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 für viele technische Anwendungen genutzt (Talk als Schmiermittel und in Kosmetika, Zeolithe als Ionentauscher oder zum Cracken von Erdöl, Hochfeuerfeste Keramiken, etc.). Die ersten Untersuchungen an Silikaten mittels Röntgenmethoden wurden bereits 1926 durchgeführt (Taylor und Bragg). Strunz führte 1937/38 die Einteilung der Silikate nach ihrem Bauprinzip ein und entwickelte damit erste Ideen von Machatschki (1928) und Bragg (1930) weiter.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Das [ SiO 4]- Tetraeder
3 Silikate
4 Inselsilikate
4.1 Olivin
4.2 Granate
4.3 Aluminium- Silikate
4.3.1 Al 2 SiO 5-Gruppe
4.3.2 Mullit
5 Kettensilikate
5.1 Pyroxene
5.2 Amphibole
6 Schichtsilikate
7 Gerüstsilikate
7.1 SiO 2 - Phasen
7.2 Feldspäte
7.3 Feldspatvertreter
7.4 Zeolithe
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 Struk- turen werden sie auch für viele technische Anwendungen genutzt (Talk als Schmiermittel und in Kosmetika, Zeolithe als Ionentauscher oder zum Cracken von Erdöl, Hochfeuerfeste Keramiken, etc.). Die ersten Untersuchungen an Silikaten mittels Röntgenmethoden wur- den bereits 1926 durchgeführt (Taylor und Bragg). Strunz führte 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 in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Das [ SiO 4]- Tetraeder (a) vier als Kugeln dargestellte Sauerstoffatome, im Zentrum liegt das kleinere Siliziumatom. (b) Ein übersichtlicheres Modell des Tetraeders, das die Si − O Bindungen zeigt. c) Zwei Tetraeder, die über ein Brückensauerstoff verbunden sind. θ stellt den Intertetraederwinkel dar.1
Die weite Bandbreite an Silikaten ist begründet durch zwei herausragende Eigenschaf- ten des [ SiO 4]- Tetraeders. Zum Einen die enorme Stabilität des Tetraeders mit einer mittleren Bindungslänge Si − O von 1 . 64Å und einem Intratetraederwinkel von 109 ◦ 28 ′.
Im Intratetraederwinkel ergibt sich eine Flexibilität 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 Energiemi- nium bei Si − O − Si = 140 ◦ und Si − O = 1 . 60Å, wie in Abbildung 2 zu erkennen ist. Die Tetraeder können sowohl ecken-, kanten- als auch flächenverknüpfte Strukturen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Berechnetes Konturendiagramm. Es zeigt die Änderung des Energiepoten- tials eines Si 2 O 7 Moleküls mit variierenden Si − O Bindungslängen und Winkeln.[1]
ausbilden, wobei Sauerstoff als Brückensauerstoff fungiert und eine Si − O − Si -Bindung entsteht. Da die eckenverknüpften Tetraeder die höchste Stabilität aufweisen haben sie an gesteinsbildenden Silikaten den größten Anteil. Häufig kann eine Substitution von Si durch Al in Silikaten beobachtet werden. Dies liegt an einem ähnlichen Ionenradius der beiden Elemente [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]. Durch eine Al -Substitution erhöht sich der ioni- sche Charakter der Bindung auf etwa 63%. Des Weiteren ist die Al − O -Bindung im Mittel länger (1 . 75Å) als die Si − O -Bindung, was zu Folge hat, dass das AlO 4 Tetraeder etwas größer ist und dass sich die Intratetraederwinkel verändern. Da die Bindung Al − O − Al ein größeres Energiepotential aufweist als eine Al − O − Si - Bindung kommt es in Silika- ten zu einer Vermeidung dieser Bindungen. Dies führt dazu, dass maximal ein Verhältnis Al: Si von 1 : 1 in eckenverknüpften Silikaten vorkommt (L ö wenstein ’ 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 für 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 -Verhältnis liegt bei 1 : 4.
Gruppensilikate Werden auch Soro -Silikate genannt. Die [ SiO 4]- Tetraeder liegen als Dimere in der Struktur vor. Das Si: O -Verhältnis 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 -Verhältnis 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 -Verhältnis 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 -Verhältnis liegt bei 2 : 5.
Gerüstsilikate Werden auch Tecto -Silikate genannt. Sind alle Sauerstoffe eines Tetra- eders mit einem weiteren Tetraeder verbunden bildet sich ein Gerüst. Das Si: O - Verhältnis liegt bei 1 : 2.
Die in der Vorlesung behandelten Silikate werden im Folgenden näher erläutert.
4 Inselsilikate
In der Gruppe der Inselsilikate werden isolierte [ SiO 4]- Tetraeder durch unterschiedliche Kationen miteinander verknüpft. Diese besetzen Oktaederplätze in der Struktur. Zu den Inselsilikaten zählen 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, M g und F e 2 + besetzt sein kann. Die häufigsten natürlichen Olivine sind Forsterit (M g 2 SiO 4) und Fayalit (F e 2 SiO 4), zwischen denen eine vollständige Mischungsreihe existiert. Zwischen der weniger häufigen Mischreihe Monticellit (CaM gSiO 4) - Kirschteinit (CaF eSiO 4) und der Forsterit FayalitReihe gibt es auf Grund der großen Ca 2 +-Ionen keine Mischbarkeit.
Struktur
Kristallsystem: orthorhombisch
Kristallklasse: mmm
Raumgruppe: P bnm
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Die Olivinstruktur. a) eine Projektion der Struktur mit Blick entlang der a -Achse, die orthorhombische Elementarzelle ist gestrichelt dargestellt. b) Darstellung der Verknüpfung der M 1- und M 2- Oktaeder, sowie der SiO 4- Tetraeder.1
Wie in Abbildung 3 zu erkennen ist, gibt es zwei Oktaederplätze, M 1 und M 2, wobei die M 1-Plätze auf Inverssionszentren und die M 2-Plätze auf Spiegelebenen liegen. In der idealen Olivinstruktur werden beide Oktaederplätze als regulär betrachtet. In der realen Struktur zeigt sich jedoch, dass die Plätze leicht verzerrt sind und dass der M 2-Platz etwas größer ist. Diese Tatsache hat zu Folge, dass Ca bevorzugt die M 2-Plätze 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 Hälfte der Oktaederplätze und Si auf einem Achtel der Tetraederplätze.
Stabilität
Durch Änderungen der Druck und Temperaturbedingungen ändert sich die Größe der M -Oktaeder, während die Tetraeder nahezu stabil bleiben. Das liegt an der stärkeren Si − O -Bindung im Gegensatz zur M − O -Bindung. Bei erhöhter Temperatur nimmt die Oktaedergröße signifikant zu und bei Druckerhöhung ab. Olivin ist im oberen Erdmantel bis zu einer Tiefe von etwa 400 km stabil. In der Übergangszone (400 km − 670 km) wird er in eine Spinell-Struktur umgewandelt. Diese Struktur ist dichter und bildet annähernd eine kubisch dichteste Kugelpackung.
4.2 Granate
Der Granat hat die allgemeine Formel A 2 +3 B 3 +2 Si 3 O 12, wobei der 8-fach koordinierte A - Platz durch Ca 2 +, M g 2 +, F e 2 + oder M n 2 + besetzt werden kann und der 6-fach koordinier- te B -Platz durch F e 3 +, Al 3 + oder Cr 2 +. Natürliche Granate lassen sich in zwei Gruppen teilen. Zum einen die Pyralspite, deren B -Kation stets Aluminium ist und zum Anderen die Ugrandite auf deren A -Platz ein Ca sitzt. Die Bezeichnungen ergeben sich aus den Namen der jeweils drei Endglieder Pyrop (M g 3 Al 2(SiO 4 )3), Almandin (F e 3 Al 2(SiO 4 )3), Spessartin (M n 3 Al 2(SiO 4 )3), Uvarovit (Ca 3 Cr 2(SiO 4 )3), Grossular (Ca 3 Al 2(SiO 4 )3) und Andradit (Ca 3 F e 2(SiO 4 )3).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Im Granat liegen isolierte [ SiO 4 ]- Tetraeder auf4-Achsen (vgl. Abbildung 4). Sie sind eckenverknüpft mit [ BO 6] Oktaedern, die auf 3-Achsen liegen. Zwischen Tetraedern und Oktaedern enstehen Lücken mit stark verzerrter Würfelkoordination ([ AO 8]). Die Oktaeder haben eine Varianz von 0 ◦ − 5 ◦, sie sind also nicht bis kaum verzerrt. Die Tetraeder hingegen zeigen eine Varianz von 20 ◦ − 65 ◦, sind also je nach Zusammensetzung des Granats stark verzerrt.
Stabilität
Da sich Granate bei hohen Drücken und Temperaturen ab etwa 700 ◦ C bilden haben sie in der metamorphen Petrologie eine wichtige Rolle. Die Reaktion
3 CaAl 2 Si 2 O 8 = Ca 3 Al 2 Si 3 O 12 + 2 Al 2 SiO 5 + SiO 2
Anorthit = Grossular + Aluminosilikat + Quarz (1)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Teil der Granatstruktur. Dargestellt ist die Verknüpfung der isolierten SiO 4 - Tetraeder und der BO 6- Oktaeder. Nach Novak und Gibbs, 1971.1
wird beispielsweise als Geobarometer genutzt (GASP Granat-Aluminosilikat- Plagioklas-Geobarometer). Des Weiteren markiert die Reaktion
2(M g, F e)2 Si 2 O 6 + CaAl 2 Si 2 O 8 = (F e, M g)3 Al 2 Si 3 O 12 + Ca (M g, F e)2 Si 2 O 6 + SiO 2
Orthopyroxen + Anorthit = Granat + Klinopyroxen + Quarz (2)
den Übergang der Niedrig-Druck-Granulit-Fazies zur Hoch-Druck-Granulit-Fazies.
4.3 Aluminium- Silikate
Zu den Aluminium Silikaten zählen die Alumo- und die Aluminosilikate. Unter Alumosili- katen versteht man Silikate, die aus [ SiO 4 ]- und [ AlO 4]- Tetraedern aufgebaut sind. Dazu gehören beispielsweise die Feldspäte. Die Aluminosilikate hingegen sind aus [ AlO 6]- Ok- taedern aufgebaut. Zu dieser Grupper gehören unter anderem die Al 2 SiO 5 - Polymorphe.
4.3.1 Al 2 SiO 5-Gruppe
Die Al 2 SiO 5 -Gruppe umfasst die Minerale Kyanit, Andalusit und Sillimanit, die je nach Druck und Temperaturbedingungen stabil sind.
Struktur
Kristallsystem: Andalusit orthorhombisch
Kyanit triklin
Sillimanit orthorhombisch
[...]
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