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Silikate : Eine Welt aus lauter Vierecken

Bild: F.A.Z.

Silikate sind der Stoff aus dem die Steine sind. Die Chemie eines nur vermeintlich trivialen Materials ist komplex.

          Was der Kohlenstoff für die Biosphäre, das ist für die Welt der Gesteine das Silizium. In der Erdkruste ist es nach dem Sauerstoff das zweithäufigste Element. Trotzdem wäre diese spröde graue Substanz ohne ihre erstaunliche Karriere in der Halbleiterindustrie wohl nur Fachleuten ein Begriff.

          Ulf von Rauchhaupt

          Verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Denn reines Silizium kommt in der Natur nirgends vor. Und anders als beim Kohlenstoff in den Organismen sind es nicht Moleküle aus untereinander verketteten Atomen ein und desselben Elements, die das Reich der Minerale und der daraus aufgebauten Gesteine bevölkern. Dazu sind die chemische Bindungen zwischen Siliziumatomen nicht stabil genug. Wesentlich belastbarer sind solche zwischen Silizium und Sauerstoff. Und da ein Siliziumatom vier freie Bindungsplätze hat, kann es bis zu vier Sauerstoffatome um sich scharen. Deren Verbindungslinien bilden dann ein sogenanntes Tetraeder, ein Viereck mit vier gleichseitigen Dreiecken als Grenzflächen (siehe Graphik). Dieses ist SiO4, der Grundbaustein der Silikate und damit von 80 Prozent aller Materialien der Erdkruste.

          Kein neutrales Molekül

          SiO4 ist für sich allerdings kein neutrales Molekül, sondern ein sogenanntes Ion. Schuld ist der Sauerstoff, der ja zwei Bindungsplätze hat (man denke an H2O), von denen in SiO4 nur jeweils einer am Silizium hängt. Der zweite muß sich mit einem Elektron aus der Umgebung behelfen, wodurch sich die vier Sauerstoffatome des Tetraeders negativ aufladen. Zur Wahrung der elektrischen Neutralität bedarf ein Silikatkristall positiver Ionen. Fast immer sind das Metalle, zumeist Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Aluminium oder Eisen.

          Minerale, die nur aus einzelnen Silikat-Tetraedern plus Metallionen bestehen, nennt man Inselsilikate. Ein prominentes Beispiel ist Olivin, aus dem der überwiegende Teil des Erdmantels besteht und dessen grüne Kristalle man in jungem Vulkangestein finden kann. Am Olivin läßt sich eine Besonderheit der Mineralogie illustrieren: Die Metallionen im Olivin sind entweder Eisen oder Magnesium, in der Regel aber eine Mischung. Es gibt also nicht "das" Olivin, wie es das Wasser oder die Schwefelsäure gibt, sondern ein ganzes Kontinuum von Olivinen, von denen reines Magnesiumsilikat und reines Eisensilikat nur rare Extremfälle darstellen. Die strotzende Vielfalt der Silikate hat ihren Grund auch in dieser Neigung zu hochgradig gemischten Kristallgittern. Die Unübersichtlichkeit wird dadurch nicht geringer, daß die meisten dieser Minerale lange bekannt und benannt waren, bevor man ihre chemische Struktur aufklären konnte. Das Ergebnis ist ein Wust von Mineralnamen, für die kein umfassendes System mnemotechnische Schützenhilfe gibt.

          Gros der Krustenminerale kristalltauglich

          Doch die Welt der Silikate ist noch bunter, schließlich gibt es nicht nur Inselsilikate. Diese lassen sich als Salze einer Säure auffassen, der sogenannten Monokieselsäure, die allerdings nur in hoher Verdünnung stabil ist. Ihre Silikat-Tetraeder neigen nämlich dazu, sich unter Abspaltung von Wassermolekülen zu verketten und zu vernetzen. Das Ergebnis sind diverse Polykieselsäuren. Analog dazu gibt es auch vernetzte Silikate, darunter solche mit regelmäßigem, kristalltauglichem Aufbau. Und diese sind es, die das Gros der Krustenminerale stellen.

          Nach den räumlichen Strukturen, zu denen sich die Tetraeder zusammenlagern, unterscheidet man hier verschiedene Typen: Vergleichsweise selten sind sogenannte Ringsilikate, zu denen die Schmucksteine Beryll oder Turmalin gehören. Häufiger findet man Minerale, in denen sich die Silikat-Tetraeder zu langen Ketten oder Bändern verbunden haben. Diese Silikate haben oft eine faserige Konsistenz, wie etwa der berüchtigte Asbest aus der Gruppe der Amphibole.

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