Infrarotspektroskopische und NMR-spektroskopische Charakterisierung von Wasserstofftypen in Mineralen

Wasserstoff ist ein Haupt-, Neben- und Spurenbestandteil in einer breiten Vielzahl von Mineralen der Lithoshäre der Erde. Normalerweise gebunden zum Sauerstoff in den Strukturen der Mineralen (in Form von OH- und H2O, selten auch als H3O+, H3O2- und H5O2+ Gruppen) trägt er zur Bildung der stöchiometrischen Hydrate und der Hydroxide, viele von ihnen mit ökonomischem Wert, wie Zeolith, Gips CaSO4 • 2H2O, Manganite MnO (OH-) etc., bei. Obwohl diese stöchiometrischen wasserhaltigen Phasen in der oberen Kruste am häufigsten sind, bestehen sie auch in grösseren Tiefen in Subduktionszonen fort und können für den Wasserkreislauf in der Mantelregion (z.B. Lawsonit, Talk, K-Amphibole, etc.) verantwortlich sein. Wegen des enormen Volumens des Erdmantels, spielen nominell wasserfreie Mineralien unter den hohen P/T Zuständen des Erdmantels, der Wasserstoff nur Neben- oder Spurenbestandteil enthält, eine wichtige Rolle für den Wasseretat der Erde.
Eine alternative Möglichkeit zur Infrarotspektroskopie die strukturelle Einbindung von Protonen in Mineralen zu studieren, ist die 1H Festkörper NMR Spektroskopie. Das 1H Isotop liegt in nahezu 100%-iger Häufigkeit vor und besitzt außerdem das höchste magnetische Moment aller messbaren Atomkerne. Somit kann auch Wasserstoff in reduzierten Mengen oberhalb von 400 ppm H2O Gehalt gut detektiert werden.


Ziel der Arbeit:

Mit Hilfe der Valenz- und Deformationsschwingungen der H-Bindung in der Infrarotspektroskopie und der für das Proton typischen magnetischen Wechselwirkungen (kleine lokale Magnetfelder) in der NMR-Spektroskopie und den damit verbundenen typischen Signalformen, die die eigentliche Information über die Lokalumgebung liefern, kann detektiert werden in welcher Form das Proton im einzelnen Mineral gebunden vorliegt. Ziel ist es die Wasserstoffumgebung in verschiedenen eisenfreien Mineralen zu bestimmen, und diese untereinander zu vergleichen, um einen Einblick in die strukturelle Bindung zu erhalten.

Arbeitsplan:

In den ersten 10 Tagen soll sich der Kandidat in die Literatur und begrenzt in die IR- und NMR- Methodik einarbeiten, um einfache Experimente durchführen zu können. Synthesearbeiten sind nicht erforderlich, da die zu untersuchenden natürlichen Proben (Hans-Peter Schertl) bereits vorliegen. In den nächsten 15 Tagen werden 1H MAS NMR und Infrarot-Untersuchungen an den Mineralen mit variierenden H2O Gehalten durchgeführt. Die Auswertung, Interpretation und Zusammenfassung der Ergebnisse (BSc-Arbeit) erfordert weitere 15 Arbeitstage.