Silicate

Silikat steht allgemein für eine chemische Verbindung von Silizium und Sauerstoff (Si_xO_y) und einem oder mehreren Kationen (positiv geladene Ionen), möglicherweise auch Wasser, Hydroxid oder Fluorid. Die Geologie unterscheidet zwischen Silikatmineralen und technischen Silikaten. Erdkruste und Erdmantel bestehen zu über 90% aus Silkaten.

Struktur der Silikate

Allen Silikaten ist ein gemeinsames Bauprinzip eigen, deshalb lassen sie sich einfach in eine systematische Ordnung bringen. Grundbaustein aller Silikate sind SiO₄-Tetraeder. Ein Siliziumatom ist dabei von vier Sauerstoffatomen umgeben. Die Sauerstoffatome berühren sich wegen ihrer Größe, in der Mitte bleibt Platz für das relativ kleine Siliziumatom (der freie Raum heisst Tetraederlücke). Eine weitere Eigenschaft der Silikate besteht in der Eigenschaft der Sauerstoffatome gleichzeitig an verschiedenen SiO₄-Komplexen teilzuhaben. Daraus ergeben sich neben isolierten SiO₄-Tetraedern weitere, zusammengesetzte Bauelemente: Doppeltetraeder, Ring-, Ketten-, Doppelketten-, Schicht- und Gerüststrukturen.

Abbildung 1: Gittermodelle von Silikatstrukturen

Silizium kann durch das chemisch ähnliche Aluminium ersetzt (substituiert) werden. Silikate nennt man Alumosilikate. Wird das vierwertige Silizium (Si⁴⁺) durch dreiwertiges Aluminium (Al³⁺) substituiert, muss Ladungsausgleich durch Einbau weiterer Kationen (positiv geladene Ionen) erfolgen. Das Al:Si-Verhältnis kann den Wert 1 nicht überschreiten. Aluminate kommen in der Natur nicht vor.

Systematik

Die Silikate bilden wie bereits erwähnt eine äußerst ausgedehnte Mineralfamilie. Es treten große Unterschiede hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Kristallsymmetrie, Bindungsarten und Struktur der Grundbausteine auf. Deshalb gibt es verschiedene Klassifikationsschemata für Silikate.

Klassifizierung nach Polymerisationsgrad der SiO₄-Tetraeder

Nesosilikate - Inselsilikate

Isolierte SiO₄-Tetraeder. z.B.: Olivin: (Mg,Fe)₂[SiO₄] oder Zirkon: Zr[SiO₄].

Sorosilikate - Gruppensilikate

Je zwei [SiO₄-Komplexe sind über ein Sauerstoffatom zu Doppeltetraedern verbunden, wobei dieser sogennante Brückensauerstoff jedem SiO₄-Tetraeder zur Hälfte angehört. Si:O=2:7. Diese Struktur kommt weniger häufig vor. z.B.: Gehlinit: Ca₂Al[(Si,Al)₂O₇].

Cyclosilikate - Ringsilikate

Voneinander isolierte Dreier-, Vierer- und Sechserringe. Die Formel der Ringstrukturen sind: [Si₃O₉]^6-, [Si₄O₁₂]^8- und [Si₆O₁₈]^12-. z.B.: Beryll: Al₂Be₃[Si₆O₁₈] oder Cordierit: (Mg,Fe)₂[Al₄Si₅O₁₈]*nH₂O.

Inosilikate - Einfach- und Doppelkettensilikate

Zu den Inosilikaten gehören zwei wichtige Gruppen von gesteinsbildenden Mineralen: Pyroxene und Amphibole. Pyroxene bilden eindimensionale Einfachketten. Si:O=1:3. z.B.: Diopsid: CaMg[Si₂O₆].
Amphibole bilden eindimensionale Doppelketten. Dabei sind zwei Einfachketten seitlich über Brückensauerstoffe verbunden. Si:O=4:11. In solchen silikatischen Doppelketten sind Hohlräume vorhanden, in die (OH)^-- und F^--Ionen eintreten können. In der chemischen Summelformel wird das durch einen vertikalen Strich zum Ausdruck gebracht. z.B.: Aktinolith: Ca₂(Mg,Fe)₅[(OH)₂|Si₈O₂₂].

Phyllosilikate - Schichtsilikate

Zweidimensionale Schichtstrukturen von SiO₄-Tetraedern. Innerhalb einer Schicht teilt sich jedes Siliziumion drei seiner Sauerstoffatome mit seinen Nachbarn. Si:O=2:5. Zwischen den SiO₄-Schichten befinden sich Hohlräume die mit (OH)^-- und F^--Ionen besetzt wreden können. Die Schichtsilikate besitzen eine weitergehende Systematik und werden unterteilt in Zwei- und Dreischichtsilikate, eine weitere Unterteilung berücksichtigt die Strukturen und Ionen, die sich zwischen zwei Tetraederschichten befinden. Zu den Schichtsilikaten gehören Mineralgruppen wie Glimmer, Talk, Serpentin und Tonminerale z.B.: Muscovit: KAl₂[(OH)₂|AlSi₃O₁₀].

Tectosilikate - GerüstsilikatGerüstsilikate

Dreidimensionale Netzwerkstrukturen von SiO₄-Tetraedern. Jedes Sauerstoffatom gehört gleichzeitig zwei benachbarten Siliziumatomen an. Daraus ergibt sich die chemische Summenformel SiO₂, das ist Quarz. Für weitere Gerüstsilikate muss Silizium durch Aluminium ersetzt werden. Ein Ladungsabgleich erfolgt durch Einlagerung von Kationen. Zu den Gerüstsilikaten gehören die Feldspäte und Feldspatvertreter, eine wegen ihrer Häufigkeit außerordentlich wichtige Gruppe von Mineralen. z.B.: Mischreihe der Plagioklase (Albit - Anorthit): NaAlSi₃O₈ - CaAl₂Si₂O₈.

In das weitmaschige Gitternetz einiger Gerüstsilikate können sogar große Moleküle wie [[H₂O|Wasser]] eingebaut werden. Bei hoher Temperatur entweicht das Wasser, wird jedoch bei niedriger Temperatur in mit Wasserdampf gesättigter Umgebung wieder ins Kristallgitter eingebaut. Diese wasserhaltigen Minerale gehören zur Gruppe der Zeolithe. z.B.: Natrolith: Na₂[Al₂Si₃O₁₀]*nH₂O

Klassifikation nach Kostov (siehe Referenzen)

Diese Einteilung beruht hauptsächlich auf der chemischen Zusammensetzung des Silikats und seiner Kristallmorphologie.
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Klassifikation nach Zoltai (siehe Referenzen)

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Verwendung von Silikaten

Schmuck- und Edelsteine

• Amethyst, Avanturin, Chalcedon, Citrin, Moosachat(alles Quarzvarietäten: Schmucksteine)
• Granat, Olivin (in Peridotiten: Wandverkleidungen?), Topas, Zirkon (blaue Farben bei Zirkon kommen durch "Brennen" der Kristalle zustande) (alles Inselsilikate)
• Amazonit, Labradorit (Feldspäte: Schmucksteine)
• Sodalith (Feldspatvertreter: Schmuckstein)
• Smaragd (Varietät von Beryll: Edelstein)

Kosmetischer Bereich

• Talk, gemahlen als Grundstoff für Kosmetika (gemahlener Talk wird in der Industrie Talcum genannt)

Industrie

• Talk ist vielseitig verwendbar: Farben- und Glasindustrie, Schmiermittel
• Asbest aus Chrysotil: Isolier-, Dämm- und Feuerfeste Produkte, wegen gesundheitsschädigender Nebenwirkungen mittlerweile (2002) aus der Mode gekommen
• Ton und Kaolin wichtige Rohstoffe für die Keramikindustrie, feuerfeste Tiegel, Mauer- und Dachziegel
• Herstellung feuerfester und korrosionsbeständiger Werkstoffe: Zirkon; Andalusit, Sillimanit, Disthen
• Muscovit: Elektro- und Hitzeisolation
• Zeolithe: Ionentauscher, Molekularsiebe, Phosphat-Ersatz zur Enthärtung von Wasser, Nahrungsergänzung zur "Entschlackung" (Firma und Produkt: megamin&copyright vertrieben von VIP Domotec GmbH Rheinstrasse 96 56235 Ransbach-Baumbach)
• Silizium für integrierte Schaltkreise

Referenzen

• BRAGG, W. L. (1930): The stucture of silicates. Z. Kristallogr., 74:237--305.
• DEER, W. A., HOWIE, R. A. und ZUSSMAN, J. (1982): Rock-Forming Minerals, Volume 1A: Orthosilicates. Longman, London, 2. Auflage.
• KOSTOV, I. (1975): Crystal chemistry and classification of silikate minerals. Geokhimiya, Mineralogiya i Petrologiya. 1:5--41.
• LIEBAU, F. (1962): Die Systematik der Silikate. Naturwissenschaften. 49: 481--491.
• MATTHES, S. (1993): Mineralogie. Springer-Verlag, Berlin, 4. Auflage.("inzwischen gibt es eine neue Ausgabe, Datum unbekannt")
• NA´RAY-SZABO´, S. (1930): Ein auf der Kristallstruktur basierendes Silicatsystem. Z. Physik. Chem. Abt.. B9: 356--377.
• PICHLER, H. und Schmitt-Riegraf, C. (1987): Gesteinsbildende Minerale im Dünnschliff. Enke Verlag.
• RIBBE, P. H. (1982): Reviews in mineralogy Volume 5: Orthosilicates. Mineralogical Society of America, Washington, 2. Auflage.
• SMITH, J. V. und BROWN, W. L. (1988): Feldspar Minerals, Volume 1. Springer-Verlag, Berlin, 2. Auflage.
• TRÖGER, W. E. (1952): Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale, Teil 1: Bestimmungstabellen. Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, 4. Auflage.
• TRÖGER, W. E. (1967): Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale, Teil 2: Textband. Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, ?. Auflage.
• ZOLTAI, T. (1960): Classifikation of silicates and other minerals with tetrahedral structures. American mineralogist. 45:960--973.