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Kasten 3.24 Pufferreaktionen für die Sauerstofffugazität
Pufferreaktionen für die Sauerstofffugazität
sind chemische Redoxreaktionen zwischen
Festphasen und/oder Fluiden, die molekula-
ren Sauerstoff umsetzen. Beispiele dafür
sind:
Um genau anzugeben, ob eine Schmelze
oder ein Fluid bei einer bestimmten Tempe-
ratur oxidierter oder reduzierter ist als die
FMQ-Reaktion, vergleicht man die dekadi-
schen Logarithmen der Sauerstofffugazität
der FMQ-Reaktion und der untersuchten
Schmelze und zieht den FMQ-Wert vom ge-
messenen oder errechneten Wert ab. Der
Unterschied wird dann als
3Fe 2 SiO 4 +O 2 =2Fe 3 O 4 +3SiO 2
3Fayalit + O 2 = 2 Magnetit + 3 Quarz (FMQ)
¿ FMQ angege-
3Fe 2 O 3 =2Fe 3 O 4 +0,5O 2
3 Hämatit = 2 Magnetit + 0,5 O 2 (HM)
ben:
¿ FMQ = (log f O 2 (Probe bei Temperatur T )-
log f O 2 (FMQ-Puffer bei Temperatur T ))
Ist die untersuchte Schmelze oxidierter als
der FMQ-Puffer, so ist die Zahl positiv, da
ihre Sauerstofffugazität größer war als die
mit dem FMQ-Puffer im Gleichgewicht ste-
hende. Ist sie reduzierter, ist die Zahl nega-
tiv.
Ein Beispiel: Wenn eine Schmelze bei einer
Temperatur eine Sauerstofffugazität von
10 -14,32 bar hat, die FMQ-Reaktion bei dieser
Reaktion aber eine Sauerstofffugazität von
10 -15,52 bar einstellen würde (wenn diese Mi-
nerale denn in der betrachteten Schmelze
vorkämen), so ist die Schmelze oxidierter als
der FMQ-Puffer und der Unterschied, das
¿ FMQ, beträgt + 1,2. Man kann auch sagen:
Der Logarithmus der Sauerstofffugazität be-
trägt FMQ + 1,2.
Unabhängig von der Sauerstofffugazität
kann allerdings der Oxidationsgrad variie-
ren. Zum Beispiel ist der Oxidationsgrad ei-
nes Gesteins mit 60 Vol.-% Hämatit und
40 Vol.-% Magnetit sicherlich höher als der
einesGesteinsmit20Vol.-%Hämatitund
80 Vol.-% Magnetit. Trotzdem ist die Sauer-
stofffugazität durch die Anwesenheit beider
Minerale bei demselben Wert gepuffert. Der
Oxidationsgrad ist also eine extensive
Größe, durch die Mengenverhältnisse von -
in diesem Fall - Eisen und Sauerstoff defi-
nierte Größe, die Sauerstofffugazität dage-
gen eine von der Menge unabhängige, in-
tensive Größe.
CH 4 +2O 2 =2H 2 O+CO 2
Methan + 2O 2 = 2 Wasser + Kohlendioxid
Ni + 0,5O 2 =NiO
Nickelmetall + 0,5O 2 = Nickeloxid (NNO)
Während die ersten beiden Reaktionen in
der Natur vorkommende Festphasen bein-
halten, ist die dritte Reaktion eine in natürli-
chen Fluiden vorkommende Reaktion. Die
vierte ist eine in der Natur (bzw. zumindest
auf der Erde) nicht vorkommende Festpha-
senreaktion, die im Labor häufig verwendet
wird, um bestimmte Redoxbedingungen in
Experimenten einzustellen.
Man kann beliebig viele weitere solcher Re-
aktionen finden und definieren, aber in geo-
logischen Systemen gibt es nur eine Hand-
voll wirklich wichtiger Sauerstoffpuffer. Die
zweifellos wichtigste Reaktion in geologi-
schenSystemenistder Fayalit-Magnetit-
Quarz-Puffer (FMQ-Puffer, manchmal auch
QFMgenannt),davielewichtigegeologi-
sche Systeme relativ nahe um ihn herum lie-
gen.
Was genau bedeutet das? Es heißt einfach,
dass die Minerale Fayalit, Magnetit und
Quarz im chemischen Gleichgewicht bei ei-
ner bestimmten Temperatur eine mit ihnen
im Gleichgewicht stehende Sauerstofffuga-
zität definieren („puffern“) und dass viele
geologische Systeme bei gleicher Tempera-
tur sehr ähnliche Gehalte an Sauerstoff auf-
weisen, die alle im Bereich von wenigen Zeh-
nerpotenzen übereinstimmen.
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