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Quarz

Tiefquarzstruktur
Tiefquarzstruktur

Tiefquarzstruktur: Verknüpfung der spiralförmigen SiO4-Tetraederkettepaare, eine Kette blau hervorgehoben; Blick entlang der c-Achse (3-zählige Achse) auf die a1-a2-Ebene

Bubenik Leyo


Modifikationen des Siliziumdioxids




Definition

Siliziumdioxid ist eine Sammelbezeichnung für die Modifikationen der Oxide des Siliziums mit der Summenformel SiO2.

Im deutschen Sprachraum wird fälschlich für Siliziumdioxid die Bezeichnung Kieselsäure benutzt oder in letzter Zeit auch das vom angelsächsischen abgeleitete Silica. Nicht korrekt ist auch die Gleichsetzung von Siliziumdioxid mit Sand. Der Großteil der Sandvorkommen besteht allerdings aus Siliziumdioxid, denn er ist nicht nur häufig, sondern auf Grund seiner Härte und seiner chemischen Widerständigkeit besonders verwitterungsbeständig. Siliziumdioxid ist der Hauptbestandteil aller Quarz-Gläser.


Strunz und Dana - Oxid oder Silikat ?

Nach der 8. und 9. Auflage der Strunzschen Systematik der Minerale gehört Quarz aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung zur Mineralklasse der Oxide mit einem Metall-Sauerstoff-Verhältnis von 1:2.

In der 8. Auflage der Mineralsystematik ist er zudem Namensgeber für eine Gruppe chemisch ähnlicher oder gleicher Minerale, der Quarzgruppe, deren weitere Mitglieder Coesit, Cristobalit, Melanophlogit, Mogánit, Opal, Stishovit und Tridymit sind. Die 9. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz untergliedert die Oxide allerdings feiner. Quarz sowie die ihm verwandten Minerale Beta-Quarz (Existenz bisher nur als Synthese bekannt) Coesit, Cristobalit, Melanophlogit, Mogánit, Seifertit, Opal, Stishovit und Tridymit werden nun der Unterabteilung (Chemische Verbindungen) mit kleinen Kationen der Siliziumdioxid-Familie zugerechnet. Das in der Systematik ebenfalls mit aufgeführte Lechatelierit (Kieselglas) hat allerdings nach wie vor einen fraglichen Mineralstatus und ist daher von der IMA (bisher) nicht als eigenständiges Mineral anerkannt.

Die Systematik von James Dana ordnet die Minerale nach ihrer Kristallstruktur. Im Quarz ist Silizium tetraedrisch von vier Sauerstoffatomen umgeben. Diese SiO4-Tetraeder sind über ihre Ecken zu einem dreidimensionalen Gerüst verknüpft, und Quarz wird daher in der Systematik von Dana den Gerüstsilikaten zugeordnet.


Polymorphie

Polymorphie ist nach E. A. MITSCHERLICH in den Werkstoffwissenschaften und der Mineralogie die Eigenschaft, dass eine Substanz in verschiedenen Erscheinungsformen (Modifikationen) vorkommen kann.

Polymorphie (griech. poly = viel, morphe = Gestalt) bezeichnet die Eigenschaft von Verbindungen bei exakt derselben chemischen Zusammensetzung in zwei oder mehr unterschiedlichen Kristallstrukturen, sogenannten Modifikationen, aufzutreten - mit veränderter Symmetrie, verschiedenartigen Kristallformen und gelegentlich auch in abweichenden physikalischen und biologischen Eigenschaften. Sind nur zwei oder drei Modifikationen bekannt, sprich man manchmal auch von Dimorphie bzw. Trimorphie.

Entdecker der Polymorphie war der deutsche Chemiker Eilhard Alfred Mitscherlich zu Beginn des 19.Jahrhunderts.

Bedingung hierbei sind unterschiedliche Temperaturen und Drücke bei der Entstehung, die zu unterschiedlicher Anordnung der Atome im Kristallgitter führten. Man unterscheidet die verschiedenen polymorphen Modifikationen durch Voranstellen der griechischen Buchstaben alpha, beta, gamma usw. Die Buchstaben entsprechen im Wesentlichen der Erhöhung oder Erniedrigung der Umwandlungstemperatur. Welche Struktur sich bildet, hängt stark von Druck und Temperatur - und damit von der Tiefe innerhalb der Erde - ab. Deshalb spiegeln solche polymorphen Mineralien die geologischen Bedingungen wider, die zur Zeit und am Ort ihrer Entstehung herrschten. Normalerweise begünstigen niedrige Temperaturen dichtere Kristallstrukturen.


Modifikationen des Siliziumdioxids

Quarz in seiner Modifikation Tiefquarz ist die auf der Erdoberfläche stabile Form des kristallinen Siliziumdioxids SiO2. Zahlreiche weitere Modifikationen treten bei höheren Drücken und Temperaturen auf. Einige können metastabil an der Erdoberfläche erhalten bleiben.

Bei niedrigen Temperaturen (70-200°C) kristallisiert aus SiO2-Gel ein Gemisch aus Quarz und Moganit, einem charakteristischen Bestandteil von Quarzin und Chalcedon.

Bei Temperaturen oberhalb von 573°C (bei 1 bar) wandelt sich Quarz in Hochquarz um. Die Phasenumwandlung erfolgt sehr schnell und Hochquarz bleibt auch bei rascher Abkühlung nie metastabil erhalten. Zwar finden sich in einigen Magmatiten Quarzkristalle mit der Kristallform von Hochquarz (Paramorphose), strukturell handelt es sich jedoch um Quarz.

Bei höheren Temperaturen wandelt sich Hochquarz erst in Tridymit (ab 867° C), dann in Cristobalit um (ab 1470°C). Cristobalit schmilzt bei 1727°C (Temperaturen jeweils bezogen auf 1 bar).

Die Umwandlungstemperaturen sind abhängig vom Druck. Allgemein nehmen sie mit steigenden Drucken zu.

Bei hohen Drucken, wie sie im Erdmantel herrschen oder bei Meteoriteneinschlägen auftreten bilden sich besonders dichte SiO2-Phasen. Ab 20 kbar bildet sich Coesit (3,01 g/cm³), ab 75 kbar Stishovit (4,3 g/cm³) und ab ca. 780 kbar Seifertit (4,12 g/cm³).


Phasendiagramm der Siliziumdioxid-Modifikationen (Polymorphe)

Wird Tiefquarz bei Normaldruck (1 bar) erhitzt, wandelt er sich bei 573 Grad in Hochquarz um, bei 867 Grad in Tridymit, schliesslich in Cristobalit (ab 1470 Grad). Cristobalit schmilzt bei 1727 Grad und lässt sich durch Abkühlen nicht wieder in kristallinen Quarz überführen, sondern erstarrt als unterkühlte Schmelze zu Quarz-Glas. Erhöht man den Druck auf Tiefquarz, entsteht ab 20 kbar Coesit (3,01 g/cm3), ab 75 kbar Stishovit (4,3 g/cm3) und ab ca. 780 kbar Seifertit (4,12 g/cm3). (Lehner)

Siliziumdioxid-Phasendiagramm
Siliziumdioxid-Phasendiagramm

Phasendiagramm der Siliziumdioxid-Modifikationen nach Hollemann-Wyberg 1985 (Wenk -Bulakh 2003);
John Winter, Whitman College c/o: Science Education Resource Center (SERC) at Carleton College; ...

John Winter

Übersicht der Siliziumdioxid-Modifikationen (Polymorphe)

SiO2, mehr als meiste andere Materialien, existiert in vielen kristallinen Formen (Polymorphe). Kristalline Formen von SiO2

Form

Kristallsystem
Raumgruppe
Gruppen-Nummer

Beschreibung

Struktur



Quarz

α-Quarz
Tiefquarz

rhomboedrisch
hP9, P3121
152

α-Quarz ist die auf der Erdoberfläche stabile Form (Modifikation) des Siliziumdioxids Quarz und nach den Feldspäten das zweithäufigste Mineral der Erdkruste. Bei einer Temperatur von über 573°C (unter einem Druck von 1 bar) findet eine Phasenumwandlung statt; d.h., der Tiefquarz (trigonal-trapezoedrisch) geht durch Änderung der Kristallstruktur in Hochquarz (hexagonal-trapezoedrisch) über und wandelt sich oberhalb dieser Temperatur in die Hochquarz-Modifikation um und wird bei Abkühlung wieder zu Tiefquarz. Den Übergang nennt man "Quarzsprung", weil die Umwandlung von Tiefquarz zu Hochquarz auch mit einer sprunghaften Vergrößerung des spezifischen Volumens um 0,8 % verbunden ist. Quarz ist nur bei niedriger Temperatur in der trigonalen α-Quarz-Phase stabil.

Spiralförmige Ketten machen individuelle Einzelkristalle optisch aktiv; α-Quarz konvertiert zu β-Quarz bei 846 K. Die höhere Symmetrie des β-Quarzes führt unter anderem zum Verlust der piezoelektrischen Eigenschaften. Den Übergang von der β-Quarz-Phase zum α-Quarz kann man sich leicht vereinfacht durch Kippen robuster Tetraeder um die <100>-Achse veranschaulichen. Die Kipprichtung entscheidet über die Orientierung des α-Quarzes.

Tiefquarz
Tiefquarz

Tiefquarz, ca. 5 cm lang;
Val Bedretto, Schweiz

berthold

β-Quarz
Hochquarz

hexagonal
hP18, P6222
180

Eng verwandt mit α-Quarz (mit einem Si-O-Si Winkel von 155°) und optisch aktiv; β-Quarz konvertiert zu β-Tridymit bei 1140 K.

β-Quarz hat einen Schmelzpunkt von 1550°C (schnelles Aufheizen, erhöhter Druck). Lässt man den Aufheizvorgang nur sehr langsam erfolgen (Tempern), so findet bei 870°C eine Umwandlung in Tridymit (rhombisch-dipyramidal; β-Tridymit=hexagonal und bei 1470°C eine Umwandlung in Cristobalit statt. Cristobalit hat seinen Schmelzpunkt bei 1723°C. Der Schmelzpunkt und insbesondere der Punkt des beginnenden Sinterns ist stark von der Reinheit (SiO2-Gehalt) des Quarzes abhängig. Verunreinigungen führen zu einer Absenkung von Schmelzpunkt und Sinterbereich.

β-Quarz findet sich in gut ausgebildeten Kristallen gelegentlich eingewachsen in kieselsäurereichen Vulkaniten (Rhyolith). Die meist kleinen Kristalle zeigen oft nur die hexagonale Dipyramide und Prismenflächen sind, wenn überhaupt vorhanden, sehr schmal. Frei in Hohlräumen gewachsene Kristalle sind dagegen oft prismatisch ausgebildet, ähnlich Tiefquarz.

Hochquarz ist unter normalen Temperatur-Bedingungen nicht stabil. Erhalten ist nur die Kristallform von Hochquarz, die Struktur ist aber die von Tiefquarz. Das heißt, alle in Sammlungen vorliegenden Kristalle sind Paramorphosen (Tiefquarz paramorph nach Hochquarz).

Quarz paramorph nach Hochquarz
Quarz paramorph nach Hochquarz

Quarz paramorph nach Hoch-Quarz mit steilen Rhomboederflächen in Rhyolith. Bildausschnitt 3,9x3,5mm; Fundort: Sakkabira, Osumi Halbinsel, Tarumizumata , Kimotsuki Kagoshima, Präfektur, Kyushu, Japan

aca

Tridymit

α-Tridymit

orthorhombisch
oS24, C2221
20

Metastabile Form bei normalem Druck
Tridymit kommt in Form farbloser bis weißer, glasheller oder milchig-trüber Kristalle (als sechsseitige Täfelchen, meist fächerartig zu Drillingen oder kugeligen Gruppen verwachsen) vor. Tridymit entsteht exhalativ in Poren saurer Ergussgesteine (Trachyt, Andesit), durch Frittung in Sandstein am Basaltkontakt, auch als Komponente des Opals. Als eher seltene Mineralbildung kann Tridymit an verschiedenen Fundorten zum Teil zwar reichlich vorhanden sein, insgesamt ist er aber wenig verbreitet. Als bekannt gelten bisher rund 300 Fundorte. In Deutschland trat das Mineral vor allem in Rheinland-Pfalz auf, wo es an vielen Fundstellen in der Eifel gefunden werden konnte, so unter anderem bei Andernach, Daun, Ettringen und Mendig. Daneben ist Tridymit aber auch aus Baden-Württemberg, Bayern, Hessen, Nordrhein-Westfalen, Sachsen und Thüringen bekannt. In Österreich fand sich Tridymit unter anderem im Basalt-Steinbruch am Pauliberg im Burgenland sowie am Steinbruch „Schlarbaum“ bei Klausen (Bad Gleichenberg), am Stradner Kogel und im Basalt-Steinbruch bei Klöch in der Steiermark. Weitere Fundorte liegen unter anderem in der Antarktis, Argentinien, Aserbaidschan, Australien, Bolivien, Brasilien, Burundi, China, Ecuador, Frankreich, Griechenland, Island, Indien, Indonesien, Israel, Italien, Japan, Kanada, Madagaskar, Mexico (Typlokalität Cerro San Cristóbal in Hidalgo), Namibia, den Niederlanden, in Neuseeland, im Oman, auf Papua-Neuguinea, in Peru, Rumänien, Russland, der Slowakei, Spanien, Südafrika, Tadschikistan, Tschechien, der Türkei, Ungarn, im Vereinigten Königreich (Großbritannien) und den Vereinigten Staaten von Amerika (USA).

Tridymit
Tridymit

Bildbreite: 3 mm; Fundort: Stbr. Caspar, Ettringer Bellerberg, Ettringen, Eifel, Deutschland

Stephan Wolfsried

β-Tridymit

hexagonal
hP12, P63/mmc
194

Eng verwandt mit α-Tridymit; β-Tridymit konvertiert zu β-Cristobalit bei 2010 K

β-Tridymit, auch HP-Tridymit (Hoch-Tridymit) stellt die ideale Hochtemperaturphase von Tridymit dar. Es besteht aus gleichen Lagen von SiO2-Tetraedern, die in hexagonalen Ringen angeordnet sind. Diese Lagen sind in einer ABAB-Sequenz aufeinander gestapelt und lassen so durchgehende Tunnel frei. Bei Temperaturen zwischen 870 und 1470ºC stabile, hexagonale Modifikation des Siliciumdioxids, SiO2 (Hochtemperatur-Tridymit, β-Tridymit). Sie geht bei Temperaturen unter 130ºC in eine metastabile, rhombische Modifikation (α-Tridymit , Tieftemperatur-Tridymit) über, die sich langsam in stabilen Quarz umwandelt.

Cristobalit


α-Cristobalit

tetragonal
tP12, P41212
92

Metastabile Form bei normalem Druck
Cristobalit selbst existiert in zwei Modifikationen, tetragonaler α-Cristobalit (Tiefcristobalit) und kubischer β-Cristobalit (Hochcristobalit), die strukturell sehr eng miteinander verwandt sind. Letztere kristallisiert in einer vom Diamant abgeleiteten Struktur und ist damit auch vergleichbar mit der Kristallstruktur der Zinkblende (ZnS). Beide Strukturen bestehen aus eckenverknüpften SiO4-Tetraedern, die sich nur darin unterscheiden, dass die Tetraeder leicht unterschiedlich zueinander verdreht sind.

Cristobalit bildet sich bei Temperaturen oberhalb von 1470 °C und liegt bei Standardbedingungen als metastabiler α-Cristobalit vor. Die Tieftemperaturform α-Cristobalit (Tiefcristobalit) wandelt sich bei Temperaturen von ca. 240–275 °C (abhängig von der Reinheit) in die Hochtemperaturform β-Cristobalit (Hochcristobalit) um. Die höhere Symmetrie des β-Cristobalit kommt dabei durch eine gekoppelte Drehschwingung der SiO4-Tetraeder zustande, wodurch sich der Bindungswinkel der Si-O-Si-Bindungen von 147° im tetragonalen α-Cristobalit in 180° ändert.

Streng genommen ist die höhere Symmetrie nur eine Momentaufnahme der fortdauernden Schwingungen der Tetraeder, die gemittelt die kubische Symmetrie ergibt. Unterhalb von ca. 240 °C frieren die Schwingungen ein und die niedrigere tetragonale Symmetrie ist beobachtbar.

Cristobalit
Cristobalit

Bildbreite: 2 mm; Fundort: Stbr. Caspar, Ettringer Bellerberg, Ettringen, Eifel, Deutschland

Fred Kruijen

β-Cristobalit

kubisch
cF104, Fd3m
227

Eng verwandt mit α-Cristobalite; schmilzt bei 1978 K

Cristobalit bildet sich bei Temperaturen oberhalb von 1470 °C und liegt bei Standardbedingungen als metastabiler α-Cristobalit vor.

Die Tieftemperaturform α-Cristobalit (Tiefcristobalit) wandelt sich bei Temperaturen von ca. 240–275 °C (abhängig von der Reinheit) in die Hochtemperaturform β-Cristobalit (Hochcristobalit) um. Die höhere Symmetrie des β-Cristobalit kommt dabei durch eine gekoppelte Drehschwingung der SiO4-Tetraeder zustande, wodurch sich der Bindungswinkel der Si-O-Si-Bindungen von 147° im tetragonalen α-Cristobalit in 180° ändert.

Cristobalit
Cristobalit

Rothenberg, Bell, Eifel, Rheinland-Pfalz, Deutschland. Bildbreite 0,8 mm

Ulrich Baumgärtl

Keatit

Keatit

tetragonal
tP36, P41212
92


Der Name wurde ursprünglich für eine synthetisch erzeugte, tetragonale Hochdruckmodifikation von Siliziumdioxid (Quarz) vergeben (ursprünglich synthetisiert aus glasartiger Kieselsäure und Alkali bei 600–900 K and 40–400 MPa). Vor kurzem wurde Keatit jedoch in Ultrahochdruckgesteinen (Clinopyroxene vom Kokchetav Massiv, Region Akmola, Nord-Kasachstan)) gefunden (HILL et al., 2013). IMA hat den Namen ohne Genehmigung veröffentlicht.


Mogánit

Mogánit

monoklin
mS46, C2/c
15

Mogánit ist eine Modifikation von SiO2. Es ist bei allen Drucken und Temperaturen metastabil und wandelt sich in geologischen Zeiträumen in α-Quarz um. Bei ca. 570 K wandelt sich der monokline α-Mogánit in den orthorhombischen β-Mogánit um.

Als Lutecin oder auch Lutecit wird eine faserige Varietät des Mogánits bezeichnet, der eng verwachsen mit Chalcedon bzw. Quarz auftritt. Mogánit bildet Knollen und sphärische Aggregate aus feinfaserigen Kristallen und enge Verwachsungen mit Chalcedon. Er findet sich eingewachsen in den meisten mikrokristallinen Kieselgesteinen (Chert bis über 75 %, Feuerstein 13-17 %, Hornstein, in SiO2-haltigen Sintern, Ignimbriten usw.) und mikrokristallinen Quarzvarietäten (Achat, Chalcedon 5-20 %), die jünger als 100 Millionen Jahre sind. Nahezu reiner Mogánit ist jedoch selten und ist weltweit nur von rund 36 Fundorten bekannt.

Mogánit scheidet sich bei niedrigen Temperaturen aus basischen Lösungen ab. Konzentrationen von über 20 Gew% Mogánit in Kieselsäurekonkretionen deuten auf eine Bildung in evaporitischem Milieu. Sichtbare nadelige bis haarförmige Kristalle von Mogánit wurden bislang nur aus Achaten eines Vorkommens in der Mongolei beschrieben. Ansonsten bildet Mogánit faserige Aggregate submikroskopischer leistenförmiger Kriställchen. Mogánit kristallisiert monoklin in der Raumgruppe I2/a (Raumgruppen-Nr. 15) mit den Gitterparametern a = 8,76 Å; b = 4,88 Å; c = 10,71 Å und β = 90,1° sowie 12 Formeleinheiten pro Elementarzelle. Die Struktur von Mogánit ist eng verwandt mit derjenigen von Quarz. Silicium ist so von 4 Sauerstoffen umgeben, dass die Sauerstoffanionen auf den Ecken eines Tetraeders liegen, in dessen Zentrum sich das Si4+-Kation befindet. Diese SiO4-Tetraeder sind über gemeinsame Sauertoffe (Tetraederecken) miteinander zu einer Gerüststruktur verbunden. Die Mogánitstruktur kann aus der Quarzstruktur als periodische Verzwillingung nach dem Brasilianer Gesetz auf Elementarzellebene abgeleitet werden. Die Mogánitstruktur baut sich demnach aus einer periodisch alternierenden Folge von Rechts- und Linksquarz auf, die nur eine Elementarzelle dick und entlang der (101)-Fläche miteinander verwachsen sind.

Moganit
Moganit

Mogan, Gran Canaria, Spanien; Größe des Stückes 11x9x5cm

Sammlung Uhlmann Zschopau

Coesit

Coesit

monoklin
mS48, C2/c
15

Coesit ist ein selten vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der Oxide mit dem Stoffmengenverhältnis Metall : Sauerstoff = 1 : 2 und kleinen Kationen. Coesit kristallisiert im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2/c (Raumgruppen-Nr. 15) mit den Gitterparametern a = 7,14 Å, b = 12,37 Å, c = 7,17 Å und β = 120.34° sowie 16 Formeleinheiten pro Elementarzelle.Coesit entwickelt nur mikrokristalline, körnige Aggregate, überwiegend als Einschlüsse in anderen Mineralen. Seine Dichte von 3,01 g/cm3 ist die zweithöchste der SiO2-Familie (im Vergleich dazu Quarz: 2,65 g/cm3). Das Quarz-Coesit-Gleichgewicht (also diejenigen Druck- und Temperaturbedingungen, bei denen Hochquarz und Coesit nebeneinander bestehen können) wurde experimentell sehr genau bestimmt. Die experimentellen Befunde weisen auf Drücke im Bereich von etwa 2,5 bis 3,8 GPa und Temperaturen von 450 bis 800 °C hin, dies entspricht einer Entstehungstiefe von mindestens 75 km unter der Erdoberfläche. Bei Normaldruck ist Coesit daher metastabil.

Die Anwesenheit von Coesit kann in Gesteinsproben oft nur mehr indirekt festgestellt werden: durch den Übergang der Hochdruckmodifikation (Coesit) in die Tiefdruckmodifikation (Quarz) steigt das Volumen des Minerals: Es entstehen radiale Risse, die unter einem Mikroskop beobachtet werden können. Seltener findet man Quarzkörner mit noch erhaltenem Coesitkern. Hauptsächlich wird Coesit in Gesteinen der Ultra-Hochdruck-Metamorphose (engl. ultrahigh-pressure metamorphism, UHPM welche das Mineral zeitgleich auch definiert) gefunden (Alpen, Dabie Shan in Ost-China, Himalaya). Hier kommt Coesit sowohl in basischen, „klassischen“, Eklogiten als auch in Metasedimentiten bzw. Metaplutoniten mit saurer Zusammensetzung (Krustengesteine) vor. Bei der Ultra-Hochdruck-Metamorphose wird kontinentale Kruste meist bei einer Kontinent-Kontinent-Kollision subduziert und Drücken und Temperaturen ausgesetzt, die die Bildung und Stabilität von Coesit ermöglichen. Coesit kann auch durch Einschlag von Meteoriten (Impaktmetamorphose) entstehen. So konnte etwa aufgrund von Coesit-Vorkommen nachgewiesen werden, dass das Nördlinger Ries ein Einschlagkrater ist. Ein weiterer, wichtiger Fundort ist der Meteor Crater in Arizona. Coesit wird auch in Xenolithen in Diamant führenden Kimberliten gefunden.

Coesit
Coesit

Mikroskopaufnahme unter gekreuzten Polarisatoren: Coesitkorn (grau, ≈ 1 mm) in Eklogit. Kleiner, farbiger Einschluss ist Pyroxen und polykristalliner Rand Quarz

J. Smyth

Stishovit

Stishovit

tetragonal
tP6, P42/mnm
136

Eines der dichtesten (zusammen mit Seifertit) Polymorphe des SiO2; ähnlich Rutil mit 6-fach koordiniertem Si; 7.5–8.5 GPa
Stishovit ist bei Raumtemperatur ab Drücken von 8 GPa stabil und geht bei fünfzig GPa in die verwandte orthorhombische Kristallstruktur vom Typ Stishovit II über. Bei Normaldruck ist Stishovit metastabil. Stishovit entsteht als Hochdruckmineral typischerweise bei einem Meteoriteneinschlag (Impakt) und ist neben Coesit und diaplektischen Gläsern in Suevit, einem Impakt-Gestein, enthalten. Stishovit wurde nach dem russischen Kristallographen Sergei Stischow (* 1937) benannt, dem es 1961 zusammen mit S. W. Popowa erstmals gelang, die bis dahin nur theoretisch bekannte Modifikation synthetisch herzustellen. 1962 wurde Stishovit dann auch in der Natur im Barringer-Krater, einem Meteoritenkrater im US-amerikanischen Bundesstaat Arizona entdeckt und ist seitdem von der International Mineralogical Association (IMA) als Mineral anerkannt. Stishovit diente auch zum Nachweis, dass das Nördlinger Ries ein Einschlagkrater ist. Weitere Fundorte sind neben dem Barringer-Krater und dem Nördlinger Ries unter anderem der Zagami-Marsmeteorit in Nigeria, der Muonionalusta-Meteorit in Schweden, der Vredefort-Krater in Südafrika, sowie in verschiedenen Meteoriten-Kratern in den USA.

Stishovit
Stishovit

Kristalle mit prismatischem und bipyramidalem Habitus, gezüchtet mittels einer hydrothermalen Methode mit 9,5 GPa und einer Temperatur von 1200 K; Erzeugt im Vereshchagin Institute for High Pressur...

HPPI

Seifertit

Seifertit

orthorhombisch
oP, Pbcn

Eines der dichtesten (zusammen mit Stishovit) Polymorphe des SiO2; entsteht bei Drücken oberhalb 40 GPa
Seifertit bildet winzigste (<5x0,5 µm) Lamellen in glasigen Stishovit-Partien innerhalb mm-großer Quarzkörner, die selbst in glasig geschmolzenen Bytownit eingeschlossen sind

Das Mineral wurde in zahlreichen Meteoriten vom Mars nachgewiesen. Diese Meteorite sind irdischen Basalten sehr ähnlich; sie wurden durch einen riesigen Asteroideneinschlag vom Mars geschleudert und fielen später als Meteorite auf die Erde. Das Mineral bildete sich durch die enorme Druckwelle, die bei diesem Einschlag auf dem Mars entstand. Seifertit sollte aber nicht nur ein Bestandteil der Gesteine auf dem Mars sein. Auch im unteren Erdmantel, in Tiefen unterhalb von 1700 km, sollte Seifertit in Gesteinen mit freiem SiO2 vorhanden sein. Das durchscheinende, lamellare Hochdruck-Mineral ist die bisher dichteste natürliche Modifikation des Quarzes und zeichnet sich durch eine ungewöhnliche Härte aus. (ABEL, J., 2004). Stabil nur über 780 kB; was bedeutet, daß sich das Mineral auch im Erdmantel ab einer Tiefe von 1.700 km bilden könnte - wenn freies SiO2 zur Verfügung steht.



Clathrasile

Die Clathrasile sind silikatische Materialien mit Clathrat-artiger Struktur. Sie gehören zur Klasse der porösen Tektosilikate. Die Clathrasilgitter bestehen aus Käfigen, die durch sogenannte Gastmoleküle (Gäste) besetzt sind (GIES und MARLER, 1992). Die großen Käfige enthalten meist organische Moleküle, während in den kleineren Käfigen Gase (z. B. F, N2 2, CO2, Ar, CH4) angelagert sind. Die kleinsten Käfige sind in der Regel unbesetzt. Clathrasile sind keine echten Silikate, sondern SiO2-Formen mit sehr großen Hohlräumen und neutralen Gerüsten, deren Bildung nur mit den Gästen in den Hohlräumen erfolgt, wobei diese Phasen dann auch thermodynamisch stabil sind.(Quelle: Ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/Silikatchemie/Clathrasile)

Melanophlogit

Melanophlogite

kubisch
(cP*, P4232, No.208)oder tetragonal (P42/nbc)

Si5O10, Si6O12 Ringe.
Melanophlogit ist ein Clathrasil. Die Struktur des Melanophlogit, ein schwarzes Mineral, das Kohlenwasserstoffe in den interstitiellen Käfigen enthält und natürlich in Sizilien vorkommt, entspricht der des Cl2-Hydrats der Zusammensetzung 46 H2O . 8 X. Die Lücken, die zugleich Raumteiler sind, sind zwei 12-Flächner (Pentagondodekaeder) und sechs 14-Flächner pro Elementarzelle. Die Anordnung der Schwerpunkt der Polyeder entspricht dem Cr3Si-Typ. (Ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/Silikatchemie/Clathrasile)

Melanophlogit
Melanophlogit

Größe: 1,47 mm; Fundort: Fortullino, Rosignano Marittimo, Livorno, Toskana, Italien

Matteo Chinellato

Chibait

Chibait

kubisch

Chibait ist ein seltenes Silikat; genauer ein Silizium-Clathrasil mit der Formel SiO2•n(CH4,C2H6,C3H8,i-C4H10) (n = 3/17 (max)). Das Mineral kristallisiert im kubischen System (isometrisch diploidal). Das SiO2 enthält unterschiedliche Kohlenwasserstoff-Moleküle wie Methan, Ethan, Propan und 2-Methyl-Propan (Isobutan). Die käfigartige Topologie von Chibait ist isostrukturell mit den Struktur-II-Gashydraten. In sensu stricto ist Chibait wegen seiner Kohenwasserstoffbestandteile kein SiO2-Polymorph, sondern das natürliche Analogon einer Klasse synthetischer Verbindungen welche als Dodecasil 3C oder MTN bezeichnet werden. Wie Melanophlogit ist Chibait ein Clathrasil mit einer käfigartigen (Gerüst-)-Struktur aus SiO4-Tetradern.

Chibait wurde in Spalten eines miozänen, schwach metamorphisierten marinen sedimentären Gesteins zusammen mit Calcit und Chalcedon bei Arakawa in der Präfektur Chiba, Insel Honshu in Japan entdeckt und 2009 von der IMA anerkannt.

Chibait
Chibait

Arakawa, Minamiboso city, Chiba prefecture, Kanto region, Honshu Island, Japan (Typlokalität)

Koichi Momma - http://jp-minerals.org/mineral/en/chibaite.html

Andere verwandte Verbindungen

Silhydrit

Silhydrit

orthorhombisch

Die SiO2-Modifikation Silhydrit wurde im Jahr 1970 im Trinite Mining claim, Wildcat Peak, Halls Gulch District, Trinity Mts., im Trinity County, California, USA entdeckt.

Das Mineral bildet sich durch Auslaugung des Natriums aus Magadiit aus einer kalten, hochalkalinen Sole. Es wird auch in Höhlen gefunden. Silhydrit tritt i.d.R. als weißes, mikrokristalines massives Material auf.

Silhydrit
Silhydrit

Silhydrit und Magadiit vom Watson creek, East Trinity River, East fork, Trinity County, California, USA;
Größe: 7x2,8cm

Dr. David H. Garske

Faseriges W-Siliziumdioxid

Faseriges Siliziumdioxid
fibrous W-Silica

orthorhombisch
oI12, Ibam
72

Wie SiS2, besteht aus kantenteilenden Ketten, schmilzt bei 1700 K


2D Siliziumdioxid

2D Siliziumdioxid

hexagonal
Folienartige
Membranstruktur


Two-dimensional silica (2D silica) is a layered polymorph of silicon dioxide. Two varieties of 2D silica, both of hexagonal crystal symmetry, have been grown so far on various metal substrates. One is based on SiO4 tetrahedra, which are covalently bonded to the substrate. The second comprises graphene-like fully saturated sheets, which interact with the substrate via weak van der Waals bonds. One sheet of the second 2D silica variety is also called hexagonal bilayer silica (HBS); it can have either ordered or disordered (amorphous) structure.

2D silica has potential applications in electronics as the thinnest gate dielectric. It can also be used for isolation of graphene sheets from the substrate.



Mineralogie und Vorkommen von Siliziumdioxid

Nichtkristallines (amorphes) SiO2 kommt in der Natur als wesentlicher Bestandteil in folgenden Substanzen vor, die in ihrer Zusammensetzung sehr inhomogen und uneinheitlich sind:

  • biogen: Skelette von Radiolarien, Diatomeen und Schwämmen aus Opal, diagenetisch zu Gestein verfestigt, zum Beispiel zu Kieselschiefer
  • Geyserit: amorphe Sinterprodukte heißer Quellen
  • Tachylit: vulkanisches Glas basaltischer Zusammensetzung, das neben SiO2 größere Gehalte an FeO, MgO, CaO und Al2O3 enthält
  • Obsidian: vulkanisches Glas granitischer Zusammensetzung
  • Tektit: Gesteinsgläser entstanden durch Schmelzen von Gestein infolge von Meteoriteneinschlägen
  • Lechatelierit: reines natürliches SiO2-Glas wie es z. B. in Tektiten vorkommt oder bei Blitzeinschlägen in Quarzsande entsteht (Fulgurit)
  • Opal

Im Gegensatz zum amorphen SiO2 haben die kristallinen Formen nur eine sehr geringe Toleranz gegenüber Verunreinigungen. Sie unterscheiden sich nur in ihrer Struktur.

Siliziumdioxid bildet als Teil von Silikaten wie z. B. Feldspat, Tonmineralen oder in freier Form als Quarz den Hauptbestandteil der Erdkruste und somit auch die häufigste Siliziumverbindung.


Literatur

  • Abel, J., 2004; Seifertit - dichteste natürliche Form von Quarz nach Gründer des Bayerischen Geoinstituts benannt. Universität Bayreuth, Pressemitteilung
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