Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 13.04.16

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Silicatstrukturen in der Natur

Lehramtsvortrag von Gerald Stangl

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[Bild wegen fehlender Quellenangabe entfernt.]

verschiedene Strahlentierchen

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.

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SiO2: Grundlage der Silicat-Chemie

[Bild wegen fehlender Quellenangabe entfernt.]

 

einige SiO2-Modifikationen und deren Umwandlungstemperaturen

Anordnung der SiO4 Tetraeder im Cristobalit

Die häufigste kristalline Erscheinungsform des SiO2 ist der Quarz. Als natürliche, transparente Abarten des Quarzes sind zu nennen: Bergkristall, Rauchquarz (braun), Amethyst (violett), Citrin (gelb) und Rosenquarz (rosa). Als nicht transparente Abarten kennt man den Milchquarz oder das Tigerauge. Amorph kommt SiO2 als Opal oder Kieselgur vor. Auch das im Gewebe vieler Pflanzen vorkommende SiO2 ist ebenso amorph wie das Material der Skelette der Kieselalgen.

Bei den Modifikationen des kristallinen SiO2 sollte erwähnt werden, dass die Si-Atome im -Cristobalit die selben Lagen einnehmen wie die C-Atome im Diamanten. Zwischen zwei solcher Schichten ist hier jedoch noch ein Sauerstoffatom als Brücke eingelagert. Die anderen Modifikationen unterscheiden sich nur durch eine geringfügige Verschiebung der Atomlagen, verbunden mit einer kleinen Veränderung der Bindungswinkel.

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Silicate und deren Strukturen

[Bild wegen fehlender Quellenangabe entfernt.]

 

Ausgewählte Beispiele für die Anordnung von Sauerstofftetraedern in Silicaten:

Die Si-Atome, die ja die Tetraedermitten besetzen, sind hier weggelassen. Überhaupt ist in der Literatur in den meisten Fällen die Darstellung der Silicatstrukturen als Tetraeder mit geschlossenen Flächen üblich. Dabei sollte man sich allerdings nicht von der wahren Struktur ablenken lassen. Außerdem vermitteln die meisten Abbildungen, dass der Si-O-Si Bindungswinkel 180° beträgt, tatsächlich sind es aber 151°.

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In der Natur vorkommende Silicate

Ausgehend von der Kieselsäure H4SiO4 lassen sich eine Reihe von Salzen (Silicaten) ableiten, die eine beachtliche Bedeutung als natürliche Minerale oder Edelsteine haben.

Typ Formel Struktur Beispiele für Silicate
Inselsilicate

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Olivin, Granat
Gruppensilicate

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Thortveitit (sehr selten)
Ringsilicate

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Beryll, Smaragd, Aquamarin, Turmalin
Kettensilicate

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Pyroxene, z.B. Diopsid (Bild)
Bandsilicate

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Amphibole, z.B. Hornblende
Schichtsilicate

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Kaolinit, Talk, Asbest, Tone

Glimmer, z.B. Muskovit

Gerüstsilicate

[Bild wegen fehlender Quellenangabe entfernt.]

 
Feldspat

Zeolithe

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Ermittlung der Summenformel solcher Strukturen

Beim ist die Ermittlung der Summenformel noch relativ einfach. Ein Si-Atom ist von 4 O-Atomen umgeben, wobei jedes O-Atom eine negative Ladung trägt.

Bei komplexeren Strukturen, die sich ins unendliche fortsetzen lassen, ist die Summenformel auf den ersten Blick nicht zu verstehen. Es gibt aber eine einfache Hilfe anhand derer man die Formel leicht ableiten kann.

Am Beispiel der Kettensilicate sei nun erklärt, wie man von der Struktur auf die Summenformel schließen kann.

[Bild wegen fehlender Quellenangabe entfernt.]

 

Ausgehend von der Struktur stellt man folgende Überlegung an:

Jeder SiO4-Tetraeder hat zwei Sauerstoffatome, die nur mit dem Si-Atom selbst verknüpft sind. Außerdem gibt es aber noch zwei Sauerstoffatome, die sich das Si-Atom mit je einem benachbarten Si-Atom "teilen" muß. Wenn man sich die Summenformel nun wie in der Abbildung links vorstellt, also die verschiedenen Sorten von O-Atomen getrennt behandelt, so erkennt man gut durch einfache Addition, daß die Summenformel lauten muß.

Schichtabfolge in Tonmineralien (Schichtsilicate)

[Bild wegen fehlender Quellenangabe entfernt.]

 

Beim Aufbau eines Tonminerals lagern sich zwei Silicatschichten mit den anionischen A-Seiten "von oben" und "von unten" um eine Schicht von Kationen, so dass die elektrisch neutralen
B-Seiten (Bereich der Si-O-Si-Verknüpfungen) "nach außen" zeigen. Natürlich bleibt es nicht bei der Bildung von einem Dreierpack dieser Art; es lagern sich vielmehr mehrere solcher Pakete übereinander, wobei aber die Dreierpakete stets mit den
B-Seiten aneinanderstoßen. Diese Struktur erklärt die typischen Eigenschaften der Tone: beim Kontakt mit Wasser hydratisieren die Kationen, nehmen dadurch (scheinbar) an Größe zu und bewirken so eine Quellung der Tone, die bis zum Zerfall der ganzen Struktur in einzelne Schichten gehen kann. Zwischen den neutralen B-Schichten sind nur sehr schwache Kräfte wirksam, so dass die Tonminerale parallel zu diesen Schichten leicht zu spalten sind. Auch die Kationen-Schicht ist nicht strukturlos. Die Kationen bilden ein hexagonales Netz, jedes Kation befindet sich in einer oktaedrischen Umgebung von Anionen.

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Silicate im Wasser

Erstaunlicherweise findet sich gelöstes SiO2 auch im Wasser: mit bis zu 75 mg pro Liter im Fluß- und 14 mg pro Liter im Meerwasser. Dem Wasser werden pro Jahr immerhin durch die Kieselalgen 1010 t SiO2 entzogen. Diese doch enorme Menge wird durch das Auflösen verwitternder SiO2-Mineralien ständig nachgebildet.

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Literatur

H. Schmidkunz, Silicate, NiU-Chemie, 1991, 10, 18-21.

K. Häusler, Didaktische Überlegungen, NiU-Chemie, 1991, 10, 4-5.

D. Schmidkunz, Silicium, NiU-Chemie, 1991, 10, 38-39.

H.-D. Barke, Cristobalit, PdN-Ch., 1990, 8, 10-14.

A. F. Holleman, N. Wiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie, 1995, 101. Auflage.

H. P. Latscha, H. A. Klein, Anorganische Chemie, 1996, 7. Auflage

E. Riedel, Anorganische Chemie, 1990, 2. Auflage

C. E. Mortimer, Chemie, 1987, 5. Auflage

http://tutor.oc.chemie.th-darmstadt.de/Poly/VRML/silikat.htm

http://www.lam.mus.ca.us/lacmnh/departments/research/minralogy/slides/a_links.htm

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