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Literatur 
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Abbildungsnachweis 
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Vertiefte Anwendung von geochemischen Labormethoden

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  • Goethit: FeO3(OH)3-Oktaeder über Kanten zu Doppelketten und diese über Oktaederecken verknüpft
    Lepidokrokit: Doppelketten bilden über Oktaederkanten Zick-Zack-Schichten, die durch H+-Brücken zusammengehalten werden
  • Hämatit: 2 FeO6-Oktaeder, die 3 O-Ionen gemeinsam haben
  • Eisen im Boden - Oxalat- und dithionitlösliches Eisen

    1. 1. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 Oxalat- und dithionitlösliches Eisen Abb. 1: Eisenoxid im Go (www.bildarchiv-boden.de) Abb. 2: Wurzelröhre mit Eisenoxiden (www.bildarchiv-boden.de) Modul: MA-AG/PG-06 Seminar: Vertiefte Anwendung von geochemischen Labormethoden Leitung: Dr. Birgit Schneider Simon Schmidt | M. Sc. Physische Geographie | Universität Leipzig | 12/11/2012
    2. 2. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 Oxalat- und dithionitlösliches Eisen Gliederung: 1. Hintergrund des Themas 2. Einführung Eisen und Eisenoxide im Boden 3. Besonderheiten und Eigenschaften verschiedener Eisenoxide 4. Unterschiedliche Eisenverbindungen im Boden Aus rechtlichen Gründen nicht veröffentlichbar 5. Oxalat- und dithionitlösliches Eisen (Feo, Fed) 6. Analytische Vorgehensweise (Extraktion) 7. Fehlerquellen der Methode 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele) Simon Schmidt & Oliver Sturm, M. Sc. Physische Geographie, Universität Leipzig, 12/11/2012
    3. 3. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 1. Hintergrund des Themas Wieso ist Eisen im Kontext des Seminars interessant? • Fe mit 5,1 m.-% das 4. häufigste Element der Erdkruste (als primäres Fe in Silikaten und Sulfiden) und damit charakteristisch für Böden • Durch Verwitterung von Fe-haltigen primären Mineralen kommt es zur Freisetzung von Fe2+ und Fe3+ • Vergleich von unterschiedlichen Eisenverbindungen gibt Aufschluss über Art und Ausmaß der abgelaufenen Pedogenese, Verockerungsgefahr, Bindungskapazität von Spurenelementen und Schwermetallen • Eisenverbindungen verleihen dem Boden seine Farbe 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    4. 4. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 2. Einführung Eisen und Eisenoxide im Boden Primäre vs. Sekundäre Minerale • Primäre Minerale: Scheiden sich durch Kristallisation aus der Gesteinsschmelze ab (Silikate, Quarze, Carbonate) • Sekundäre Minerale: entstehen bei Umbildung oder Neubildung aus der Verwitterungslösung (Tonminerale, Oxide) 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    5. 5. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 2. Einführung Eisen und Eisenoxide im Boden • Eisen in primären Mineralen • Freisetzung von Fe2+ und Fe3+ bei Verwitterung von Fe-haltiger primären Mineralen wie Biotit, Olivin, Magnetit etc. • In Abhängigkeit unterschiedlicher Redoxpotentiale bilden sich unterschiedliche Eisenminerale (Eisenoxide) Bitoit Olivin Magnetit • !Achtung: Eisenoxid wird oft synonym für Fe-Oxide und Fe-(Oxi)hydroxide verwendet 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    6. 6. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 2. Einführung Eisen und Eisenoxide im Boden oxidiert Dehydration & Rekristallisation +Hum Eisen-Humuskomplexe +H2O Ferrihydrit (5Fe2O3*9H2O) rotbraun -H2O Hämatit (αFe2O3) blutrot +H2O Goethit (αFeOOH) gelbbraun Bildung von Eisenoxiden Primäre Fe-haltige Minerale (Biotit, Amphibole, Pyroxene, Olivine) Freisetzung von Fe2+ und Fe3+ Kristallisation Fällung Hydrolyse & oxidiert und reduziert Lepidokrokit (γFeOOH) orange reduziert +H2O Grüner Rost (Fe2+/Fe3+(OH)x)) blaugrün … Fe3+ Bodenlösung Fe2+ 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    7. 7. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 2. Einführung Eisen und Eisenoxide im Boden Struktur der Eisenoxide • Baustein: Fe-Okataeder mit zentralem Fe3+, der entweder von 6O2-- oder 3O2-- und 3OH--Ionen umgeben ist Abb. 3: Struktur des Fe- Oktaeders im Eisenoxid (http://virtual-museum. soils.wisc.edu/hemat ite/index.html) • Durch randliche Hydroxylgruppen: Fähigkeit zur Humusbindung und Anionenaustausch • Durch isomorphen Ersatz: Speicherfähigkeit für Schad- und Nährstoffe 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    8. 8. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 2. Einführung Eisen und Eisenoxide im Boden Struktur von Fe-Oxihydroxiden Goethit (α-FeOOH) & Lepidokrokit (β-FeOOH) • Beide unterscheiden sich nur in der räumlichen Anordnung der Oktaeder Abb. 4: Struktur von Goethit (CHESWORTH 2007) Abb. 5: Struktur von Lepidokrokit (CHESWORTH 2007) 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    9. 9. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 2. Einführung Eisen und Eisenoxide im Boden Struktur von Fe-Oxiden: Ferrihydrit (5Fe2O3*9H2O) & Hämatit (α-Fe2O3) Abb. 6: Struktur von Hämatit (CHESWORTH 2007) Abb. 7: Struktur von Hämatit im Modell (http://virtual-museum. soils.wisc.edu/hematite/index.html) • Unterscheidung amorphe vs. kristalline Eisenoxide 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    10. 10. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 2. Einführung Eisen und Eisenoxide im Boden Vergleich zwischen Goethit (α-FeOOH) und Ferrihydrit (5Fe2O3*9H2O) im Elektronenmikroskop Abb. 8: Struktur von Ferrihydrit (KAISER 2012) Abb. 9: Struktur von Goethit (KAISER 2012) 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    11. 11. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 3. Besonderheiten und Eigenschaften verschiedener Eisenoxide Erscheinungsformen • Eisenoxide können im Boden vorliegen als: • Umhüllungen von Mineralen • Bindemittel von Mineral und Bodenaggregaten • Konkretionen (Lösung unter anaeroben Bedingungen, Wanderung bis aerobe Bedingungen, Oxidation und Ausfällung) • Einzelminerale 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    12. 12. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 3. Besonderheiten und Eigenschaften verschiedener Eisenoxide Abhängigkeiten • Die Bildung von Eisenoxiden ist von verschiedenen Faktoren abh.: • Schnelligkeit der Fe-Nachlieferung • Temperatur • Wassergehalt • Redox-Bedingungen • Reaktion des Bodens 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    13. 13. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 3. Besonderheiten und Eigenschaften verschiedener Eisenoxide Eigenschaften • niedriges Löslichkeitsprodukt • kleine Kristalle (2-100nm) • große spezifische Oberflächen (50-200m²/g) • bedeutsam für KAK und AAK • Isomorpher Ersatz • wegen geringer Kristallisation Bestimmung oft schwierig 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    14. 14. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 3. Besonderheiten und Eigenschaften verschiedener Eisenoxide Ferrihydrit • durch schnelle Hydrolyse (Reaktion Fe3+ und H2O) • Entstehung: wenn Grundwasser mit hohem Gehalt an Fe2+ mit Sauerstoff in Berührung kommt • schlechtkristallin (amorph), junges Fe-Oxid, welches in älteren Böden fehlt • Erscheinung: z.B. als Eisenabscheidung an Drainagerohren Abb. 10: Ferrihydrit am Drainagerohr (BIGHAM 2009) 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    15. 15. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 3. Besonderheiten und Eigenschaften verschiedener Eisenoxide Goethit • durch Hydrolyse (Reaktion Fe3+ und H2O) • Lösung von Ferrihydrit und Neubildung zu Goethit • Oxidation von Grünem Rost (Hydrolyse von Fe2+ und Fe3+) und Mineralumwandlung in basischem, trockenem Milieu • Erscheinung: braune Farbe im Bv einer Braunerde • Häufigstes pedogenes Fe-Oxid wegen hoher Stabilität Abb. 11: Braunerde (S. Schmidt 2010) 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    16. 16. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 3. Besonderheiten und Eigenschaften verschiedener Eisenoxide Hämatit • Dehydratation von Ferrihydrit und Umkristallisation • Erscheinung: blutrote Böden der Tropen • in Mitteleuropa: reliktische Böden unter tropischen Bedingungen entstanden Abb. 12: Ferralsol (S. Schmidt 2010) 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    17. 17. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 3. Besonderheiten und Eigenschaften verschiedener Eisenoxide Lepidokrokit • Oxidation von Grünem Rost (Hydrolyse von Fe2+ und Fe3+) und Mineralumwandlung in saurem, wechselfeuchtem Milieu • Erscheinung: in Sd-Horizonten von Pseudogleys Abb. 13: Pseudogley in Mittelfranken (KÖLLING et al. 2010) 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    18. 18. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 4. Unterschiedliche Eisenverbindungen im Boden Löslichkeit verschiedener Eisenverbindungen Abkürzung Beschreibung Erklärung Feo Oxalatlösliches Fe organisch komplexiertes Fe, amorphe Fe-Oxide wie Ferrihydrit Fed Dithionitlösliches Fe amorphe Fe-Oxide (wie Feo), unter Dithionitextraktion lösliche kristalline Fe-Oxide wie Geothit, Hämatit, Lepidokrokit, Maghemit (pedogene (freie) Fe-Oxide) Fesi/p (Fet-Fed) Pyrophosphatlösliches Fe silikatisch gebundenes Fe in primären Mineralen Fet Gesamteisen Fekrist (Fed-Feo) Kristalline pedogene Fe- Oxide gut kristallisierte Fe-Oxide wie Goethit Feorg (Fep-Feo) Organisch gebundes Fe 1. Hintergrund | 2. Einführung Eisenoxide | 3. Besonderheiten Eisenoxide | 4. Eisenverbindungen
    19. 19. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 Inhalte aus rechtlichen Gründen nicht veröffentlichbar Simon Schmidt | M. Sc. Physische Geographie | Universität Leipzig | 12/11/2012
    20. 20. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele) KUTZBACH, L. (2000): Die Bedeutung der Vegetation und bodeneigener Parameter für die Methanflüsse in Permafrostböden; Hamburg. • Untersuchung von pyrovat-, oxalat- und dithionitlöslichem Eisen in verschiedenen Permafrostbodenprofilen Bsp.: Typic Aquiturbel: Abb. 1: Typic Aquiturbel (KUTZBACH 2000) 7. Fehlerquellen | 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele)
    21. 21. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele) KUTZBACH, L. (2000): Die Bedeutung der Vegetation und bodeneigener Parameter für die Methanflüsse in Permafrostböden; Hamburg. • Go: Eisenanreicherung mit erhöhtem Feges-Gehalt von 3,0% • Eisenanreicherung in Go und Gor anhand des Tiefenverlaufs an Fed sichtbar Go/Gor: Fed-Gehalt: 5,3-10,7‰ Gr: Fed-Gehalt: 3,2‰ Ah: Fed-Gehalt: 4,2‰ • Verhältnis Feo/Fed: Ah: Feo/Fed: 0,28‰ G: Feo/Fed: 0,47‰ Gor-Band mit hohem Fed-Gehalt: Feo/Fed: 0,13‰ • Verhältnis Fep/Fed: Gor/Gr: Fep/Fed: 0,21‰ Ah/Go: Fep/Fed: 0,01‰ Gor-Band mit hohem Fed-Gehalt: Fep/Fed: 0,02‰ Abb. 1: Typic Aquiturbel (KUTZBACH 2000) 7. Fehlerquellen | 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele)
    22. 22. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele) KUTZBACH, L. (2000): Die Bedeutung der Vegetation und bodeneigener Parameter für die Methanflüsse in Permafrostböden; Hamburg. Abb. 2: Tiefenprofil der Eisengehalte im Typic Aquiturbel (KUTZBACH 2000) • Akkumulation von Eisen in Go/Gor • Eisenoxide waren schlecht kristallisiert  junges Bildungsalter • Im Ah nur geringe Gehalte schlecht kristallisierter Fe-Oxide  keine Wassersättigung und reduzierende Bedingungen über lange Zeiträume • Falls Fe-Oxide im Ah aufgetreten wäre, dann wäre mit vertikaler Verlagerung zur Geländeoberfläche zu rechnen gewesen • Akkumulation von Fe im Gor  nicht auf rezente Verlagerung zurückzuführen sondern deutet auf andere Wasserhaushaltsverhältnisse hin 7. Fehlerquellen | 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele)
    23. 23. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele) BULLMANN, H. (2010): EIGENSCHAFTEN UND GENESE PERIGLAZIALER DECKSCHICHTEN AUF CARBONAT-GESTEINEN DES MUSCHELKALKS IN EINEM TEILGEBIET DER OSTTHÜRINGISCHEN TRIASLANDSCHAFT; LEIPZIG. • Untersuchung von pyrovat-, oxalat- und dithionitlöslichem Eisen in verschiedenen Deckschichten • Fragestellungen: • Welche Gehalte an pedogenem Eisen (Fed, Fed-o) und Gesamteisen (Fet) charakterisieren die Substrate und können die Gehalte als kennzeichnenden Merkmale herausgestellt werden? • Können pedogenetische Überformungsprozesse wie die Lessivierung in Ausmaß und Tiefenwirkung unter Berücksichtigung der Substratschichtung beschrieben werden? • Lässt sich eine höhere Verwitterungsintensität der kalksteinbürtigen tonigen Substrate (Kalksteinbraunlehm, Kalksteinbraunlehmschutt) nachweisen? • Sind Kalksteinbraunlehme reliktisch und vor allem unter mächtigerer Lösslehmüberdeckung (Hauptlage/Mittellage/Kalksteinbraunlehm-Profile) fossil? 7. Fehlerquellen | 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele)
    24. 24. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele) BULLMANN, H. (2010): EIGENSCHAFTEN UND GENESE PERIGLAZIALER DECKSCHICHTEN AUF CARBONAT-GESTEINEN DES MUSCHELKALKS IN EINEM TEILGEBIET DER OSTTHÜRINGISCHEN TRIASLANDSCHAFT; LEIPZIG. • Erkenntnis: Fed und Fet steigen mit Tongehalt an  auf Verwitterungsprozesse zurückzuführen • Höhere Eisenfreisetzungsgrade in tonreichen Hauptlagen als schluffreiche Hauptlagen • Skelettreiche Mittellagen geringere Gehalte als skelettfreie Mittellagen • Nach Fed-o/Fet-Quotient: höhere Verwitterungsintensität der Braunlehmsubstrate gegenüber schluffreichen Hauptlagen 7. Fehlerquellen | 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele)
    25. 25. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele) BULLMANN, H. (2010): EIGENSCHAFTEN UND GENESE PERIGLAZIALER DECKSCHICHTEN AUF CARBONAT-GESTEINEN DES MUSCHELKALKS IN EINEM TEILGEBIET DER OSTTHÜRINGISCHEN TRIASLANDSCHAFT; LEIPZIG. Abb. 3: Eisenfreisetzungsgrad (Fed/Fet) (a) bzw. (Fed-o/Fet) (b) und Eisenverwitterungsindex (c) (BULLMANN 2010) 7. Fehlerquellen | 8. Anwendungsfelder (Fallbeispiele)
    26. 26. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 Literatur BLUME, H.P.; STAHR, K.; LEINWEBER, P. (2011): Bodenkundliches Praktikum; Heidelberg BULLMANN, H. (2010): Eigenschaften und Genese periglazialer Deckschichten auf Carbonat-gesteinen des Muschelkalks in einem Teilgebiet der ostthüringischen Triaslandschaft; Leipzig. CAMPILLO, M.C.; TORRENT, J. (1992): A rapid acid-oxalate Extraction procedure for the determination of active Fe-oxide forms in calcereous soils; in: J. of Plant N. and Soil S. (155): 437-440. CHESWORTH, W. (2008): Encyclopedia of Soil Science; Dordrecht, NL. FISCHER, W.R. (1976): Differenzierung oxalatlöslicher Eisenoxide; in: J. of Plant N. and Soil S. (139): 641-646. HINTERMEIER-ERHARD, G.; ZECH (1997): Wörterbuch der Bodenkunde, Stuttgart. LORZ, C. (2008): Ein substratorientiertes Boden-Evolutions-Konzept für geschichtete Bodenprofile: Genese und Eigenschaften von lithologisch diskontinuierlichen Böden; in: Relief, Boden, Paläoklima (23). MEHRA, O.P.; JACKSON, M.L. (1958): Iron Oxide Removal from Soils and Clays by a Dithionite-Citrate System Buffered with Sodium Bicarbonate; in: Clay and Clay Minerals (7): 317-327. SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. (2010): Lehrbuch der Bodenkunde; 14. Auflage; Heidelberg. SEMMEL, A. (1977): Grundzüge der Bodengeographie; Stuttgart. SCHWERTMANN, U. (1959): Die fraktionierte Extraktion der freien Eisenoxyde in Böden, ihre mineralogischen Formen und ihre Entstehungsweisen; in: J. of Plant N. and Soil S. (84): 194-204. SCHWERTMANN, U. (1959): Über die Synthese definierter Eisenoxyde unter verschiedenen Bedingungen; in: Z. für anorg. Und allg. Chemie (298): 337-348. SCHWERTMANN, U. (1964): Differenzierung der Eisenoxide des Bodens durch Extraktion mit Ammoniumoxalat-Lösung; in: J. of Plant N. and Soil S. (105): 194-202. SCHLICHTING, E.; BLUME, H.P.; STAHR, K. (1995): Bodenkundliches Praktikum; Berlin/Wien. TORRENT, J.; GUZMAN, R.; PARRA, M.A. (1982): Influence of relative humidity on the crystallization of Fe(III) Oxides from Ferrihydrite; in: Clays and Clay Minerals (30): 337-340. VARADACHARI, C.; GOSWAMI, G.; GHOSH, K. (2006): Dissolution of Iron Oxides; in: Clay Research (25): 1-19. Simon Schmidt | M. Sc. Physische Geographie | Universität Leipzig | 12/11/2012
    27. 27. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 Abbildungsnachweis Bigham, J. (2009): Ferrihydrite; in: http://www.wikipedia.org/wiki/Ferrihydrite; Letzter Aufruf: 10/11/2012. Ehrmann, O. (2012): Bildarchiv Boden-Landwirtschaft-Umwelt; in: http://www.bildarchiv-boden.de; Letzter Aufruf: 10/11/2012. Kaiser, K. (2012): Physikochemische Grundlagen der Bodennutzung; Halle (Saale); unveröffentlicht. Kölling, C.; Dietz, E.; Schubert, A.; Stetter, U. (2010): Bunte Vielfalt bayerischer Böden; in: LWF aktuell (78): 9-10. Virtual-Museum (2005): Hematite; in: http://virtual-museum.soils.wisc.edu/hematite/index.html; Letzter Aufruf: 10/11/2012. Simon Schmidt | M. Sc. Physische Geographie | Universität Leipzig | 12/11/2012
    28. 28. Eisen im Boden – Simon Schmidt | 12/11/2012 Oxalat- und dithionitlösliches Eisen Abb. 1: Eisenoxid im Go (www.bildarchiv-boden.de) Abb. 2: Wurzelröhre mit Eisenoxiden (www.bildarchiv-boden.de) Modul: MA-AG/PG-06 Seminar: Vertiefte Anwendung von geochemischen Labormethoden Leitung: Dr. Birgit Schneider Simon Schmidt | M. Sc. Physische Geographie | Universität Leipzig | 12/11/2012

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