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Silikat




Einleitung

Die Erdkruste besteht zum größten Teil aus Silikaten. Da ihre chemische Zusammensetzung recht komplex ist und die meisten Silikate in Wasser nahezu unlöslich sind, konnten sie erst mit Hilfe moderner Untersuchungsmethoden (z.B. Röntgenanalysen) hinreichend exakt und umfassend analysiert werden.

Man erforschte ihren atomaren Aufbau und erarbeitete nun auf dieser Grundlage eine neue Einteilung. So wissen wir heute, dass in den Silikatmineralien jedes Siliziumatom von vier Sauerstoffatomen umgeben ist. Zwischen dem Siliziumatom und den Sauerstoffatomen herrschen starke kovalente Bindungskräfte (d.h. benachbarte Atome teilen sich gegenseitig die äußeren Elektronenschalen, so dass die dortigen Elektronen zwei Atomen gehören). Die tetraedrische Anordnung der Atome ist elektrisch nicht neutral, da die acht negativen Ladungen der Sauerstoffatome nicht durch die vier positiven Ladungen des Siliziums ausgeglichen werden können.

Es gibt nun für einen Ladungsausgleich zwei Möglichkeiten: Entweder kommen weitere Kationen hinzu oder es verbinden sich benachbarte Siliziumtetraeder miteinander. Die Möglichkeiten, auf diese Weise Mineralien zu bilden, sind nahezu unerschöpflich. Somit stellen die Silikate die größte Gruppe von Mineralien dar.

Entsprechend der Art und Weise, wie sich die Tetraeder nun untereinander verbinden und wie die Ladung ausgeglichen wird, werden entsprechend der Mineralsystematik nach Strunz (9. Auflage) die Silikate in folgende Unterklassen eingeteilt.


Nesosilikate (Inselsilikate)

Diese Silikate bestehen aus einzelnen SiO4-Tetraedern der Zusammensetzung (SiO4)4- (griech. nesos, Insel) und sind damit am einfachsten aufgebaut. Zwecks Ladungsausgleich sind diese (SiO4)4--Gruppen über verschiedenartige Kationen miteinander verbunden.

Bauprinzip der Insel- bzw. Nesosilikate sind isolierte inselartige [SiO4]4--Tetraeder in der Kristallstruktur, welche über verschiedene Kationen miteinander verknüpft sind. Nesosilikate mit zusätzlichen tetraederfremden Anionen (O2-, OH-, F-) werden gesondert als Neso-Subsilikate bezeichnet.

Die Minerale dieser Klasse besitzen eine dichte Sauerstoff-Kugelpackung, hohes spezifisches Gewicht (über 3), hohe Härte (6 - 8) und hohe Brechungsindizes (n über 1.6). Pseudohexagonale und pseudokubische Symmetrie herrschen vor. Wichtigste gesteinsbildende Vertreter der Nesosilikate sind Minerale der Olivin- und Granatgruppe sowie Zirkon. Wirtschaftlich und petrologisch bedeutende Neso-Subsilikate sind die drei Aluminiumsilikate Sillimanit, Andalusit und Disthen, sowie Topas und Staurolith.

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Zu den Inselsilikaten gehören stellvertretend u.a. folgende Mineralien


Sorosilikate (Gruppensilikate)

Bei diesen Silikaten sind nur jeweils zwei Tetraeder über eine Ecke miteinander zu (Si2O7)6- -Gruppen verknüpft, wobei diese Gruppen über Kationen zusammenhängen.

Die Abteilung der Gruppen- bzw. Sorosilikate ist gekennzeichnet durch selbständige Gruppen von [SiO4]4--Tetraedern. Meist handelt es sich um Strukturen mit Si2O7-Doppelgruppen und untergeordnet auch tetraederfremden Anionen und [SiO4]-Inseln. Die Symmetrie dieser Silikate ist bevorzugt monoklin.

Wichtigste Minerale dieser Gruppe sind Epidot, Zoisit und Vesuvian sowie Bertrandit. BILD:1329523242

Zu den Gruppensilikaten gehören stellvertretend u.a. folgende Mineralien


Cyclosilikate (Ringsilikate)

Die Abteilung der Ring- oder Cyclosilikate enthält Kristallarten mit Ringen von [SiO4]4--Tetraedern, wobei diese mit ihren Nachbarringen nicht direkt über gemeinsame O2- -Ionen, sondern nur über Kationen verbunden sind.

Im Fall der Ringsilikate sind die SiO4-Tetraeder über die Ecken in 3er-, 4er-, 6er-, 8er- oder 12er-Ringen miteinander verbunden. Es gibt einfache Ringe, wie:

  • Dreierringe [Si3O9]6- im Benitoit
  • Viererringe [Si4O12]8- in einigen seltenen Silikaten
  • Sechserringe [Si6O18]12-im Beryll und Turmalin
  • doppelstöckige Ringe, wie Doppel-Dreierringe [Si6O15]6- im Elpidit
  • Doppel-Sechserringe [Si12O30]12- im Milarit

und andere. Da die morphologische Symmetrie im allgemeinen ein Abbild der Ringsymmetrie ist und Viererringe offenbar selten sind, liegen viele Beispiele mit trigonaler und hexagonaler Symmetrie vor.

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Zu den Ringsilikaten gehören stellvertretend u.a. folgende Mineralien


Inosilikate (Ketten- und Bandsilikate)

Die Strukturen der Ino- bzw. Kettensilikate sind gekennzeichnet durch eindimensional unendliche [SiO4]4--Tetraederketten oder -bänder (durch Querverbindungen über gemeinsame Tetraedersauerstoffe verknüpfte Ketten).

Die Periodizität der Ketten und Bänder umfaßt meist zwei Tetraederlängen, wie in den wichtigsten Vertretern dieser Klasse, den

Pyroxenen (z.B. Diopsid CaMg[Si2O6])
Amphibolen (z.B. Tremolit Ca2Mg5[(OH)2|Si8O22]),

oder drei Tetraederlängen wie im

Wollastonit Ca3[Si3O9]

fünf und sieben Tetraederlängen we im

Rhodonit CaMn4[Si5O15] und Pyroxmangit (Mn,Fe)7[Si7O21].

An jedes der genannten Minerale schließen sich zum Teil sehr zahlreiche weitere Vertreter analogen Strukturtyps an.

Als Folge der Ketten- bzw. Bandstruktur existieren parallel zu den Ketten stets mehrere Ebenen guter Spaltbarkeit (nach (110)). Die äußere Kristallform, die ja meist auch Ausdruck des inneren strukturellen Aufbaus ist, weist meist eine stark bevorzugte Richtung auf. Die Minerale sind deshalb in der Regel säulig, nadelig oder sogar faserig (dann als (Cummingtonit-)Asbest bezeichnet).
Prehnit ist ein Mineral, das aufgrund seiner Struktur bereits zu den Phyllosilikaten überleitet.

Pyroxene besitzen einfache Ketten in der Zusammensetzung (Si2O6])4-

Kettensilikat

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Amphibole besitzen dagegen Doppelketten (Bänder) in der Zusammensetzung (Si4O11)6-

Bandsilikat

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Diese Ketten und Bänder verfügen über freie Tetraederspitzen, die durch Kationen abgesättigt werden. So werden die überschüssigen, negativen Ladungen ausgeglichen und die Ketten und Bänder miteinander verknüpft.

Zu den Ketten- und Bandsilikaten gehören unter anderem folgende Mineralien
  • Pyroxen-Gruppe
  • Amphibol-Supergruppe
    • Aenigmatit-Gruppe
  • Dreierketten
  • Fünferketten
  • komplexe Kettenstrukturen (Zylinderketten u.a.)

Anmerkung/Hinweis: Es gibt auch noch Silikate mit Viererketten, Sechserketten, Siebenerketten und Zwölferketten, außerdem eine Silikatuntergruppe aus Kombination von Kette und Gruppe sowie weitere Amphibol-Untergruppen, die hier jetzt nicht aufgeführt wurden, da dies sonst den Rahmen sprengen würde.


Phyllosilikate (Schichtsilikate)

In den Phyllo- bzw. Schichtsilikaten ist jedes Tetraeder bereits über drei Ecken an die drei Nachbartetraeder gebunden. Die Verknüpfung erfolgt in der Weise, dass zweidimensional unendliche Tetraedernetze entstehen, zwischen denen Schichten von oktaedrisch von O und (OH)- umgebenen Kationen (K, Li, Mg, Zn, Fe2+, Fe3+, Mn2+ etc.) liegen. In den Tetraederschichten weisen alle freien Tetraederspitzen in eine Richtung.

Sind die Tetraeder einer Schicht zu Einzel- oder Doppelnetzen aus Sechserringen verbunden, so entstehen hexagonale bzw. pseudohexagonale Minerale, wie in der Glimmer-Familie (Muskovit, Biotit), Chlorit-Reihe (Klinochlor) und Kaolinit-Serpentinit-Familie (Chrysotil, Kaolinit). Besteht die Schicht dagegen aus Viererringen, so ist das Mineral tetragonal bzw. pseudotetragonal (z.B. Apophyllit).

Die Schichtgittereigenschaften dieser Minerale zeigen sich eindrucksvoll an der vollkommenen blättrigen Spaltbarkeit nach (0001), am meist negativen optischen Charakter der Minerale und der guten Translationsfähigkeit entlang der Basis, was die z.T. starke Verformbarkeit (Plastizität) insbesondere der Tonminerale bedingt.

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Zu den Schichtsilikaten gehören unter anderem folgende Mineralien


Tektosilikate (Gerüstsilikate)

In den Tekto- bzw. Gerüstsilikaten ist jedes [SiO4]- oder [AlO4]-Tetraeder mit allen vier Sauerstoffatomen an seine Nachbartetraeder gebunden, wodurch ein dreidimensional unendliches, lockeres Tetraedergerüst mit z.T. großen Hohlräumen entsteht. Diese dreidimensionalen Gitterstrukturen haben von allen Silikaten die geringste Packungsdichte der Atome, die geringsten Brechungsindizes und spezifischen Dichten.

Die Si4+ -Ionen können in geordneter und ungeordneter Weise durch Al3+-Ionen vertreten werden, wobei der notwendige Ladungsausgleich in der Regel durch Alkali- und Erdalkaliionen sowie anderen Kationen erfolgt (sogenannte Alumosilikate). Hierdurch und durch den Einbau zusätzlicher Anionen (z.B. [SO4]2-, [CO3]2-, Cl-) sowie durch die Einlagerung von H2O (Kristallwasser und in Gitterweiterungen locker gebundenes "Zeolithwasser") entsteht eine Vielzahl von Kristallstrukturen in dieser Abteilung.

Die Sauerstoffpackung ist in den Tektosilikaten recht locker, so dass sich diese Minerale, insbesondere die Zeolithe, durch geringes spezifisches Gewicht, niedrige Lichtbrechung und eine mittlere Härte (4 - 6) auszeichnen (z.B. Chabasit, Natrolith, Heulandit). Die Zeolithe besitzen besonders weitmaschige Gerüste, in deren Hohlräumen und Kanälen die Kationen Na, K, Ca, Ba etc. und Wassermoleküle nicht nur reichlich Platz haben, sondern leicht abgegeben und wieder aufgenommen bzw. ausgetauscht werden können (Anwendung als Molekularsiebe und Ionenaustauscher).

Zu den Tektosilikaten zählen die wichtigsten und verbreitetsten gesteinsbildenden Minerale der Erdkruste, nämlich die Feldspäte

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  • Gerüstsilikate ohne tetraederfremde Anionen
  • Feldspat-Gruppe
  • Gerüstsilikate mit tetraederfremden Anionen




Literatur

  • Bragg, W.L., 1930; The structure of silicates. In: Z. Kristallogr. 74, 237–305.
  • Deer, W. A., Howie, W.A., Zussman, J., 1982; Rock-Forming Minerals, Volume 1A: Orthosilicates. Longman, London, 2. Auflage
  • Kostov, I., 1975; Crystal chemistry and classification of silikate minerals. In: Geokhimiya, Mineralogiya i Petrologiya. 1, 5–41.
  • Liebau, F., 1962; Die Systematik der Silicate. In: Naturwissenschaften. 49, 481–491.
  • Liebau, F., 1985; Structural Chemistry of Silicates. Springer-Verlag, Berlin.
  • Matthes, S., 1993; Mineralogie. Springer-Verlag, Berlin, 4. Auflage, 1993
  • Na’ray-Szabo, S., 1930; Ein auf der Kristallstruktur basierendes Silicatsystem. In: Z. Physik. Chem. Abt. B9.,356–377.
  • Pichler,H., Schmitt-Riegraf, C.; 1987; Gesteinsbildende Minerale im Dünnschliff. Enke Verlag
  • Ribbe, P.H., 1982; Reviews in mineralogy Volume 5: Orthosilicates. Mineralogical Society of America, Washington, 2. Auflage
  • Smith, J.V., Brown, W.L., 1988; Feldspar Minerals, Volume 1. Springer-Verlag, Berlin, 2. Auflage
  • Strunz, H., Strunz mineralogical tables : chemical structural mineral classification system. 9. Auflage, Schweizerbart, Stuttgart. ISBN 978-3-510-65188-7
  • Tröger, W.E., 2001; Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale, Teil 1: Bestimmungstabellen. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, 4. Auflage
  • Zoltai, T., 1960; Classifikation of silicates and other minerals with tetrahedral structures. In:American mineralogist. 45. 960–973

Einordnung