Chemische Analyse der Gesteine und Silikatischen Mineralien

180 Pages·1952·6.09 MB·German

by  J. Jakob (auth.)

LEHRBOCHER UND MONOGRAPHIEN
AUS DEM GEBIETE DER
EXAKTEN WISSENSCHAFTEN
CHEMISCHE REIHE
BAND VII
CHEMISCHE ANALYSE
DER GESTEINE
UND SILIKATISCHEN MINERALIEN
VON
J. JAKOB
PROFESSOR AN DER EIDGEN6SSISCHEN TECHM. HOCHSCHULE IN ZURICH
VORSTEHER DES MINERAL- UND PETROCHEMISCHEN LABORATORIUMS
Springer Basel AG
1952
Nachdruck verboten.
Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung
in fremde Sprachen und der Reproduktion auf
photostatischem Wege oder durch Mikrofilm,
vorbehalten.
Copyright 1952 by Springer Basel AG
Ursprünglich erschienen bei Verlag Birkhäuser AG., Base11952
Softcover reprint of the bardeover 1st edition 1952
ISBN 978-3-0348-5887-8 ISBN 978-3-0348-5886-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-0348-5886-1
5
VORWORT
Der vorliegende Versuch einer Einfiihrung in die chemische Gesteinsanalyse
ist vor allem ffir den Laboratoriumsgebrauch des Studenten bestimmt. Aus
diesem Grunde wurde aller unnotige Ballast weggelassen; das vorliegende Buch
ist also kein Nachschlagewerk ffir analytische Probleme, kein Sammelwerk von
analytischen Methoden. Es werden verhaltnismaBig wenige Methoden erwahnt,
diese werden aber urn so ausfiihrlicher behandelt. Bei der Auswahl der Methoden
waren vor allem zwei Fragestellungen zu beriicksichtigen: Welche Methode
bietet jeweilen Gewahr, daB der noch wenig geiibte Praktikant moglichst wenig
experimentelle Fehler begeht? Wie kommt man zu moglichst exakten analyti
schen Resultaten? Diese beiden Zielsetzungen, die immer kombiniert ange
strebt wurden, sind aus der jahrzehntelangen Erfahrung sowohl im Unter
richten als auch in der eigenen analytischen Tatigkeit herausgewachsen.
Da die gegebenen Anweisungen durch eine groBe praktische Erfahrung
gleichsam unterbaut sind, diirfte dieses Buch auch dem praktischen Analytiker
der Technik, besonders der keramischen Industrie, eine wertvolle Hilfe sein.
1m Laufe der letzten Jahrzehnte hat in der chemischen Betrachtung der
Gesteine besonders das Alkali-Tonerde-Verhiiltnis eine immer groBere Bedeu
tung erlangt. Aus diesem Grunde muBte nicht nur angestrebt werden, die ent
haltenen Alkalien restlos zu erfassen, sondern ebensosehr auch die Tonerde
moglichst exakt zu bestimmen. Der Verfolgung dieses Zieles wurde durch die
Auswahl der Methoden besonders Rechnung getragen; der vielleicht etwas
eigenartig erscheinende Gang der Gesteinsanalyse dient eben der Erreichung
dieses Zieles.
Der Aufbau dieses Buches zeigt folgende Richtlinie. Ein erster und allge
meiner Teil, 40 Kapitel umfassend, beschreibt den Gang der Gesteinsanalyse;
die normale Analyse, etwa die eines Diorites oder Quarzdiorites, steht hier im
Vordergrund. Daneben wird aber auch gezeigt, wie vorzugehen ist, wenn sich
der Gesamtchemismus des Gesteins gegen extreme Typen hin bewegt; es wird
zum Beispiel gezeigt, welche Methoden zu wahlen sind, wenn das Gestein be
sonders arm an Sesquioxyden oder reich an Mangan, Titan oder Phosphorsaure
ist. Viele Weisungen betreffend Spezialfalle und ebenso nahere Erlauterungen
sind, damit die Dbersicht iiber den ganzen Analysengang nicht zu stark beein
trachtigt wird, in Kleindruck gesetzt; oft sind solche auch als Nachtrage an den
SchluB des Kapitels gestellt. In diesem Teil, und iiberhaupt im ganzen Buch,
ist von einer Besprechung der Methoden zur Bestimmung von sogenannten
Spurenelementen abgesehen worden; wir verstehen unter Spurenelementen
immer nur solche, die nur in verschwindend kleinen Spuren in den Gesteinen
enthalten sind, die also nie als eigentliche gesteinsbildende Komponenten auf
treten. Auch auf sogenannte technische Schnellmethoden konnte hier nicht ein-
6 Vorwort
gegangen werden; der geiibte Analytiker wird in einem gegebenen Fall von
selbst herausfinden, in welcher Hinsicht die betreffende Methode abgekiirzt
oder vereinfacht werden kann.
In einem zweiten oder spezieUen Teil wird der Gang der Analyse fiir eine
Anzahl silikatischer Mineralien gezeichnet ; es betrifft das vor allem die gesteins
bildenden Silikate, aber auch einige seltenere Mangansilikate. Jedes einzelne
der gesteinsbildenden silikatischen Mineralien kann, seinen Chemismus betref
fend, geradezu als eine Art von Grenzfall betrachtet werden, in gleicher Weise
auch die in der Gesteinswelt seltener oder wenigstens untergeordnet auftreten
den silikatischen Mineralien. Wenn wir namlich die Methoden angeben, nach
welchen ein gegebenes Mineral zu analysieren ist, dann konnen aus diesen An
gaben ohne weiteres auch Schliisse gezogen werden dafiir, wie ein Gestein zu
analysieren sein wird, das vomehmlich bis ausschlieBlich aus diesem in Frage
stehenden Mineral besteht. Wir konnen also in chemisch-analytischer Hinsicht
die Mineralanalyse als die Analyse eines monomineraliscken Gesteines auffassen;
die allgemeine Gesteinsanalyse, wie sie im ersten Teil gegeben ist, muB somit
auf die Analyse jedes einzelnen silikatischen Minerals abgestimmt werden. In
diesem speziellen Teil sind nun 36 silikatiscke Mineralien von extremem Chemis
mus in alphabetischer Reihenfolge aufgefiihrt, so daB die einzelnen Typen leicht
gefunden werden konnen. Der Gang der Analyse ist aber nicht fiir jedes der
aufgefiihrten Mineralien besonders besprochen, oft wird nur auf ein anderes
Mineral verwiesen, fiir welches dieser Gang mehr oder weniger ausfiihrlich an
gegeben ist. Fiir jedes der behandelten Mineralien wird angegeben, welche der
im ersten Teil eingehend besprochenen Methoden jeweils in Frage kommt. Die
Zahl der auf diese Weise behandelten silikatischen Mineralien ist verhiiltnis
maBig gering; es hat keinen Sinn, ein vollstandiges Verzeichnis anzustreben. Die
hier getroffene Auswahl vertritt sozusagen alle extremen Typen; auf Grund der
fiir diese Typen gemachten analytischen Angaben diirfte es nicht schwer fallen,
jedes andere silikatische Mineral und vor allem jedes Gestein zu analysieren.
In einem dritten Teil oder Ankang wird die Darstellung der Standard
losungen fiir kolorimetrische und maBanalytische Bestimmungen behandelt.
SchlieBlich werden hier einige Betrachtungen angestellt iiber den Genauigkeits
grad der einzelnen Bestimmungen innerhalb der Gesteinsanalyse.
Das vorliegende Buch ist in gewisser Hinsicht als Neuauflage und Weiter
entwicklung der im Jahre 1928 im Verlage Gebriider Borntraeger in Berlin
herausgegebenen Anleitung zur ckemiscken Gesteinsanalyse aufzufassen; der alte
Rahmen einer Laboratoriumsanleitung wurde aber verlassen, der Inhalt ver
dreifacht, wodurch diese Auflage mehr den Charakter eines Lehrbuches erhiilt.
Moge auch dieser Versuch einer Einfiihrung in die Analyse der Gesteine und
silikatischen Mineralien manchem Studierenden, aber auch manchem prak
tischen Analytiker, eine wertvolle Hilfe bei seinen Laboratoriumsarbeiten wer
den und dadurch Liebe zur Mineralanalyse wachrufen.
Ziirich, den 12. J anuar 1949 J.JAKOB
7
INHALTSVERZEICHNIS
I. Allgemeiner Teil
Seite
1. Vorbereitung des zu analysierenden Gesteinspulvers 9
2. Allgemeines iiber das Bestimmen der Kieselsaure 10
3. Die Bestimmung der Kieselsaure: SiO. . 13
4. Nachtrage zur Kieselsaurebestimmung:
a) Die Angreifbarkeit des Platins . . . 20
b) tJber die Reaktion des FeO in der Sodaschmelze 21
c) tJber das Eindampfen der LOsung vom SodaaufschluB . 22
d) Die Reaktion des Manganoxydes in der Sodaschmelze . 23
e) tJber das Verhalten des Titans beim LOsen des Sodaaufschlusses titanreicher
Mineralien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
f) Kieselsaurebestimmung komndhaltiger Gesteine. . . . 25
g) tJber die Folgen ungeniigenden Auswaschens der Kieselsaure . 25
5. Die Reinigung des Platintiegels . . . . . . . . . . . . . . . 26
6. Allgemeines iiber Trennung und Bestimmung der Sesquioxyde. . 27
7. Bestimmung der Sesquioxyde, wenn der Gesamtniederschlag groB ist und hoch-
stens 4% TiO. und 1 % MnO enthalten sind. . . . . . . . . . . 28
a) Bestimmung der Summe der Oxyde: AIBOa, FelOa, TiOI. . . . 28
b) Die Trennung der Sesquioxyde AIIOa, FelOa, TiO. voneinander. 34
c) Die Bestimmung des Gehaltes an TiOs' . . . . . . . . . . . 37
8. Bestimmung der Sesquioxyde, wenn der Gesamtniederschlag klein ist und h6ch-
stens 4% TiOa und 1% MnO enthalten sind. . . . . . . . . . . . . . .. 38
a) Fallung der Sesquioxyde, wenn Tonerde relativ reichlich, Eisen jedoch ver-
schwindend wenig vorhanden ist: sehr saure Granite . . . . . . . . .. 39
b) Fallung der Sesquioxyde, wenn diese nur einige Prozente oder gar nur Spuren
ausmachen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
9. Bestimmung der Sesquioxyde bei Gegenwart von viel Mangan ..... " 41
10. Bestimmung der Sesquioxyde bei Gegenwart von viel Titan. . . . . . .. 44
11. Bestimmung des Mangans bei groBem Mangangehalt: bei mehr als 1 % MnO. 46
12. Die Analyse oxydischer Manganerze: Braunsteinanalyse 49
a) Das LOsen des Manganerzes: Bestimmen der Gangart . . . . . . . .. 49
b) Das Bestimmen von Peroxydsauerstoff . . . . . . . . . . . . . .. 50
13. Bestimmung des Mangans bei sehr kleinem Mangangehalt: bei weniger a1s
1% MnO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51
14. Bestimmung der Phosphorsaure bei geringem Phosphorsauregehalt: bei h6ch-
stens 0,40% PIO, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
15. Bestimmung der Phosphorsaure bei hohem Phosphorsauregehalt: bei mehr a1s
0,40% PIO,. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
16. Bestimmung der Phosphorsaure bei hohem Phosphorsauregehalt: wenn die
Sesquioxyde zur Fallung der Phosphorsaure nicht ausreichen 60
17. Die Bestimmung von CaO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62
18. Die Bestimmung von MgO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65
19. Die Bestimmung des Oxydationsgrades des Eisens: die Bestimmung des FeO. 69
20. Die Bestimmung des Oxydationsgrades des Titans: die Bestimmung von Tia0a . 73
21. Die Bestimmung der Alkalien: NalO und KaO fUr die normale Gesteinsanalyse 76
22. Das Isolieren der Alkalien aus schwer aufschlieBbaren Mineralien . . . . ., 86
8 Inhaltsverzeichnis
Seite
23. Die Trennung und Bestimmung des Lithiums: LiaO 88
24. Bestimmung des bei 110°C entweichenden Wassers .. ' 90
25. Bestimmung des Wassers, das tiber 110°C entweicht . 91
a) Methode nach S. L. PENFIELD . . . . . . . . . 92
b) Die Bestimmung des Gesamtwassers in Mineralien, die alles Wasser bei etwa
1000°C abgeben, die aber reduzierende Komponenten enthalten. . . . .. 93
c) Die Bestimmung der Menge des Gesamtwassers in Hornblenden oder andern
silikatischen Mineralien, die das Wasser erst bei sehr hohen Temperaturen
restlos abgeben. . . . . . . . . 96
26. Die Bestimmung von Schwefel . . . . . . . . . 100
27. Die Bestimmung von Schwefeltrioxyd . . . . . . 103
a) Die Losung enthalt nur Sulfationen, kein Chlor . 104
b) Die Losung enthalt neben Sulfationen auch Chlor . 105
28. Die Bestimmung von Chlor: CIa. . . . . . . . . . 105
29. Die Bestimmung des Fluors in silikatischen Mineralien . 107
30. Die Bestimmung des Fluors in phosphathaltigen Gesteinen 111
31. Die Bestimmung von Kohlendioxyd: CO2, • • • • • • • 113
a) Die Differenzmethode zur Bestimmung von Kohlendioxyd 114
b) Die Bestimmung von Kohlendioxyd in sulfidhaltigen Gesteinen. 116
32. Die Bestimmung von Kohlenstoff in Gesteinen . . . . . . . . 119
a) Die Bestimmung von Kohlenstoff ohne Gegenwart von Pyrit . 120
b) Die Bestimmung von Kohlenstoff bei Gegenwart von Pyrit. 124
33. Die Bestimmung der Borsaure: BaOa . 124
34. Die Bestimmung des Beryllinms. . . . . . . . . . . . . . 128
35. Die Bestimmung des Zirkoniums . . . . . . . . . . . . . 131
a) Die Bestimmung des Zirkoniumdioxydes in Zirkoniumsilikaten 131
b) Die Bestimmung des Zirkoniums in Mineralien und Gesteinen bei einem
Gehalt von hochstens 4% ZrOa. . . . . . . . . . . . . . . 135
c) Die Bestimmung des Zirkoniums in Mineralien und Gesteinen bei einem
Gehalt von Spuren bis hochstens 0,2% ZrOa 135
36. Die Bestimmung des Kupfers . 136
37. Die Bestimmung von Nickel . . . . . . . . 137
38. Die Bestimmung von Chrom . . . . . . . . 140
a) Die kolorimetrische Bestimmung von Chrom 142
b) Die Bestimmung des Chroms als Bariumchromat 143
c) Die Bestimmung des Chroms als Chromsesquioxyd 146
39. Die Bestimmung von Barium. . . 146
40. Die Bestimmung der seltenen Erden. . . . . . . . 148
II. Spezieller Teil 152
III. Anhan~
a) Darstellung der Vergleichslosung ftir die Titanbestimmung. . . . . . . . . . 177
b) Darstellung der Permanganatlosung ftir die Bestimmung des Oxydationsgrades
des Eisens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
c) Darstellung der Vergleichslosung zur Bestimmung von Mangan. 179
d) Darstellung der Vergleichslosung zur Bestimmung von Chrom 179
e) Betrachtungen tiber die Genauigkeit der Gesteinsanalyse . . . 179
9
I.
ALLGEMEINER TElL
1. Vorbereitung des zu analysierenden Gesteinspulvers
Das Gestein wird auf irgendeine Weise zu der KorngroBe eines groberen
San des zerkleinert und hernach in einer Achatreibschale zu einem Pulver von
maBiger Feinheit zerrieben. Fur eine solche Zerkleinerung des Gesteins eignet
sich jede Methode, die ausschlieBt, daB wesentliche Mengen fremder Stoffe sich
mit dem zu analysierenden Material vermengen.
In Ermangelung einer geeigneten Gesteinsmuhle (Kugelmiihle) kann man
sich auf sehr einfache Weise helfen. Die mit einem Geologenhammer yom Hand
stUck abgetrennten Gesteinssplitter werden mit diesem Hammer auf einer gut
gereinigten Stahlplatte langsam, aber sorgfaltig zerdriickt. Das geschieht am
besten in der Weise, daB man sich mit dem Korpergewicht darauf stutzt. Bei
quarzhaltigen Gesteinen ist besondere Sorgfalt geboten, weil infolge ihrer Spro
digkeit sehr leicht Quarzkorner wegspritzen. In diesem letztern Falle empfiehlt
sich die Anwendung eines nach oben geschlossenen Stahlmorsers, eines soge
nannten Diamantenmorsers. Das auf diese Weise zerdriickte Gestein, oder
wenn die betreffende Muhle das Gestein zu wenig fein vermahlen hat, wird in
einer geraumigen Achatreibschale weiter gepulvert.
Es hat jedoch normalerweise keinen Sinn, das Zerpulvern eines Gesteines
ad infinitum zu treiben. Wir pulverisieren ein Gestein namlich nur aus zwei
Grunden: urn von einem heterogenen Gestein eine zuverlassige Durchschnitts
probe zu erhalten und urn das Gestein mit chemischen Reagenzien losen zu
konnen. Fur den LosungsprozeB, wie er sich in geschmolzener Soda abspielt,
ist ein Gesteinspulver bald fein genug; es gibt nur wenige Mineralien, die in der
Sodaschmelze schwer aufschlieBen und demzufolge besonders fein gepulvert
werden miissen. In Sodaschmelze schwerloslich sind vor allem Olivin, Granat,
Disthen, Sillimanit, Andalusit, Topas, Staurolith, Titanit. Liegt keines dieser
Mineralien vor, das heiBt, ist keines der genannten Mineralien in bedeutenden
Mengen vorhanden, dann kann man sich mit der Feinheit des Pulvers sehr bald
begnugen; Quarz, Feldspate, Glimmer, Augite und Hornblenden schlieBen sehr
leicht auf.
Auf keinen Fall darf man die bereits zu Pulver zerriebene Substanz nach
traglich durch ein feines Sieb jagen oder gar durch ein Tuch beuteln, urn nach
her den Ruckstand noch weiter zu zerreiben. Bei einer solchen Behandlungs-
10 Vorbereitung des zu analysierenden Gesteinspulvers
weise wiirden vorhandene Glimmerblattchen groBenteils im Siebe zurUckblei
ben, besonders beim Verwenden eines Tuches, und konnten hernach nicht mehr
gut mit der Hauptmenge des Gesteinspulvers vermischt werden. Ein besonders
weitgehendes Zerkleinern hat aber gerade fiir die Glimmermineralien, die be
sonders schwierig zu pulverisieren sind, keinen Sinn, denn diese schlieBen ohne
hin sehr leicht auf.
Ein viel zu weitgehendes Zerpulvern des Gesteins hat aber gerade bei Ge
steinen, die reich an dunklen Gemengteilen (Biotit, Augit, Hornblende) sind
und deshalb auch reich an FeO sind, bedeutende Nachteile. Je feiner und je
langer (zeitlich) ein solches Gesteinspulver zerrieben wird, urn so mehr wird
das enthaltene Eisen oxydiert, was gerade fiir die Bestimmung des Gehaltes
an Eisenoxydul (FeO) sehr nachteilige Folgen hat. Die Eigenschaft der leichten
Oxydierbarkeit kommt besonders den folgenden Mineralien zu: Granat, Stauro
lith, etwas weniger den Augiten und Hornblenden, wohl am wenigsten den
Biotiten.
Aus den dargelegten Grunden ist es am zweckmaBigsten, man pulverisiert
das Gestein nur maBig. Fur diejenigen AufschluBverfahren, fiir die eine groBere
Feinheit des Kornes erforderlich ist, kann beim Ansetzen des betreffenden Auf
schlusses die erforderliche Probe n6chmru.s extra fein zerrieben werden. Das ist
in der Folge bei den in Frage stehenden AufschluBmethoden besonders vor
gesehen und vermerkt.
Es ist ganz selbstverstandlich, daB fiir grobkornige Gesteine, wie Augen
gneise und gewisse Granite, weit groBere Mengen gepulvert werden mussen,
urn einen zuverlassigen Durchschnittswert zu erhalten, als das fiir feinkornige
Gesteine erforderlich ist. Indessen kann hier keine zahlenmaBige Regel auf
gestellt werden; das muB dem Ermessen des Analytikers anheimgestellt werden.
Die in genugender Menge und hinreichend gepulverte Substanz wird mit einem
Spatel moglichst gut gemischt und lufttrocken in das Wageglas eingefiillt.
2. All~emeines fiber das Bestimmen der Kieselsaure
Die silikatischen Mineralien sind die hauptsachlichsten Bausteine unserer
Erdrinde; viele und ausgedehnte Gesteinspartien sind sozusagen ausschlieBlich
aus solchen Mineralien aufgebaut. Die gesteinsbildenden Silikate sind aber vor
wiegend Verbindungen, welche durch die gewohnlichen Mineralsauren (Salz
saure, Salpetersaure, Schwefelsaure) kaum oder gar nicht angegriffen werden;
sie konnen daher mit Hilfe dieser Sauren nur in den seltensten Fallen direkt
ge16st werden. Eine Ausnahme von der Regel machen die Mineralien der
Nephelin- und Sodalithgruppe, auch Leuzit und Analzim konnen noch hieher
gerechnet werden. AuBer diesen sogenannten Feldspatstellvertretern (Feld
spatoide oder kurz Foide) gibt es noch eine Anzahl relativ selten auftretender
Mineralien, die mit Mineralsauren mehr oder weniger leicht zersetzt und somit
gelost werden konnen. In den folgenden Darlegungen behandeln wir ganz all-