EL-MO I Elemente, Schulbuch

Von Orthosilicaten zu Gerüst- und Alumosilicaten Silicate – Mineralien und Werkstoffe 60 60 Exkurs Struktur der Silicate Etwa 95 % der festen Erdrinde bestehen aus Quarz und Silicaten. Sie bauen die wichtigsten gesteinsbildenden Mineralien auf. Bei ihrer Verwitterung entstehen Ton und Lehm, die Hauptbestandteile der Böden. Auch sie sind Silicate. Silicium verbindet sich bevorzugt mit Sauerstoff. Zum Unterschied von Kohlen- stoff ist am größeren Silicium-Atom die Einfachbindung aber stabiler als die Doppelbindung. Quarz – SiO 2 – bildet daher keine Moleküle, sondern ein räum- lich gebautes Atomgitter, was seine hohe Härte und hohe Schmelztemperatur bewirkt (Siehe Kap. 2.9). (Im Quarzgitter ist jedes Silicium-Atom tetraederför- mig 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. 60–2.) 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 Ladungsausgleich. Auf diese Weise kann eine große Zahl von Anionen mit unterschiedlichem Vernetzungsgrad zustande kommen (Abb. 60–3). All diese Anionen, kombiniert mit verschiedenen Kationen, ergeben eine große Zahl verschiedenartiger, natürlich vorkommender Silicatmineralien. (Abb. 60–3) Alumosilicate Zusätzliche Strukturmöglichkeiten entstehen, wenn in den SiO 4 -Tetraedern die Silicium-Atome teilweise durch Aluminium-Atome ersetzt sind. Solche Verbin- dungen kommen in der Natur sehr häufig vor und werden Alumosilicate ge- nannt. Da Aluminium ein Element der 13. Gruppe ist, muss es ein zusätzliches Elektron aufnehmen, wenn es ein Silicium-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 die Anionen der Alumosilicate auch Raumstruktur haben. Sie werden auch als Gerüstsilicate bezeichnet. Die Feldspate , die häufigsten in der Natur vorkommenden Minerale mit einem Anteil von 60 % an der festen Erdrinde, sind solche Alumosilicate mit Raum- struktur. Im Kalifeldspat oder Orthoklas K[AlSi 3 O 8 ] sind 25 % aller Silicium-Atome durch Aluminium ersetzt. Sein Anion ist daher [AlSi 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 Plagio- klase 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 häu- figsten Elemente der festen Erdrinde Sauerstoff, Silicium und Aluminium sind (Abb. 60–1). Abb. 060–1: Verteilung der Elemente in der Erdkruste in Massenprozent O (50 %) Si (25 %) Al (8 %) Fe (5 %) Ca (4 %) Na (3 %) Rest (5 %) Abb. 060–2: Die kleinsten Silicat-Anionen Si O O O O schematische Darstellung O Si Si O O O O O O Disilicat [Si 2 O 7 ] 6– Orthosilicat [SiO 4 ] 4– Abb. 060–3: Größere Silicat-Anionen 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. 060–4: Ein spezielles (künstliches) Gerüstsilicat Na Dieses spezielle Gerüstsilicat-Anion beherbergt im Zentrum des „Käfigs“ ein Na + -Ion. Dieses kann leicht durch ein Ca 2+ -Ion ersetzt werden, weshalb dieser Stoff unter dem Namen „Sasil“ als Wasserenthärter unter anderem in Voll- waschmitteln, eingesetzt wird. Dieses Natrium (engl. S odium)- A luminium- Sil i- cat gehört chemisch-mineralogisch zur Gruppe der Zeolithe. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv