Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 15.07.19


Bedeutende Silicatstrukturen in der Natur

Vortrag im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", Gerald Stangl 1999, Christian Bräunlein WS 01/02, Martina Kraus WS 18/19


Gliederung:


Einstieg 1: Silicate scheinen auf den ersten Blick ein recht uninteressantes Stoffgebiet zu sein. Man tritt es sogar tagtäglich mit Füßen, denn rund 91% der Lithosphäre unserer Erde bestehen aus Silicium-Sauerstoff-Verbindungen. Wir vergessen meist auch, aus was unsere Häuser gebaut, mit was unsere Wege gepflastert sind und aus was wir unseren Kaffee trinken. Überall umgeben uns Silicat-Verbindungen. Im Gestein, im Sand, im Erdboden, im Ton, im Lehm, im Glas, und in der Keramik. In der Schul-Chemie begegnen uns die Silicate kaum, da sie experimentell meist nicht viel hergeben. Gerade deswegen sollte man diesem, auf den "zweiten Blick" doch interessanten Thema ein bisschen Aufmerksamkeit schenken. Aber Silicate kommen nicht nur in Gesteinen und Mineralien vor. Auch Pflanzen und Tiere haben sich der harten und widerstandsfähigen Strukturen bemächtigt. Wie z.B. die meisten Gräser, Schachtelhalmpflanzen, Kieselalgen oder Strahlentierchen (Radiolarien), welche aus Silicaten die faszinierendsten Strukturen aufbauen können.

Einstieg 2: "Kohlenstoff ist der Träger des organischen Lebens während Silicium der Träger des anorganischen Lebens ist".
Die Erdrinde besteht zu 26.3 % aus Silicium. Silicium kommt nie elementar vor, sondern nur gebunden in Form von Salzen. Im Mineralbereich ist Silicium vor allem in Mg-, Fe-, Aluminiumsilicaten gebunden. Besonders wichtig ist das Siliciumdioxid SiO2 (Quarz, Seesand, Kieselstein, Bergkristall ,Amethyst, usw.). Im Pflanzenreich ist Si im Gewebe vieler Pflanzen zur Verstärkung bestimmter Bauteile vorhanden; z.B. SiO2-Kriställchen in Gräsern, Halmen und Bambusstangen. Im Tierreich kommt das SiO2 in Schalen und Skeletten von Kieselalgen und Schwämmen vor. Der Name Silicium leitet sich vom lat. Namen silex bzw. silicis für Kieselsäure ab.

Si + O2 → SiO2 (α-Quarz)   ΔH = 911,55 kJ/mol

Die gebildete Siliciumdioxid-Schicht erschwert den weiteren Angriff des Sauerstoffs. Gebundenes Silicium ist im allgemeinen vierwertig, wobei es meist die Oxidationsstufe +4 aufweist (z.B. SiH4, SiF4, SiO2 ...)

Einstieg 3: Eine Umfrage der Kommilitonen, welches Element am häufigsten in der Erdekruste vorkommt, hat ergeben, das die meisten Silicium für das am häufigsten vorkommende Element halten. Ob diese Vermutung stimmt wird im folgenden erörtert. Silicium kommt in der Natur nicht als Reinstoff vor, sondern in Verbindungen, den Silicaten.


1 Oxide des Siliciums

SiO2 findet sich in der Natur sowohl in kristalliner als auch in amorpher Form. Die häufigste Erscheinungsform von SiO2 ist der Quarz.


2 Sauerstoffsäuren des Siliciums

Silicium bildet mit Sauerstoff ein tetraedrisch gebautes Ion der Zusammensetzung EO4n-, das Silicat-Anion (Monosilicat) SiO44-. Das einfachstes Glied der Kieselsäuren ist die "Siliciumsäure" H4SiO4.

H4SiO4 = Si(OH)4 = Orthokieselsäure oder Monokieselsäure.

Wenn die Hydroxygruppen - Gruppen teilweise oder vollständig durch MO - Gruppen (M = Metalläquivalent) ersetzt sind, so spricht man von Silicaten (Salze der Kielselsäure).


3 Silicate

In den Salzen liegen meist einheitlich gebaute, räumlich begrenzte acyclische oder cyclische bzw. räumlich unbegrenzte Silicat-Anionen vor. Sie bilden mittels den zugeordneten Metallkationen (häufig Mg2+, Ca2+, Al3+, Fe3+) größere Komplexe. In all diesen Komplexen hat das Silicium die Koordinationszahl 4. Jedes Silicium-Atom ist tetraedrisch von 4 Sauerstoffatomen umgeben. Ist das Silicium teilweise durch Aluminium, Bor oder Beryllium ersetzt, so spricht man von Alumo-, Boro- bzw. Beryllosilicaten. Des Weiteren kommt es zur Polymerisation der Silicat-Anionen.


4 Systematik der Silikate

Silicate mit begrenzter Anionengröße sind die Inselsilicate, Gruppensilicate und Ringsilicate. Silicate mit unbegrenzter Anionengröße sind die Kettensilicate, Bandsilicate, Schichtsilicate und Gerüstsilicate.


5 Natürliche Silicate

Inselsilicate sind isolierte [SiO4]4- - Tetraeder, die durch Kationen miteinander verbunden sind; es sind harte Substanzen mit hoher Brechzahl und geschätzte Schmucksteine. Beispiele für Inselsilicate sind der Zirkon, der Granat und der Olivin.


Abb. 1: Granat Mg3Al2[SiO4]3 - ein Inselsilicat. Die Silicat-Tetraeder sind in rot dargestellt. Die Mg2+-Kationen sind als graue Kugeln dargestellt und die Al3+-Kationen als grüne Oktaeder. [5] (Plugin Cortona erforderlich; läuft nur mit Internet Explorer).

Gruppensilicate sind Sorosilicate, die Doppeltetraeder  mit der Verhältnisformel [Si2O7]6- enthalten. Das Verhältnis von Silicium zu Sauerstoff entspricht 2:7. Beispiele dafür wären das Thortveitit und das Barysilit.


Abb. 2:
Thortveitit Sc2[Si2O7]- ein Gruppensilicat. Die Silicat-Tetraeder sind in rot dargestellt. Die grünen Oktaeder stellen die Sc2+-Kationen dar. [6] (Plugin Cortona erforderlich; läuft nur im Internet Explorer).

Ringsilicate bestehen aus Dreiringen (Benitoit) mit der Verhältnisformel [Si3O9]6- und Sechsringen (Beryll) mit der Verhältnisformel [Si6O18]12- . Das Verhältnis von Silicium zu Sauerstoff entspricht hierbei 1:3. Abarten des Berylls sind Aquamarin und Smaragd (Schmucksteine).


Abb. 3:
Benitoit BaTi[Si3O6] - ein Ringsilicat. Die roten Tetraeder stellen die Silicat-Tetraeder dar. Die grünen Oktaeder stellen die Ti4+ -Kationen dar. Die grauen Kugeln symbolisieren die Ba 2+-Kationen.[7] (Plugin Cortona erforderlich; läuft nur im Internet Explorer)

Kettensilicate zeigen parallel zu den Ketten bevorzugte Spaltbarkeit. Die Kristalle sind faserig oder nadelig ausgebildet. Zwei große Gruppen kennzeichnen die Kettensilicate: die Pyroxene wie Spodumen,  Enstatit, Diopsid und Jadeit und das β-Wollstatonit. Kettensilikate haben die allgemeine Verhältnisformel [SiO3]2- . Das Verhältnis von Silicium zu Sauerstoff beträgt 1:3.


Abb. 4: Wollastonit Ca[SiO3] - ein Kettensilicat. Die roten Tetraeder symbolisieren die Silicat-Tetraeder. Die grünen Oktaeder stellen die Ca2+-Kationen dar. [8] (Plugin Cortona erforderlich; läuft nur im Internet Explorer)

Die Bandsilicate bestehen aus bandförmigen Polysilicat-Bausteinen mit der Verhältnisformel [Si4O11]6-. Das Verhältnis von Silicium zu Sauerstoff entspricht 4:11. Wichtig sind hier die Amphibole wie das Tremolit.


Abb. 5: Tremolit Ca2Mg5[Si8O22](OH)2- ein Bandsilicat. Die Silicat-Tetraeder sind in rot dargestellt. Die grauen Kugeln symbolisieren die HO--Ionen und die grünen Oktaeder die Mg2+- und Ca2+-Kationen. [9] (Plugin Cortona erforderlich; läuft nur im Internet Explorer)

Bei den Schichtsilicaten ist  jeder SiO4-Tetraeder über 3 Ecken mit den Nachbartetraedern verknüpft. So ergeben sich unendlich 2-dimensionale Schichten. Beispiele wären der Talk, das weichste der bekannten Mineralien, der Glimmer (ein Alumosilicat) das Muskovit und das Kaolinit. Die Verhältnisformel ist [Si2O5]2-. Hierbei entspricht das Verhältnis von Silicium zu Sauerstoff 2:5. 

 
Abb. 6: Talk Mg3[Si4O10](OH)2  - ein Schichtsilicat. Die Silicat-Tetraeder sind in rot dargestellt. Die grauen Kugeln sind die HO--Ionen und die grünen Oktaeder stellen die Mg3+-Ionen dar. [10] (Plugin Cortona erforderlich; läuft nur im Internet Explorer)

Die letzte große Klasse bilden die Gerüstsilicate. Hier sind die SiO4-Tetraeder über alle 4 Ecken mit den Nachbartetraedern verknüpft. Es ergibt sich so ein 3-dimensionales, locker gepacktes Gerüst. Bei dieser Gruppe werden einige Siliciumionen durch Aluminium ersetzt. Beispiele hierfür sind die Feldspate wie Albit und  Orthoklas, die Zeolithe wie Faujasit und die Ultramarine wie das Sodalith. Die Verhältnisformel ist ungefähr [AlSi3O8]-. Das Verhältnis von Silicium zu Sauerstoff entspricht hier ungefähr 1:2.


Abb. 7: Anorthit Ca[Al2Si2O8] - ein Gerüstsilicat. Die roten Kugeln stellen die Silicium-Zentren dar.  [11] (Plugin Cortona erforderlich; läuft nur im Internet Explorer)


Merksatz:

Auf einer Insel leben mehrere Gruppen von Menschen, die mit Ringen aneinandergekettet sind; sie müssen am Fließband in Schichtarbeit viele Gerüste herstellen.

Copyright: C. Bräunlein


Zusammenfassung:

  1. Silicium ist vierbindig und hat eine hohe Affinität zu Sauerstoff.

  2. Durch Anlagerung von Kationen und Polymersiation der Silikate entstehet die Vielfalt der Silicate

  3. Die Silicatgruppen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und ihres Verhältnisses von Silicium zu Sauerstoff.


Abschluss 3: Die in der Erde am häufigsten vorkommende Verbindung sind die Silicate. Diese bestehen aus Sauerstoff und Silicium. Allerdings kommt der Sauerstoff im Verhältnis öfter vor als das Silicium. Die Annahme der Kommilitonen, dass Silicum am häufigsten in der Erde vorkommt, wurde widerlegt.


Literatur:

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  8. http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/silicate_6_1.html, 05.07.2019
  9. http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/silicate_6_2.html, 05.07.2019
  10. http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/silicate_7_5.html, 05.07.2019
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  19. Hinz, W.: Silikate. Grundlagen der Silikatwissenschaft und Silikattechnik, Band 1, VEB Verlag, 1970


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