimenten oder Magmen und über die Heterogenität des Erdmantels ableiten. Aus Sauerstoffisotopen können wir die Bildungstemperaturen von Mineralen abschätzen, zusammen mit Wasserstoffisotopen erhalten wir Informationen über den Wasserkreislauf. Andere Isotopensysteme helfen uns, Prozesse an der Erdoberfläche und die Entwicklung der Atmosphäre zu verstehen.
Robin Gill

Chapter 11. Die Elemente im Universum

Zusammenfassung
Die häufigsten Elemente des Universums, H und He, sind bereits während des Urknalls entstanden. Schwerere Elemente bis Eisen können bei der Kernfusion in Sternen entstehen, noch größere durch Neutroneneinfang in Sternen und in Supernovae. Aus den Prozessen der Elementbildung sowie der unterschiedlichen Stabilität von Atomkernen kann die Häufigkeit der Elemente im Sonnensystem erklärt werden. Das unterschiedliche Verhalten der Elemente im Sonnensystem kann mit den Kategorien lithophil, siderophil, chalkophil und atmophil beschrieben werden. Diese Unterschiede spielen auch bei der Entstehung und weiteren Entwicklung der Planeten eine Rolle.
Robin Gill

Backmatter

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