Elemente und Moleküle, Schulbuch

94 5 GRoSSteCHNISCHe CHeMIe 5.4 SILICAtE Strukturen • Glas • Keramik Struktur der Silicate SiO 4 4– -Tetraeder • Feldspat • Alumosilicate Etwa 95 % der festen Erdrinde bestehen aus Quarz und Silicaten. Sie bauen die wichtigsten gesteinsbildenden Mineralien auf. Bei ihrer Ver- witterung entstehen Ton und Lehm, die Hauptbestandteile der Böden. Auch sie sind Silicate. Silicium verbindet sich bevorzugt mit Sauerstoff. Zum Unterschied von Kohlenstoff ist am größeren Silicium-Atom die Einfachbindung aber stabiler als die Doppelbindung. Quarz – SiO 2 – bildet daher keine Mole- küle, sondern ein räumlich gebautes Atomgitter, was seine hohe Härte und hohe Schmelztemperatur bewirkt. (Siehe Kap. 2.4) (Im Quarzgitter ist jedes Silicium-Atom tetraederförmig mit vier Sauerstoff-Atomen durch Einfachbindungen verknüpft. Diese SiO 4 -Tetraeder hängen über die Ecken, also die Sauerstoff-Atome, zusammen. Jedes Sauerstoff- Atom gehört also zwei SiO 4 -Tetraedern gleichzeitig an; Abb. 94.2). Auch die Silicate bestehen aus SiO 4 -Tetraedern . Zum Unterschied vom Quarz sind diese aber nicht an allen Ecken miteinander verknüpft. An nicht verknüpften Ecken trägt der Sauerstoff eine negative Ladung und im Gitter befindet sich eine entsprechende Zahl von Kationen zum La- dungsausgleich. Auf diese Weise kann eine große Zahl von Anionen mit unterschiedlichem Vernetzungsgrad zustande kommen (Abb. 94.3). All diese Anionen, kombiniert mit verschiedenen Kationen, ergeben eine große Zahl verschiedenartiger, natürlich vorkommender Silicatminera- lien. Silicate mit räumlicher Struktur sind auf diese einfache Weise nicht möglich, da bei räumlicher Verknüpfung keine freien Sauerstoffe mit negativer Ladung übrig bleiben. Räumlich verknüpfte SiO 4 -Tetraeder sind im SiO 2 – im Quarz – vorhanden. Alumosilicate Zusätzliche Strukturmöglichkeiten entstehen, wenn in den SiO 4 -Tetra- edern die Silicium-Atome teilweise durch Aluminium-Atome ersetzt sind. Solche Verbindungen kommen in der Natur sehr häufig vor und werden Alumosilicate genannt. Da Aluminium ein Element der 13. Grup- pe ist, muss es ein zusätzliches Elektron aufnehmen, wenn es ein Sili- cium-Atom der 14. Gruppe ersetzen soll. Für jeden AlO 4 -Tetraeder, der anstelle eines SiO 4 -Tetraeders steht, tritt also eine weitere negative Ladung auf. Daher können Alumosilicate auch Raumstruktur haben. Die Feldspate , die häufigsten in der Natur vorkommenden Minerale mit einem Anteil von 60 % an der festen Erdrinde, sind solche Alumosilicate mit Raumstruktur. Im Kalifeldspat oder Orthoklas K[AlSi 3 O 8 ] sind 25 % aller Silicium-Atome durch Aluminium ersetzt. Sein Anion ist daher [Al- Si 3 O 8 ] – (4 x SiO 2 , ein Si durch Al ersetzt). Dasselbe Anion findet man im Natronfeldspat oder Albit Na[AlSi 3 O 8 ]. Der Kalkfeldspat oder Anorthit – Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] – hat 50 % des Si durch Al ersetzt. Albit und Anorthit bilden eine lückenlose Reihe von Mischkristallen, die man Plagioklase nennt. Auch die Glimmer sind Alumosilicate. Sie haben aber nicht Raum-, sondern Schichtstruktur. Dadurch erklärt sich ihre gute Spaltbarkeit. Aus der Häufigkeit der Silicate und Alumosilicate ergibt sich, dass die drei häufigsten Elemente der festen Erdrinde Sauerstoff, Silicium und Aluminium sind. O (50 %) Si (25 %) Al (8 %) Fe (5 %) Ca (4 %) Na (3 %) Rest (6 %) Abb. 94.1: Verteilung der Elemente in der Erdkruste in Massen% Abb. 94.2: Tetraederstruktur der Silicate Si schematische Darstellung O O O O Disilicat [Si 2 O 7 ] 2– Ringsilicat [Si 6 O 18 ] 12– Kettensilicat (SiO 3 2– ) n Bandsilicat (Si 4 O 11 6– ) n Kation Schichtsilicat (Si 2 O 5 2– ) n Abb. 94.3: Silicatstrukturen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv