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Die Hydrolyse ist eine der wichtigsten Verwitterungsarten. Bei ihr sind Hydronium- und Hydroxoniumionen (OH- und H3O+) die Reaktionsträger. Diese aggressiven Base- bzw. Säureionen vermögen einen Stoff in seiner chemischen Zusammensetzung stark zu verändern. Die Hydrolyse ist vorwiegend von der Oberflächengegebenheit des Bodens, dem pH-Wert, der Wassermenge und der Temperatur abhängig (vgl. FITZPATRICK,1980, 60).
3.1. Hydrolyse von Carbonaten
Eine besondere Bedeutung hat die Hydrolyse für die Carbonatgesteine, wie Kalkstein, CaCO3, Dolomit, CaMg(CO3)2 und Mergel, von denen Kalkstein am schnellsten verwittert. "Zwar beträgt seine Löslichkeit in reinem Wasser nur 0,013 g/l (bei 15°C), doch kommt bei der Kalksteinverwitterung der Kohlensäure eine beachtliche lösungfördernde Wirkung zu" (MÜLLER, 1979, 138). In den meisten Fällen ist die durch einen hohen CO2-Gehalt in der Luft entstandene Kohlensäure (Bildung: CO2(g)+H2O CO2(aq)+H2O H2CO3 H++HCO- 2H++HCO2- ) an dieser Reaktion beteiligt. In unserem Klima mit durchschnittlichen Niederschlägen verwittert von der Oberfläche des Kalksteins jährlich etwa 0,01mm (vgl. MÜCKENHAUSEN, 1985, 86). So wird beispielsweise das schwer wasserlösliche Calciumcarbonat zersetzt, dessen Löslichkeitsprodukt mit dem pKL-Wert 7,92 angegeben wird:
CaCO3 + 2H2CO3 ® Ca(HCO3)2 + H2O + CO2
Das so entstandene Calciumhydrogencarbonat (oder älter auch Calciumbicarbonat, pKL= -0,27) ist leicht wasserlöslich. Kohlendioxid wird bei dieser Reaktion frei gesetzt. Es entweicht oder verbindet sich mit dem Bodenwasser erneut zu Kohlensäure, welche weitere Hydrolysereaktionen einleitet.
"Im Gegensatz zu vielen anderen verwitternden Mineralen steigt die Löslichkeit der Carbonate außerdem mit abnehmender Temperatur, weil in gleicher Richtung die Löslichkeit des Kohlendioxids in Wasser zunimmt" (SCHEFFER, 1992, 14). Die Hydrolyse von Carbonaten ist demnach dem allgemeinen Trend, mit einer Erhöhung der Temperatur steige auch die Reaktionsgeschwindigkeit (RGT-Regel ) entgegengesetzt.
Jedoch vermögen auch andere im Boden entstandene oder aus dem Regenwasser zugeführte Säuren (siehe auch: 3. Oxidation) die Umwandlung zu Calciumhydrogencarbonat bewirken. Durch einen erhöhten Schwefeldioxid- und Stickoxidausstoß aus Verbrennungsprozessen steigt in Regionen hohen Verkehrsaufkommen und starker Industriebesiedelung die Konzentration dieser Gase an. Jene werden in der Atmosphäre oxidiert und bilden mit Wasser Schwefelsäure, schweflige Säure und Salpetersäure:
SO2 + H2O + ½O2 H2SO4
SO2 + H2O H2SO3
2NO2 + H2O + ½O2 2HNO3
Diese Säuren sind weitaus stabiler und stärker als die im klassischen Sinn für die Hydrolyse verantwortliche Kohlensäure. Die schon weitestgehend besprochenen Auswirkungen des sauren Regens machen deutlich, daß hier eine Zersetzung des Kalkgesteins erheblich schneller vorangetrieben wird.
3.2. Hydrolyse von Silicaten
Komplexer verlaufen die Hydrolyseprozesse bei der Verwitterung von Silicaten ab. Sie haben "eine große Bedeutung bei der Verwitterung von an der Erdoberfläche weit verbreiteten Mineralen, den Silicaten, zu denen u.a. die Feldspäte, Glimmer, Hornblenden und Augite gehören" (SEMMEL, 1977, 12). Als Beispiel wird hier oft der Orthoklas , "der mit fast 20% an der Mineralzusammensetzung der Erdkruste beteiligt ist [...]" (KUNTZE, 1988, 38) herangezogen. Vereinfacht besteht er aus dem Salz der Kieselsäure mit der starken Base Kaliumhydroxid (KOH). Anfänglich werden zunächst aus den Randbereichen des Minerals durch Hydratation die Kaliumionen gelockert und herausgelöst. Dieser freigewordene Platz im Mineral wird von einem Proton aus der Verwitterungslösung ersetzt:
KAlSi3O8 + H2O ® HAlSi3O8 + K+ + OH-
Das Mineral wird dadurch in den Randzonen aufgeweicht. Die im Modellversuch dargestellte Kalilauge kann je nach Reinheit des Bodenwassers auch durch vorhandene Protonen (wenn ein saures Milieu vorliegt) wieder neutralisiert werden (vgl. RID, 1984, 128). Ist deren Konzentration jedoch gering, so wird die Bildung von KOH an der wäßrigen Aufschlämmung in unmittelbarer Mineralnähe deutlich (vgl. KUNTZE, 1988, 70).
Nach diesem Hydratationsprozeß folgt die eigentliche Hydrolyse, die auch in älteren Abhandlungen noch als Entbasung bezeichnet wird. Der randlich aufgelöste Mineral reagiert weiter mit dem Bodenwasser. Durch Anlagerung eines Protons werden die Al-O- und Si-O-Verbindungen im Mineral gelöst. Es entstehen so Silanol- und Aluminolgruppen (SiOH und AlOH) am Restmineral. Vereinfacht dargestellt werden diese Teilprozesse durch folgende Reaktionsgleichung:
ºSi-O-Alº + H2O ® ºSiOH + HOAlº + K+
ï
K
Diese Reaktionen laufen nach und nach ab und zersetzen den Orthoklas in Kieselsäure (hier liegt die Orthokiselsäure Si(OH)4 vor) und Aluminiumhydroxid oder Tonminerale:
(i) KAlSi3O8 + 8H2O ® Al(OH)3 + 3Si(OH)4 + KOH
(ii) 2 KAlSi3O8 + 11H2O ® Al2(OH)4Si2O5 + 4Si(OH)4 + 2KOH
(vgl. SCHEFFER, 1992, 15)
Der so entstandene Kaolinit kann sich unterschiedlich verhalten. Die Bildung eines "amorphen Tonkomplexes" (MÜCKENHAUSEN, 1985, 89) ist neben der direkten Entstehung eines Tonminerals durch Kristallisation möglich.
Greenwood spricht noch einen weiteren möglichen Verwitterungsablauf an. Er beschreibt die Entstehung von "Kaolinit in Form hexagonaler Plättchen mit der Kantenlänge 0,1-3 mm durch Verwitterung von Alkalifeldspat:
2[KAlSi3O8] + CO2 +H2O ¾¾¾® [Al2(OH)4Si2O5] + 4SiO2 + K2CO3" (GREENWOOD, 1990, 456). Hier wird noch der Faktor der Kohlensäure mit in die Überlegungen mit einbezogen. Wie die Hydrolyse der Silicate genau verläuft ist bisher auch noch nicht bis ins Detail erforscht. Zu viele Nebenbedingungen im Boden stören den nachvollziehbaren Prozeß.
Die nebenstehende Abbildung (Abb.2) zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme von Kaolinitplättchen. Man erkennt sehr deutlich die geschichtete Struktur. Durch ihre besondere Struktur erhalten diese Bodenbestandteile wichtige Eigenschaften, wie z.B. das Quellvermögen und die Fähigkeit zum Ionenaustausch. "Sie sind Träger und Vermittler der Nährstoffe im Boden, an der Bodengefügebildung beteiligt und damit auch für die physikalischen Eigenschaften wichtig" (BADEN, 1969, 113).
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