Anorganische Materialien

Silikate

Es gibt sehr viele Silikate mit vielfältigen Strukturen und sehr unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten. Deshalb werden hier nur beispielhaft wesentliche Strukturmerkmale und ausgewählte Anwendungen besprochen.

Definition

Silikate sind Salze diverser Kieselsäuren. Silikate bilden vielfältige Mineralien und sind geologisch und technisch außerordentlich wichtig. Über 80% der Erdkruste bestehen aus Silikaten. Technisch wichtige Produkte wie Glas, Porzellan, Email, Tonwaren, Zement und Wasserglas bestehen aus Silikaten. Zeolithe und Feldspate sind Beispiele für technisch wichtige Silikat-Mineralien.

Nach dem Dispersionsgrad kann man die Silikate in grobdisperse (Mineralien und Gläser), kolloide (z.B. Tonmineralien) und molekulardisperse (z.B. in stark alkalischen Lösungen) Silikate einteilen.

Strukturen

Silikationen bestehen aus SiO₄-Tetraedern, die über gemeinsame Ecken verknüpft sind.

Obwohl die Silikate sehr unterschiedliche Strukturen haben können, liegt ihnen das folgende einfache Bauprinzip zugrunde: Jedes Siliciumatom ist stets von 4 Sauerstoffatomen umgeben, und nur die verschiedenartige Verknüpfung dieser SiO₄-Einheiten liefert die einzelnen Silikat-Klassen, bei denen man 6 Haupttypen unterscheidet. Aus den verschiedenen Verknüpfungsmöglichkeiten ergeben sich folgende Strukturtypen:

Inselsilikate (Nesosilikate)
Gruppensilikate (Sorosilikate)
Ringsilikate (Cyclosilikate)
Kettensilikate (Inosilikate)
Schichtsilikate (Blattsilikate, Phyllosilikate)
Gerüstsilikate (Tektosilikate)

Der besseren Übersichtlichkeit wegen formuliert man die Silikate häufig nicht wie die übrigen Salze, sondern man zerlegt sie formal in Oxide. So schreibt man z.B. für Beryll statt Be₃Al₂[Si₆O₁₈] oft auch 3 BeO^.Al₂O₃^.6 SiO₂.

Silikathaltige Gläser liegen im amorphen Zustand vor.

Eigenschaften und Verwendung

Bei den Silikate findet man interessante Wechselbeziehungen zwischen den Kristallstrukturen und den physikalisch-chemischen Eigenschaften. So bilden die Silikate mit Bandstruktur vielfach faserige (z.B. Hornblende-Asbest) oder stengelige (z.B. Aktinolith) Kristalle. Verbindungen mit Blattstruktur lassen sich leicht in Blättchen spalten (z.B. Glimmer), während Silikate mit Inselstrukturen schlecht spaltbar sind. Die Quellfähigkeit mancher Tonmineralien mit Blattstruktur ist auf eine Wasseraufnahme zwischen den Silicium-Sauerstoff-Schichten zurückzuführen (z. B. bei Montmorilloniten). Auch die anisotrope Kompressibilität von Schichtsilikaten liegt in dieser Struktur begründet.

Die katalytischen Eigenschaften von Silikaten werden für verschiedene Anwendungen genutzt. In Silikaten können andere Elemente, z. B. Aluminium, einige sonst vom Silicium eingenommene Gitterstellen besetzen. Zu diesen Alumosilikaten gehören z.B. die Feldspate und die Zeolithe. Letztere werden als Molekularsiebe und Ionenaustauscher verwendet. Alumosilikate und Calciumsilikate haben als Füllstoffe in der Lack-, Kautschuk-, Kunststoff- und Papier-Industrie, Mg-Silikate (Talk) als Absorber und Füllstoff in Kosmetik und Pharmazie Bedeutung erlangt, Alkali-Alumo-Silikate als Ersatz für Phosphate in Waschmitteln. Auch für das Abbinden von Portlandzement spielen Silikate eine wichtige Rolle.

Da manche Silikate an ihren Oberflächen freie OH-Gruppen besitzen, lassen sich dort reaktive Gruppen anbinden; man nutzt diese Eigenschaft zur Immobilisierung funktioneller Gruppen.

Analytik

Da sich die meisten Silikate weder unzersetzt verdampfen noch auflösen lassen, müssen sie mit röntgenographischen und mineralogischen Verfahren untersucht werden. Die chemische Analyse ist nur nach vorangegangenem Aufschluß möglich, wird heute jedoch häufig mit der Methode der Elektronenstrahl-Mikroanalyse durchgeführt. Der Aufbau der Silikate wurde durch Röntgenstrukturanalyse und hochauflösende Transmissions-Elektronenmikroskopie (Elektronenmikroskop) weitgehend aufgeklärt.

Quellen