INHALTSVERZEICHNIS 1

Inhaltsverzeichnis   

1  Einleitung  2

2  Das SiO 4 - Tetraeder  2

3  Silikate  3

4  Inselsilikate  4

4.1  Olivin  4

4.2  Granate  6

4.3  Aluminium- Silikate  7

4.3.1  Al 2 SiO 5 -Gruppe  7

4.3.2  Mullit  8

5  Kettensilikate  9

5.1  Pyroxene  10

5.2  Amphibole  13

6  Schichtsilikate  14

7  Ger ustsilikate  16

7.1  SiO 2 - Phasen  16

7.2  Feldsp ate  18

7.3  Feldspatvertreter  20

7.4  Zeolithe  20

1 Einleitung

Die Silikate sind die am Weitesten verbreitete Mineralklasse in Erdkruste und Mantel. Sie sind nicht nur gesteinsbildend, sondern dienen auch als Schmuck- und Edelsteine (Opal, Peridot [Olivin], Mondstein, Aquamarin, etc.). Durch ihre enorme Bandbreite an Strukturen werden sie auch f¨ ur viele technische Anwendungen genutzt (Talk als Schmiermittel und in Kosmetika, Zeolithe als Ionentauscher oder zum Cracken von Erd¨ ol, Hochfeuerfeste Keramiken, etc.). Die ersten Untersuchungen an Silikaten mittels R¨ ontgenmethoden wurden bereits 1926 durchgef¨ uhrt (Taylor und Bragg). Strunz f¨ uhrte 1937/38 die Einteilung der Silikate nach ihrem Bauprinzip ein und entwickelte damit erste Ideen von Machatschki (1928) und Bragg (1930) weiter. Grundbaustein aller Silikate ist das SiO 4 - Tetraeder, das in Abbildung 1 dargestellt ist.

2 Das [SiO 4 ]- Tetraeder

Im [SiO 4 ]- Tetraeder ist ein Silizium von vier tetraedrisch angeordneten Sauerstoffen umgeben.

Abbildung 1: Das [SiO 4 ]- Tetraeder (a) vier als Kugeln dargestellte Sauerstoffatome, im Zentrum liegt das kleinere Siliziumatom. (b) Ein ¨ ubersichtlicheres Modell des Tetraeders, das die Si − O Bindungen zeigt. c) Zwei Tetraeder, die ¨ uber ein Br¨ uckensauerstoff ver-bunden sind. θ stellt den Intertetraederwinkel dar.[1]

Die weite Bandbreite an Silikaten ist begr¨ undet durch zwei herausragende Eigenschaften des [SiO 4 ]- Tetraeders. Zum Einen die enorme Stabilit¨ at des Tetraeders mit einer mittleren Bindungsl¨ ange Si − O von 1.64 ˚ A und einem Intratetraederwinkel von 109 ◦ 28 .

Im Intratetraederwinkel ergibt sich eine Flexibilit¨ at von etwa 6 ◦ dadurch, dass die Bin-

dung im Tetraeder nicht rein kovalenter Natur ist, sondern auch einen ionischen Anteil von etwa 50% aufweist. Zum Anderen ist der Intertetraederwinkel sehr flexibel. Er kann zwischen 120 ◦ und 180 ◦ variieren; hat jedoch nach Gibbs et al. (1981) ein Energieminium bei Si − O − Si = 140 ◦ und Si − O = 1.60 ˚ A, wie in Abbildung 2 zu erkennen

ist. Die Tetraeder k¨ onnen sowohl ecken-, kanten- als auch fl¨ achenverkn¨ upfte Strukturen

Abbildung 2: Berechnetes Konturendiagramm. Es zeigt die ¨ Anderung des Energiepoten-

tials eines Si 2 O 7 Molek¨ uls mit variierenden Si − O Bindungsl¨ angen und Winkeln.[1]

ausbilden, wobei Sauerstoff als Br¨ uckensauerstoff fungiert und eine Si − O − Si-Bindung entsteht. Da die eckenverkn¨ upften Tetraeder die h¨ ochste Stabilit¨ at aufweisen haben sie an gesteinsbildenden Silikaten den gr¨ oßten Anteil. H¨ aufig kann eine Substitution von Si durch Al in Silikaten beobachtet werden. Dies liegt an einem ¨ ahnlichen Ionenradius der beiden Elemente (Si ∼ 1.1 ˚ A;Al ∼ 1.2 ˚ A). Durch eine Al-Substitution erh¨ oht sich der ionische Charakter der Bindung auf etwa 63%. Des Weiteren ist die Al −O-Bindung im Mittel l¨ anger (1.75 ˚ A) als die Si − O-Bindung, was zu Folge hat, dass das AlO 4 Tetraeder etwas gr¨ oßer ist und dass sich die Intratetraederwinkel ver¨ andern. Da die Bindung Al − O − Al ein gr¨ oßeres Energiepotential aufweist als eine Al − O − Si- Bindung kommt es in Silikaten zu einer Vermeidung dieser Bindungen. Dies f¨ uhrt dazu, dass maximal ein Verh¨ altnis Al : Si von 1 : 1 in eckenverkn¨ upften Silikaten vorkommt (L¨ owenstein’sche Regel )

3 Silikate

Silikate werden im Allgemeinen nach dem Polymerisationsgrad ihrer [SiO 4 ]- Tetraeder eingeteilt. Betrachtet man die Formalladungen der Ionen (Si ⁴⁺ und O ²⁻ ) ergibt sich f¨ ur das Tetraeder eine negative Ladung ([SiO 4 ] ⁴⁻ ). Diese negative Ladung, die je nach

Polymerisationsgrad unterschiedlich groß ist, wird durch Kationen ausgeglichen. Setzt

man voraus, dass die Tetraeder nur an den Ecken polymerisieren und ein Sauerstoff nur zwei Tetraeder miteinander verbinden kann, ergibt sich folgende Einteilung.

Inselsilikate Werden auch Neso-Silikate genannt. Die [SiO 4 ]- Tetraeder liegen isoliert in der Struktur vor. Das Si : O-Verh¨ altnis liegt bei 1 : 4.

Gruppensilikate Werden auch Soro-Silikate genannt. Die [SiO 4 ]- Tetraeder liegen als Dimere in der Struktur vor. Das Si : O-Verh¨ altnis liegt bei 2 : 7.

Ringsilikate Werden auch Cyclo-Silikate genannt. Die [SiO 4 ]- Tetraeder liegen als Dreier-, Vierer- oder Sechserringe in der der Struktur vor. Das Si : O-Verh¨ altnis liegt bei 1 : 3.

Einfach- und Doppelkettensilikate Werden auch Ino-Silikate genannt. Die [SiO 4 ]-Tetraeder liegen als eindimensionale Einfach-oder Doppelketten in der Struktur vor. Das Si : O-Verh¨ altnis liegt in den Einfachketten bei 1 : 3 und bei den Doppelketten bei 4 : 11.

Schichtsilikate Werden auch Phyllo-Silikate genannt. Die [SiO 4 ]- Tetraeder liegen als zweidimensionale Schichten in der Struktur vor. Das Si : O-Verh¨ altnis liegt bei 2 : 5.

Ger¨ ustsilikate Werden auch Tecto-Silikate genannt. Sind alle Sauerstoffe eines Tetraeders mit einem weiteren Tetraeder verbunden bildet sich ein Ger¨ ust. Das Si : O- Verh¨altnis liegt bei 1 : 2.

Die in der Vorlesung behandelten Silikate werden im Folgenden n¨ aher erl¨ autert.

4 Inselsilikate

In der Gruppe der Inselsilikate werden isolierte [SiO 4 ]- Tetraeder durch unterschiedliche Kationen miteinander verkn¨ upft. Diese besetzen Oktaederpl¨ atze in der Struktur. Zu den Inselsilikaten z¨ ahlen Olivine, Granate und die Aluminiumsilikate Andalusit, Kyanit und Sillimanit.

4.1 Olivin

Olivin hat die allgemeine Formel M 2 SiO 4 , wobei M durch Ca, Mg und F e ²⁺ besetzt sein

kann. Die h¨ aufigsten nat¨ urlichen Olivine sind Forsterit (Mg 2 SiO 4 ) und Fayalit (F e 2 SiO 4 ), zwischen denen eine vollst¨ andige Mischungsreihe existiert. Zwischen der weniger h¨ aufigen Mischreihe Monticellit (CaMgSiO 4 ) - Kirschteinit (CaF eSiO 4 ) und der Forsterit Fayalit- Reihe gibt es auf Grund der großen Ca ²⁺ -Ionen keine Mischbarkeit.

4.1 Olivin 5

Struktur

Kristallsystem: orthorhombisch Kristallklasse: mmm Raumgruppe: P bnm

Abbildung 3: Die Olivinstruktur. a) eine Projektion der Struktur mit Blick entlang der a-Achse, die orthorhombische Elementarzelle ist gestrichelt dargestellt. b) Darstellung der Verkn¨ upfung der M 1- und M 2- Oktaeder, sowie der SiO 4 - Tetraeder. [1]

Wie in Abbildung 3 zu erkennen ist, gibt es zwei Oktaederpl¨ atze, M 1 und M 2, wobei die M 1-Pl¨ atze auf Inverssionszentren und die M 2-Pl¨ atze auf Spiegelebenen liegen. In der idealen Olivinstruktur werden beide Oktaederpl¨ atze als regul¨ ar betrachtet. In der realen Struktur zeigt sich jedoch, dass die Pl¨ atze leicht verzerrt sind und dass der M 2-Platz etwas gr¨ oßer ist. Diese Tatsache hat zu Folge, dass Ca bevorzugt die M 2-Pl¨ atze besetzt. Betrachtet man die Sauerstoffe der Struktur ergibt sich eine leicht verzerrte hexagonal dichteste Kugelpackung, deren dichtgepackte Schichten parallel der (100)-Ebene liegen. Die M-Kationen sitzen hier auf der H¨ alfte der Oktaederpl¨ atze und Si auf einem Achtel der Tetraederpl¨ atze.