Silikat

Als Silikate oder Silicate gelten grundsätzlich die Salze der Ortho-Kieselsäure. Kieselsäuren sind die Sauerstoffsäuren von Silicium, Ortho-Kieselsäure ist dabei die am einfachsten gebaute Säure (Monokieselsäure). Viele in der Natur vorkommenden Kieselsäuren, etwa die Panzer der Kieselalgen, haben die chemische Summenformel SiO2 (Siliciumdioxid) und sind damit aus einer Reaktion von Monokieselsäure (Ortho-Kieselsäure) entstanden.

Ein sehr bekanntes Silikat ist etwa Feldspat. Generell spielen Silicate in der Mineralogie eine sehr wichtige Rolle, viele wichtige gesteinsbildende Minerale sind chemisch ein Silicat. Silikate machen mengenmäßig ungefähr 90 % der Erdkruste und einen noch höheren Anteil des Erdmantels aus. Neben Feldspat, der mehr als die Hälfte der gesamten Silikate in Erdkruste darstellt, finden sich auch andere wichtige Silikate sehr häufig:

Glimmer
Amphibole
Pyroxene
Tonminerale
Olivin
Granat
Tonminerale

Auch Quarz (klar erkennbar durch die chemische Formel SiO2) ist eigentlich ein Silikat, wegen seiner Summenformel kann er aber theoretisch zu den Oxiden gezählt werden. Die geologischen Wissenschaften handhaben das je nach Land jeweils unterschiedlich.

Chemisch gesehen werden auch die Kieselsäure-Ester und die kondensierten Kieselsäure-Salze noch als Silicat gezählt.

Chemische Struktur von Silikat

Bestimmend für die Struktur bei jedem Silikat sind Tetraeder aus SiO4. Diese Tetraederschichten bilden das Grundgerüst der Verbindung, die einzelnen Tetraeder können dabei aber auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden sein.

Bleiben einzelne Stellen der Tetraeder unverknüpft, befinden sich an dieser Stelle zum Ausgleich Metall-Kationen, manchmal auch Hydroxid-Ionen (OH-). Einzelne Tetraeder in Silicat-Strukturen können daneben auch zur Gänze durch Fluor ersetzt werden, die Einlagerung von Wasser in eine komplexe Gitterstruktur ist ebenfalls möglich, ebenso wie die Einlagerungen von Fluor- und Hydroxidionen in die bestehenden Hohlräume in Bandsilikaten.

Einteilung von Silicat

Der Grundbaustein bei jedem Silikat ist, wie schon erwähnt, der SiO4-Tetraeder. In dieser Tetraeder-Struktur ist damit jedes Silicium-Atom von vier Sauerstoffatomen umgeben. Diese Sauerstoffatome ermöglichen auch die Bindung verschiedener Tetraeder aneinander, da ein einzelnes Sauerstoffatom ganz einfach von zwei Tetraedern gemeinsam genutzt werden kann, die dadurch dann miteinander verbunden sind.

Durch diese Art von Bindung lassen sich nicht nur Einfach- und Doppelketten (Kettensilikate) aus Silicaten aufbauen, sondern auch komplexere Gerüst- und Schichtstrukturen (Gerüstsilikate oder Schichtsilikate) und sogar Ringstrukturen (Ringsilikate), bei denen sich jeder Tetraeder zwei Sauerstoffionen mit zwei Nachbarn teilt. Isoliert liegende Tetraeder nennt man Inselsilikate oder Nesosilikate.

Nicht nur die Sauerstoffatome, sondern auch die Siliciumatome lassen sich gegebenenfalls durch andere Atome ersetzen, insbesondere durch Aluminium, das sich sehr ähnlich verhält. Ist das bei einzelnen Tetraedern (bei allen ist das nicht möglich) der Fall, nennt man die entstehenden Silikate dann “Alumosilikate”. Ein Beispiel dafür ist etwa Kaolinit.

Um sich die Zuordnung zu den einzelnen Silikatarten etwas besser vorstellen zu können, hier eine Liste mit Beispielen:

Ketten- oder Bandsilikat (Inosilicat): z. B. Pyroxene und Amphibole
Gerüstsilikat (Tectosilicat): z. B. Feldspat und alle Feldspatvertreter (Foide), aber auch Zeolithe (als wasserhaltige Minerale) und auch besondere Quarz-Arten ( ?-Quarz)
Schichtsilikat (Phyllosilicat): z. B. Glimmer, Talk (Speckstein), Muskovit, Tonminerale, Serpentin
Ringsilikat (Cyclosilicat): z. B. Turmalinminerale, Beryll
Inselsilikat (Nesosilicat): z. B. Olivin, Zirkon

In genaueren Einteilungen unterscheidet man dann auch noch die Gruppensilikate (Sorosilicate), die jeweils Zweiergruppen aus den Silicat-Tetraedern bilden. Diese Strukturen sind eher selten anzutreffen, ein Beispiel ist etwa Gehlenit.

In der Natur findet sich auch häufig amorphes Silicat, etwa bei den Schalen von Kieselalgen oder von bestimmten Einzellern (Strahlentierchen). Die Bindungen sind hier unsystematisch zwischen den Tetraedern verteilt, zusätzlich ist Wasser eingelagert. Ein Beispiel aus der Mineralogie für eine solche Struktur bietet etwa der Opal.

Vorkommen und Verwendung

Aufgrund der Häufigkeit in Erdkruste und Erdmantel findet sich Silikat auch an vielen Stellen in der Natur sehr häufig. Nicht nur als Minerale in Gestein, sondern auch in praktisch jedem Wasser findet sich Silicat (in gelöster Form). Auch viele Tiere bauen Skelette, Schalen oder auch Gerüststrukturen (wie etwa bei Schwämmen) aus Silicat auf.

Künstlich hergestellte Silikate haben heute eine hohe technische Bedeutung, sie werden in sehr vielfältiger Form eingesetzt, etwa als Gläser, die ja aus Quarzsand gewonnen werden. Daneben werden auch Borosilikatgläser und Alumosilikat-Gläser hergestellt. Auch das bekannte Wasserglas stellt ein künstlich geschaffenes Silikat dar, das aus Produktverpackungen bekannte Silicagel ist natürlich ebenfalls ein Silikat. In Form von Talk (gemahlener, reiner Speckstein) und in Form von Asbest wurden und wird Silicat ebenfalls genutzt.

Synthethisch hergestellte Zeolithe (hauptsächlich Zeolith A) spielen eine große Rolle als sogenannte Ionenaustauscher bei der Wasserenthärtung (z. B. in Waschmitteln und Spülmitteln). In der Trinwasseraufbereitung setzt man ebenfalls Silicate ein.

Viele Silicatminerale (Quarz-Varietäten, Feldspate wie Labdradorit oder Sodalith, Beryll-Varietäten wie Smaragde und Aquamarine, daneben auch Granate, Olivine, Topase und Zirkone) werden auch als Schmucksteine gehandelt und haben dort eine relativ große Bedeutung.

Sind Silicate im Trinkwasser gefährlich?

Aufgrund des häufigen Vorkommens von Silikat in der Natur finden sie sich in praktisch jedem Wasser – auch im Trinkwasser. Der Gehalt kann 30 mg/l und mehr betragen. Für den Menschen ist das völlig unbedenklich, für sehr viele Wasserorganismen in natürlichen Gewässern auch.

Lediglich beim Aquarium haben hohe Mengen Silicat ein gewisses Problempotenzial: ab einer Menge von mehr als 0,2 mg/l wachsen nicht nur Kieselalgen immer stärker, sondern auch Cyanobakterien (Blaualgen), die als schleimiger Film dann alles überziehen und Pflanzen im Aquarium schnell abtöten können. Entzieht man dem Aquariumwasser die Silikate, ist es vorbei mit dem Wachstum. Dafür gibt es spezielle Filter, Umkehrosmose-Anlagen kann man natürlich auch zum Entfernen der Silikate einsetzen.

Fazit

Lebendes (organisches) Material ist aus Kohlenstoff aufgebaut, Gesteinsmaterial aus ebenfalls gerüst- und strukturbildenden Silikaten. Theoretisch könnte es auch umgekehrt sein, beide Stoffe hätten das Potenzial dazu. Die Entscheidung für Kohlenstoff war nur eine Laune der Natur. Silikaten begegnet man in der Natur auf Schritt und Tritt – buchstäblich, weil man ja über die Erdkruste läuft, die zu mehr als 90 % aus Silikaten wie Feldspat, Quarz, Glimmer und zahlreichen anderen Mineralen besteht, die auf Kieselsäure-Salzen beruhen. Auch in jedem Wasser finden sich immer gelöste Silikate, was für den Menschen unbedenklich ist (sogar nützlich, weil sie Rohrleitungen vor Korrosion schützen), beim Aquarium aber gelegentlich Probleme machen kann.