$SiO_2$ und Silicate

$SiO_2$ findet sich in vielen Gesteinen, z.B. in Quarzsand, Sandstein, Gneis und in Granit. $SiO_2$ ist im Gegensatz $CO_2$ fest, hart und hochschmelzend. Da die Tendenz zu Doppelbindungen bei Si (wie auch bei Ge, Sn und Pb) nachlässt, bildet $SiO_2$ über Einfachbindungen polymere $SiO_{4/2}-$Tetraederverbände.

Die Zahl der möglichen geordneten (und natürlich ungeordneten) Tetraederanordnungen ist sehr gross. Schon für $SiO_2$ treten unter Normaldruck sechs Modifikationen auf:

Nur bei höchsten Drücken wird Silicium 6-fach koordiniert (Stishovit, Rutil-Strukturtyp).

Abbildung 42: Im Rutil sind Oktaederstränge über die Kanten verbunden (b) und im $\alpha$-PbO$_2$ über die Diagonalen (c).

[Rutil Typ]

[Rutil] [$\alpha$-PbO$_2$]

$SiO_2$ ist sehr beständig und wird von Säuren nicht angegriffen. Es reagiert schnell mit $HF$, aber nur langsam mit Laugen. Schmucksteine, die $SiO_2$ enthalten, sind z.B.

Stein	Farbe	Stein	Farbe
Bergkristall	farblos	Citrin	gelb
Rauchquarz	braun	Rosenquarz	rosa
Morion	schwarz

Monokieselsäure, $H_4SiO_4$, ist nur in grosser Verdünnung beständig (c $< 10^{-3}$ mol/l). Bei höherer Konzentration kondensiert sie spontan

Lösungen mit einem pH=2 sind relativ beständig. Alkalimetallsilicate können aus Quarz und den Carbonaten dargestellt werden

$$SiO_2 + 2Na_2CO_3 \longrightarrow Na_4SiO_4 + 2CO_2$$

Wässrige Lösungen solcher Silicate heissen Wasserglas und reagieren stark alkalisch nach

$$Na_4SiO_4 + 3H_2O \longrightarrow 4Na^+ + 3OH^- + H_3SiO_4^-.$$

Beim Ansäuern entsteht gelartiges $SiO_2(aq)$.

Das Endprodukt der Kondensation ist $SiO_2$. Ein Zwischenprodukt ist Kieselgel, eine hochkondensierte wasserhaltige Form. Das entwässerte Kieselgel heisst Silicagel und ist ein amorphes Polymer mit sehr guten Absorptionseigenschaften für Gase und Dämpfe (Trockenmittel). In Form von Salzen können oligo- und polymere Silicatanionen stabil sein. Es treten ganz unterschiedliche Arten der Vernetzung auf, stets sind jedoch nur $SiO_{4/2}$-Tetraeder vorhanden, und die sind immer über Ecken verknüpft.

Abbildung 43: Anionenstruktur einiger Silicate

Die in den Lücken dieser Strukturen vorhandenen Kationen können z.T. ausgetauscht werden (diadocher Ersatz).

Man unterscheidet

Name	altern. Name	Anion	verkn.	Verbindung
			Ecken
Inselsilicate	Nesosilicate	$[SiO_4]$	0	Zirkon / $ZrSiO_4$
Gruppensilicate	Sorosilicate	$[Si_2O_7]^{6-}$	1	Barysilit / $Pb_3[Si_2O_7]$
Ringsilicate	Cyclosilicate	$[Si_3O_9]^{6-}$	2	Benitoit / $BaTi[Si_3O_9]$
		$[Si_6O_{18}]^{12-}$		Beryll / $Be_3Al_2[Si_6O_{18}]$
Kettensilicate	Inosilicate	$[Si_2O_6]^{4-}$	2, 3	Pyroxene
				(Spodumen / $LiAl[Si_2O_6]$)
		$[Si_{4}O_{11}]^{6-}$		Amphibole
				(Tremolid / $Ca_2Mg_5[Si_4O_{11}]$)
Schichtsilicate	Phyllosilicate	$[Si_4O_{10}]^{4-}$	3	Talk, Glimmer
Gerüstsilicate	Tektosilicate	$[Si_4O_{10}]^{4-}$	4	Feldspate
				(Albit / $Na[AlSi_3O_8]$),
				Clathrasile

Die Ketten in den Kettensilicaten können wiederum in verschiedener Weise geknüpft werden:

Bei den Schichtsilicaten sind je nach Kationenart und -verteilung unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen den Schichten möglich. Talk, $Mg_3[Si_4O_{10}](OH)_2$, ist das weichste Mineral; seine Schichten werden durch Van-der-Waals-Wechselwirkungen nur schwach zusammengehalten.

Abbildung 44: Schematische Struktur von Talk Mg$_3$[Si$_4$O$_{10}$](OH)$_2$. Bei den benachbarten Schichten sind die Tetraederspitzen abwechselnd nach oben und nach unten gerichtet. Schicht 1 und 2 werden durch Mg$^{2+}$-Ionen fest verbunden. Jedes Mg$^{2+}$-Ion ist oktaedrisch von Sauerstoff koordiniert. Je zwei gehören den Schichten an, die restlichen zwei zu Hydroxyionen. Zwischen Schicht 2 und 3 existieren nur schwache van der Waals-Kräfte.

In Glimmern sind Gerüst-Si-Atome teilweise durch Aluminium ersetzt (Aluminosilicate), Muskovit, $KAl_2[AlSi_3O_{10}]$.

Abbildung 45: Schematische Struktur von Muskovit KAl$_2$[Si$_3$AlO$_{10}$](OH$_2$).
Die Struktur des Glimmers Muskovit zeigt Verwandschaft zur Struktur des Talks. Ein Viertel der Si-Atome sind durch Al-Atome ersetzt. Die drei Mg$^{2+}$-Ionen sind durch zwei oktaedrisch koordinierte Al$^{3+}$-Ionen ersetzt. Der Ladungsausgleich erfolgt durch ein K$^+$-Ion, das von 12 Sauerstoffatomen kooerdiniert ist. Schicht 1 und 2 sind fest durch Al$^{3+}$-Ionen verbunden. Der Zusammenhalt zwischen Schicht 2 und 3 durch K$^+$-Ionen ist schwächer, aber verglichen mit Talk angewachsen.
In Margarit und anderen Sprödglimmern sind statt der K$^+$-Ionen Ca$^{2+}$-Ionen vorhanden, die Härte wächst und die Spaltbarkeit wird schlechter.

Die Feldspate Albit, Orthoklas ( $K[AlSi_3O_{8}]$) und Anorthit ( $Ca[Al_2Si_2O_{8}]$) sind an bis zu 60% der Gesteine der Erdrinde beteiligt.

Abbildung 46: Tetraedrische und oktaedrische Schichten in Glimmer und Ton.
a) eine ideale kaolinitähnliche Schicht,
b) ideale talk- oder glimmerähnliche Schicht.