Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 13.04.16

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Silicium - bedeutende Silicatstrukturen in der Natur

Vortrag von Christian Bräunlein im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen -Anorganische Chemie", WS 01/02

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Gliederung:

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1. Einleitung:

"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 (alpha-Quarz)      dH = 911.55 kJ/mol

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

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2. 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.

SiO2 + Si  => 2 SiO (g)     dH = -713 kJ/mol

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3. Sauerstoffsäuren des Siliciums

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

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

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

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4. 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 Mg, Ca, Al, Fe) größere Komplexe. In all diesen Komplexen hat das Si die Koordinationszahl 4. Jedes Si-Atom ist tetraedrisch von 4 Sauerstoffatomen umgeben. Ist das Si teilweise durch Al, B oder Be ersetzt, so spricht man von Alumo-, Boro- bzw. Beryllosilicaten.

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5. Systematik des Siliciums

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

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6. Natürliche Silicate

Inselsilicate sind isolierte [SiO44-] - 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.

Gruppensilicate sind Sorosilicate, die Doppeltetraeder  mit der Summenformel [SiO76-] enthalten. Beispiele dafür wären das Thortveitit und das Barysilit.

[Die Abbildung wurde aufgrund unzureichender Quellenangabe und evtl. Urheberrechtsverletzung entfernt.]

Abb. 1: Thortveitit - ein Gruppensilicat. [5]

Ringsilicate bestehen aus Dreierringen (Benitoit) und Sechsringen (Beryll). Abarten des Berylls sind Aquamarin und Smaragd (Schmucksteine).

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 beta-Wollstatonit.

[Die Abbildung wurde aufgrund unzureichender Quellenangabe und evtl. Urheberrechtsverletzung entfernt.]

Abb. 2: Wollastonit - ein Kettensilicat. [5]

Die Bandsilicate bestehen aus bandförmigen Polysilicate-Bausteinen mit der Summenformel [Si4O116-]. Wichtig sind hier die Amphibole wie das Tremolit.

[Die Abbildung wurde aufgrund unzureichender Quellenangabe und evtl. Urheberrechtsverletzung entfernt.]

Abb. 3: Tremolit - ein Bandsilicat. [5]

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 (Alumosilicate) das Muskovit und das Kaolinit.

[Die Abbildung wurde aufgrund unzureichender Quellenangabe und evtl. Urheberrechtsverletzung entfernt.]

Abb. 4: Talk  - ein Schichtsilicat. [5]

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. Beispiele hierfür sind die Feldspate wie Albit und  Orthoklas, die Zeolithe wie Faujasit und die Ultramarine wie das Sodalith.

[Die Abbildung wurde aufgrund unzureichender Quellenangabe und evtl. Urheberrechtsverletzung entfernt.]

Abb. 5: Faujasit - ein Gerüstsilicat. [5]

 

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7. 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

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8. Literatur:

  1. Riedel: Anorganische Chemie, 1990
  2. Holleman/Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 1995
  3. Liebau, F.: Fortschritte auf dem Gebiet der Kristallchemie der Silicate, 1978
  4. Voronkov: Silicium und Leben, 1975
  5. http://ruby.chemie.uni-freiburg.de, 7.3.2002

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