Basiswissen

Oft würfelförmiges und glänzendes Mineral Pyrit: Summenformel FeS₂ - ähnelt in Glanz und Farbe Gold oder Messing. Es bildet gerne würfelförmige oder auch oktaedrische Kristalle von mehreren Zentimetern Größe aus. Pyrit ist immer undurchsichtig. Chemisch ist eine Verbindung aus Eisen und Schwefel.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Ineinander verwachsene Pyritwürfel☛

In Zahlen

Mohs-Härte: 6 bis 6,5

Dichte: 4,95 bis 5,2 Gramm pro Kubikzentimeter

Strichfarbe: Grün bis bläulich-schwarz

Erhitzung: zersetzt bis bei 743 °C

Woher kommt der Name Katzengold?

Tatsächlich hat die Namensherkunft nichts mit Katzen zu tun. Als Ursprung wird eine Verballhornung des Wortes Ketzer vermutet. Katzengold wäre als Ketzergold. Lies mehr unter Katzengold ↗

Im Bergbau

Pyrit tritt als Mineral unter anderem beim Abbau von Steinkohle und sulfidischen Erzen (z. B. Kupfer, Eisen) auf. Das Pyrit oxidiert dabei^[6] langsam wenn es mit dem Sauerstoff aus der Luft in Verbindung kommt. Unter anderem zwei Probleme werden dabei genannt: a) es entstehen für Menschen ungesunde Gase und b) die Entwicklung hoher Temperaturen durch die exotherme Reaktion, bis hin zur offenen Verbrennung.^[5] Ein Thema im Bergbau ist es, die Oxidation von Pyrit entweder einzudämmen oder die Folgen zu beherrschen.

Elektrische Leitfähigkeit

Frage

Fast alle Metalle sind gute elektrische Leiter. Unter den Nichtmetallen gibt es aber viele sehr schlechte Leiter, bis hin zu den Isolatoren, die Strom gar nicht leiten. Wie verhält sich dann eine Verbindung aus einem Metall und einem Nichtmetall?

Versuch

Pyrit ist eine Verbindung aus einem Metall und einem Nichtmetall. Es leitet Strom nicht schlecht: in einem Versuch wurde ein Pyritwürfel mit der Kantenlänge von etwa einem Zentimeter an gegenüberliegenden Seiten an Gleichspannung angeschlossen. Bei 4,5 Volt flossen 3 Ampere Strom. Schon nach wenigen Sekunden war der Würfel so heiß, dass man ihn kaum mehr anfassen konnte.

Deutung

Auch wenn die meisten Nichtmalle also schlechte Leiter der Elektrizität sind, so können Verbindungen von Nichtmetallen mit Metallen Strom dennoch leiten. Pyrit gilt als ein sogenannten Halbleiter^[2]^[3]. Siehe auch elektrische Leitfähigkeit ↗

Hintergrund

Im Jahr 1955 führte ein Wissenschaftler der Universität Tokio systematische Versuche mit Pyritprismen durch, um die elektrische Leitfähigkeit von Pyrit bei vielen verschiedenen Temperaturen zu bestimmen.^[4]

Es wurden insgesamt 21 Proben von Pyritkristallen aus Japan untersucht.

Aus den Kristsallen wurden Quader (prisms) mit einer Länge von 0,5 cm, einer Breite von 0,2 cm und einer Höhe von 0,1 cm heraus geschnitten.

Die Oberflächen wurden poliert (smoothed).

Mit Röntgenstrahlen wurde sicher gestellt, dass die Proben keine Fremdeinschlüsse (inclusions, andere Stoffe) in sich haben.^[1]

Die Versuche gingen nur bis 400 °C. Bei höheren Temperaturen käme es in der Atmosphäre mit ihrem Sauerstoff zu einer störenden Oxidation ↗

Die angelegte Spannung lag zwischen 20 bis 25 Mikrovolt ↗

Die Stromstärke durch die Pyritproben lag bei 2 bis 4 Milliampere ↗

Bei 20 °C lagen die spezifischen Widerstände zwischen 0,0029 Ω·cm und 3,8 Ω·cm.

TO-DO:

Es ist noch zu überprüfen, inwiefern die spezifischen Widerstände aus der Literatur und die Kennzeichnung von Pyrit als Halbleiter zu dem Versuchsergebnis passt, dass bei 4,5 Volut angelegter Spannung einem Kubizentimeterwürfel 3 Ampere Strom flossen. Passt dieser Wert zu einem Halbleiter? Lässt sich das Versuchsergebnise nachstellen?

Schlüssel zur Uratmosphäre

Uratmosphäre

Geologen glauben recht gut zu wissen, wie sich die Atmosphäre der Erde über die rund 4,5 Milliarden ihres Lebens verändert hat. Etwa bis zur Hälfte ihres Lebensalters gab es in der Atmosphäre, so die Erkenntisse der Geologen gar keinen oder nur sehr wenig freuen Sauerstoff. Als frei bezeichnet man Sauerstoff, der nicht mit einem anderen chemsichen Element verbunden ist. Aber woher nehmen die Geologen ihre Sicherheit, das zu behaupten?

Pyrit

Eine wichtige Rolle spielt das Mineral Pyrit. In Kontakt mit dem freien Sauerstoff aus der Luft oxidiert Pyrit langsam zu anderen Stoffen.^[6] Dieser Prozess kann Wochen, Monate oder Jahre dauern. Aber irgendwann ist frei an der Luft herumliegendes Pyrit verwittert. Wenn also irgendwo an der Oberfläche der Erde heute Pyrit liegt, wird es über die Zeit verwittern. Die Pyritkristalle hätten kaum eine Chance, als Sediment in Gesteinen eingebettet zu werden und sich so "in die Zukunft zu retten". Umgekehrt kann schließen: findet man in Gesteinen Sedimente, die typischerweise an der Erdoberfläche abgelagert wurden, und enthalten diese Sedimente Pyrit, dann kann es kaum oder keinen Sauerstoff in der Atmosphäre gegeben haben. Und in den älteren Konglomeraten Sedimentgesteinen aus der Geschichte der Erde, aus der Zeit vor der sogenannten Sauerstoffkatastrophe, findet man tatsächlich massenhaft Pyrit, danach so gut wie nicht mehr.^[7]^[8]

TO-DO:

Wie könnte man die Oxidation von Pyrit im Sinne einer Verwitterung als Laborversuch in einem vernünftigen Zeitrahmen von vielleicht wenigen Wochen oder Monaten nachstellen?

Synonyme

Schwefelkies ↗

Katzengold ↗

Narrengold ↗

Eisenkies ↗

Pyrit ↗

FeS2 ↗

Fußnoten

[1] John C. Marinace: Some Electrical Properties of Natural Crystals of Iron Pyrite. Phys. Rev. 96, 593 – Published 1 November, 1954. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.96.593

[2] Akira Sasaki: On the Electrical Conduction of Pyrite. In: Mineralogical Journal. Volume 1. No. 5. Dezember 1955. Dort die Seiten 290 bis 302.

[3] Pyrit gehört zu den Halbleitern (semiconductors): "The sulfides galena, chalcopyrite, and pyrite are semiconductors whose electrical resistivity and type are controlled by deviations from stoichiometry and impurity content, and hence by their geochemical environment." In: D. F. Pridmore; R. T. Shuey: The electrical resistivity of galena, pyrite, and chalcopyrite. American Mineralogist (1976) 61 (3-4): 248–259.

[4] "Electrical resistivity of pyrite has been measured over the wide temperature range from about -180 °C to +400 °C on some specimens from Japan. The data obtained show that the electrical conduction of natural pyrite possesses the properties of typical extrinsic semiconductor. The presence of some impurity energy levels causes rather low and various resistivities at room temperature,

while the perfect crystal without such impurity energy levels should have the higher specific resistivity, about 104 Ω·cm." Zum Ergebnis: "The specific resistivity at 20 °C is distributed between the order of 10⁻³ Ωcm and 10¹ Ωcm." In: Akira Sasaki: On the Electrical Conduction of Pyrite. In: Mineralogical Journal. Volume 1. No. 5. Dezember 1955. Dort die Seiten 290 bis 302.

[5] Im Bergwerk Falun in Schweden werden bis zu 2000 Tonnen Minerale pro Jahr oxidiert. Dadurch kann die Gesteinstemperatur auf bis zu 50 °C ansteigen. In der Veröffentlichung wird unter anderem untersucht, ob aus einer nassen Oxidation von Pyrit mit Wasser eine Zündung hin zu einer offenen Verbrennung erfolgen kann. Darüber könnten zum Beispiel auch Grubenhölzer in Brand geraten. A. Bergholm: Oxidation of Pyrite. Übersetzung aus dem Schwedischen. United States Geological Survey. Open-File Report 95-389. 1995.

[6] Guilin Hu, Kim Dam-Johansen, Stig Wedel, Jens Peter Hansen: Decomposition and oxidation of pyrite. In: Progress in Energy and Combustion Science. Volume 32, Issue 3, 2006. Pages 295-314. ISSN 0360-1285.

[7] "Alle Beispiele, die älter als das „Great Oxidation Event“ (2,4 Ga) sind, zeichnen sich durch gerundeten Pyrit und Uraninit aus, jüngere durch detritäre Fe-Oxide an Stelle von Pyrit und einem Mangel an gerundetem Uraninit." In: Frimmel, H. E., & Grote, M. (2015): Von den Frühstadien des Lebens zur Bildung der weltweit größten krustalen Goldanreicherungen. Geowissenschaftliche Mitteilungen (GMIT) 62. Dezember 2015. Dort ab Seite 6. Online: URL: https://e-docs.geo-leo.de/bitstream/handle/11858/8255/Gmit_62.pdf?sequ

[8] Es "lässt sich die frühe Zusammensetzung und Entwicklung der frühen Atmosphäre unseres Planeten anhand spezifischer (meta-)sedimentärer Gesteine teilweise rekonstruieren. Minerale wie Pyrit (FeS₂) oder Uraninit (UO₂) können nicht unter sauerstoffreichen Oberflächenbedingungen existiert haben, denn dort wären sie oxidiert worden. Sind sie aber Bestandteil der Komponenten von z. B. konglomeratischen Gesteinen, dann kann daraus auf Sauerstoff-Armut der Paläoatmosphäre vor 4-2,5 Mrd. Jahren geschlossen werden." In: Haase, G., & Le Heron, D. P. (Hrsg.) (2019): Das System der Erde – was bewegt die Welt? (Univerlag, Göttingen). ISBN 3-938616-07-5. Dort im Kapitel "Die sedimentäre Haut unseres Planeten" auf Seite 49. Online: https://univerlag.uni-goettingen.de/bitstream/handle/3/isbn-3-938616-07-5/systemerde_book.pdf