Die überwiegende Mehrheit der Mineralien, aus denen die Gesteine der Erdkruste bestehen, sind Silikatmineralien. Dazu gehören Mineralien wie Quarz, Feldspat, Glimmer, Amphibol, Pyroxen, Olivin und eine Vielzahl von Tonmineralen. Der Baustein all dieser Minerale ist das Silikat-Tetraeder, eine Kombination aus vier Sauerstoffatomen und einem Siliziumatom. Diese sind so angeordnet, dass durch die Sauerstoffatome gezogene Ebenen ein Tetraeder bilden (Abbildung 2.6). Da das Silizium-Ion eine Ladung von +4 und jedes der vier Sauerstoff-Ionen eine Ladung von -2 hat, hat das Siliziumdioxid-Tetraeder eine Nettoladung von -4.
In Silikatmineralen sind diese Tetraeder auf vielfältige Weise angeordnet und miteinander verbunden, von einzelnen Einheiten bis hin zu komplexen Gerüsten (Abbildung 2.9). Die einfachste Silikatstruktur, die des Minerals Olivin, besteht aus isolierten Tetraedern, die an Eisen- und/oder Magnesium-Ionen gebunden sind. In Olivin wird die -4-Ladung jedes Silikat-Tetraeders durch zwei zweiwertige (d.h. +2) Eisen- oder Magnesiumkationen ausgeglichen. Olivin kann entweder Mg2SiO4 oder Fe2SiO4 oder eine Kombination der beiden (Mg,Fe)2SiO4 sein. Die zweiwertigen Kationen von Magnesium und Eisen liegen im Radius recht nahe beieinander (0,73 versus 0,62 Angström). Aufgrund dieser Größenähnlichkeit und weil sie beide zweiwertige Kationen sind (beide haben eine Ladung von +2), können sich Eisen und Magnesium in Olivin und in vielen anderen Mineralien leicht gegenseitig ersetzen.
| Tetraederkonfiguration | Beispiel Mineralien | |
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Olivin, Granat, Zirkon, Kyanit | |
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Paare (Sorosilikate) | Epidot, Zoisit |
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Ringe (Zyklosilikate) | Turmalin |
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Einketten (Inosilikate) | Pyroxene, Wollastonit |
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Doppelketten (Inosilikate) | Amphibole |
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Blätter (Schichtsilikate) | Micas, Tonminerale, Serpentin, Chlorit |
| 3-dimensionales Gefüge | Gerüst (Tektosilikate) | Feldspäte, Quarz, Zeolith |
Abbildung 2.9 Konfigurationen von Silikatmineralen. Die Dreiecke stellen Silikat-Tetraeder dar.
Übungen
Übung 2.3 Bilden Sie ein Tetraeder
Schneiden Sie um die Außenseite der Form herum (durchgezogene Linien und gestrichelte Linien) und falten Sie dann entlang der durchgezogenen Linien, um ein Tetraeder zu bilden.
Wenn Sie Kleber oder Klebeband haben, befestigen Sie die Laschen am Tetraeder, um es zusammenzuhalten. Wenn Sie keinen Kleber oder Klebeband haben, machen Sie einen Schnitt entlang der dünnen grauen Linie und stecken Sie die spitze Lasche in den Schlitz.
Wenn Sie dies im Klassenzimmer machen, versuchen Sie, Ihr Tetraeder mit anderen zu Paaren, Ringen, einfachen und doppelten Ketten, Blättern und sogar dreidimensionalen Gerüsten zu verbinden.
Im Olivin sind die Kieselsäuretetraeder im Gegensatz zu den meisten anderen Silikatmineralen nicht aneinander gebunden. Sie sind jedoch an das Eisen und/oder Magnesium gebunden, wie in Abbildung 2.10 dargestellt.
Abbildung 2.10 Eine Darstellung der Struktur von Olivin von oben gesehen. Die Formel für diesen speziellen Olivin, der drei Fe-Ionen für jedes Mg-Ion hat, könnte geschrieben werden: Mg0,5Fe1,5SiO4.
Wie bereits erwähnt, sind die +2-Ionen von Eisen und Magnesium ähnlich groß (wenn auch nicht ganz gleich). Dies ermöglicht es ihnen, sich in einigen Silikatmineralen gegenseitig zu ersetzen. Tatsächlich haben die üblichen Ionen in Silikatmineralen eine große Bandbreite an Größen, wie in Abbildung 2.11 gezeigt. Alle dargestellten Ionen sind Kationen, mit Ausnahme von Sauerstoff. Beachten Sie, dass Eisen sowohl als +2-Ion (wenn es bei der Ionisierung zwei Elektronen verliert) als auch als +3-Ion (wenn es drei verliert) vorliegen kann. Fe2+ wird als eisenhaltiges Eisen bezeichnet. Fe3+ wird als Eisen(III)-Eisen bezeichnet. Die Ionenradien sind entscheidend für die Zusammensetzung von Silikatmineralen, daher werden wir uns wieder auf dieses Diagramm beziehen.
Abbildung 2.11 Die Ionenradien (effektive Größen) in Angström von einigen der häufigen Ionen in Silikatmineralen
Die Struktur des einkettigen Silikats Pyroxen ist in den Abbildungen 2.12 und 2.13 dargestellt. In Pyroxen sind die Silikat-Tetraeder in einer einzigen Kette miteinander verbunden, wobei ein Sauerstoff-Ion von jedem Tetraeder mit dem benachbarten Tetraeder geteilt wird, daher gibt es weniger Sauerstoff-Ionen in der Struktur. Das Ergebnis ist, dass das Sauerstoff-zu-Silizium-Verhältnis niedriger ist als bei Olivin (3:1 statt 4:1) und die Nettoladung pro Siliziumatom geringer ist (-2 statt -4), da weniger Kationen zum Ausgleich dieser Ladung erforderlich sind. Die Zusammensetzungen von Pyroxen sind vom Typ MgSiO3, FeSiO3 und CaSiO3 oder einer Kombination davon. Pyroxen kann auch als (Mg,Fe,Ca)SiO3 geschrieben werden, wobei die Elemente in den Klammern in jedem Verhältnis vorhanden sein können. Mit anderen Worten: Pyroxen hat ein Kation für jeden Siliziumtetraeder (z.B. MgSiO3), während Olivin zwei hat (z.B. Mg2SiO4). Da jedes Silizium-Ion +4 und jedes Sauerstoff-Ion -2 ist, ergeben die drei Sauerstoff-Ionen (-6) und das eine Silizium-Ion (+4) eine Nettoladung von -2 für die einzelne Kette von Siliziumdioxid-Tetraedern. In Pyroxen gleicht das eine zweiwertige Kation (2+) pro Tetraeder diese -2-Ladung aus. In Olivin braucht es zwei zweiwertige Kationen, um die -4 Ladung eines isolierten Tetraeders auszugleichen.
Die Struktur von Pyroxen ist „permissiver“ als die von Olivin – das bedeutet, dass Kationen mit einem größeren Bereich von Ionenradien hineinpassen. Deshalb können Pyroxene Eisen- (Radius 0,63 Å) oder Magnesium- (Radius 0,72 Å) oder Calciumkationen (Radius 1,00 Å) enthalten.
Abbildung 2.12 Darstellung der Struktur von Pyroxen. Die Tetraederketten setzen sich nach links und rechts fort und sind jeweils mit einer Reihe von zweiwertigen Kationen durchsetzt. Wenn es sich dabei um Mg-Ionen handelt, lautet die Formel MgSiO3.
Abbildung 2.13 Ein einzelner Kieselerdentetraeder (links) mit vier Sauerstoffionen pro Siliziumion (SiO4). Teil einer einzelnen Kette von Tetraedern (rechts), bei der die Sauerstoffatome an den benachbarten Ecken von zwei Tetraedern geteilt werden (Pfeile). Bei einer sehr langen Kette ergibt sich ein Verhältnis von Silicium zu Sauerstoff von 1 zu 3 (SiO3).
Übungen
Übung 2.4 Sauerstoffentzug
Das folgende Diagramm stellt eine einzelne Kette in einem Silikatmineral dar. Zählen Sie die Anzahl der Tetraeder gegenüber der Anzahl der Sauerstoffionen (gelbe Kugeln). Jedes Tetraeder hat ein Silizium-Ion, so dass sich daraus das Verhältnis von Si zu O in einkettigen Silikaten (z.B. Pyroxen) ergeben sollte.
Das folgende Diagramm stellt eine Doppelkette in einem Silikatmineral dar. Zählen Sie wieder die Anzahl der Tetraeder gegen die Anzahl der Sauerstoffionen. Daraus ergibt sich das Verhältnis von Si zu O in doppelkettigen Silikaten (z.B. Amphibol).
In Amphibol-Strukturen sind die Siliziumtetraeder in einer Doppelkette verbunden, die ein geringeres Verhältnis von Sauerstoff zu Silizium aufweist als das von Pyroxen, so dass noch weniger Kationen zum Ladungsausgleich notwendig sind. Amphibol ist noch permissiver als Pyroxen und seine Zusammensetzungen können sehr komplex sein. Hornblende zum Beispiel kann Natrium, Kalium, Kalzium, Magnesium, Eisen, Aluminium, Silizium, Sauerstoff, Fluor und das Hydroxyl-Ion (OH-) enthalten.
In Glimmerstrukturen sind die Siliziumdioxid-Tetraeder in kontinuierlichen Schichten angeordnet, wobei jeder Tetraeder drei Sauerstoffanionen mit benachbarten Tetraedern teilt. Zwischen benachbarten Tetraedern gibt es sogar noch mehr gemeinsame Sauerstoffanionen, so dass für Schichtsilikatmineralien weniger ladungsausgleichende Kationen benötigt werden. Die Bindung zwischen den Schalen ist relativ schwach, was die gut ausgeprägte einseitige Spaltung erklärt (Abbildung 2.14). Biotit-Glimmer kann Eisen und/oder Magnesium enthalten, was ihn zu einem ferromagnesischen Silikatmineral macht (wie Olivin, Pyroxen und Amphibol). Chlorit ist ein weiteres ähnliches Mineral, das häufig Magnesium enthält. In Muskovit-Glimmer sind die einzigen vorhandenen Kationen Aluminium und Kalium; daher ist es ein nicht-ferromagnesisches Silikatmineral.
Abbildung 2.14 Biotit-Glimmer (links) und Muskovit-Glimmer (rechts). Beide sind Schichtsilikate und spalten sich leicht in dünne Schichten entlang von Ebenen, die parallel zu den Schichten verlaufen. Biotit ist dunkel wie die anderen eisen- und/oder magnesiumhaltigen Silikate (z.B. Olivin, Pyroxen und Amphibol), während Muskovit hell gefärbt ist. (Jede Probe hat einen Durchmesser von etwa 3 cm.)
Neben Muskovit, Biotit und Chlorit gibt es noch viele andere Schichtsilikate (oder Phyllosilikate), die in der Regel als tongroße Fragmente (d.h. weniger als 0,004 mm) vorliegen. Dazu gehören die Tonminerale Kaolinit, Illit und Smektit, und obwohl sie wegen ihrer sehr geringen Größe schwer zu untersuchen sind, sind sie äußerst wichtige Bestandteile von Gesteinen und vor allem von Böden.
Alle Schichtsilikatminerale haben auch Wasser in ihrer Struktur.
Kieselsäuretetraeder sind in dreidimensionalen Gerüsten sowohl in den Feldspäten als auch im Quarz gebunden. Es handelt sich dabei um nicht-ferromagnesische Minerale – sie enthalten kein Eisen oder Magnesium. Neben den Kieselsäuretetraedern enthalten Feldspäte die Kationen Aluminium, Kalium, Natrium und Calcium in verschiedenen Kombinationen. Quarz enthält nur Kieselsäuretetraeder.
Die drei wichtigsten Feldspatminerale sind Kalifeldspat (auch K-Feldspat oder K-Spat genannt) und zwei Arten von Plagioklas-Feldspat: Albit (nur Natrium) und Anorthit (nur Calcium). Wie bei Eisen und Magnesium in Olivin gibt es auch bei Plagioklas einen kontinuierlichen Bereich von Zusammensetzungen (Mischkristallreihe) zwischen Albit und Anorthit. Dies liegt daran, dass die Calcium- und Natriumionen fast identische Größen haben (1,00 Å versus 0,99 Å). Es können beliebige Zwischenzusammensetzungen zwischen CaAl2Si3O8 und NaAlSi3O8 existieren (Abbildung 2.15). Dies ist ein wenig überraschend, da die Calcium- und Natrium-Ionen, obwohl sie sich in der Größe sehr ähnlich sind, nicht die gleiche Ladung haben (Ca2+ versus Na+). Dieses Problem wird durch entsprechende Substitution von Al3+ für Si4+ erklärt. Daher ist Albit NaAlSi3O8 (ein Al und drei Si), während Anorthit CaAl2Si2O8 (zwei Al und zwei Si) ist, und Plagioklas-Feldspäte mittlerer Zusammensetzung haben mittlere Anteile von Al und Si. Dies wird als „gekoppelte Substitution“ bezeichnet.
Die Plagioklas-Feldspäte mittlerer Zusammensetzung sind Oligoklas (10 % bis 30 % Ca), Andesin (30 % bis 50 % Ca), Labradorit (50 % bis 70 % Ca) und Bytownit (70 % bis 90 % Ca). K-Feldspat (KAlSi3O8) hat eine etwas andere Struktur als Plagioklas, was auf die größere Größe des Kalium-Ions (1,37 Å) zurückzuführen ist. Aufgrund dieser großen Größe ersetzen sich Kalium und Natrium nicht ohne weiteres gegenseitig, außer bei hohen Temperaturen. Diese Hochtemperatur-Feldspäte sind wahrscheinlich nur in vulkanischen Gesteinen zu finden, da intrusive Eruptivgesteine langsam genug auf niedrige Temperaturen abkühlen, damit sich die Feldspäte in eine der Formen mit niedrigeren Temperaturen umwandeln können.
Abbildung 2.15 Zusammensetzung der Feldspatminerale
In Quarz (SiO2) sind die Siliziumdioxid-Tetraeder in einem „perfekten“ dreidimensionalen Gerüst gebunden. Jeder Tetraeder ist mit vier anderen Tetraedern verbunden (mit einem gemeinsamen Sauerstoff an jeder Ecke jedes Tetraeders), so dass das Verhältnis von Silizium zu Sauerstoff 1:2 beträgt. Da das eine Siliziumkation eine Ladung von +4 hat und die beiden Sauerstoffanionen jeweils eine Ladung von -2 haben, ist die Ladung ausgeglichen. Aluminium oder andere Kationen wie Natrium oder Kalium werden nicht benötigt. Die Härte und die fehlende Spaltbarkeit von Quarz resultieren aus den starken kovalenten/ionischen Bindungen, die für das Kieselsäuretetraeder charakteristisch sind.
Übungen
Übung 2.5 Ferromagnesische Silikate?
Silikatminerale werden entweder als ferromagnesisch oder nicht-ferromagnesisch klassifiziert, je nachdem, ob sie Eisen (Fe) und/oder Magnesium (Mg) in ihrer Formel haben oder nicht. Im Folgenden sind eine Reihe von Mineralien und ihre Formeln aufgeführt. Geben Sie für jedes Mineral an, ob es ein Ferromagnesiumsilikat ist oder nicht.
| Mineral | Formel | Ferromagnesiumsilikat? |
| Olivin | (Mg,Fe)2SiO4 | |
| Pyrit | FeS2 | |
| Plagioklas | CaAl2Si2O8 | |
| Pyroxen | MgSiO3 | |
| Hämatit | Fe2O3 | |
| Orthoklas | KAlSi3O8 | |
| Quarz | SiO2 |
| Mineral | Formel* | Ferromagnesisches Silikat? |
| Amphibol | Fe7Si8O22(OH)2 | |
| Muskovit | K2Al4 Si6Al2O20(OH)4 | |
| Magnetit | Fe3O4 | |
| Biotit | K2Fe4Al2Si6Al4O20(OH)4 | |
| Dolomit | (Ca,Mg)CO3 | |
| Granat | Fe2Al2Si3O12 | |
| Serpentin | Mg3Si2O5(OH)4 |
*Einige der Formeln, insbesondere die komplizierteren, wurden vereinfacht.
- Ein Angström ist die gebräuchliche Einheit für die Angabe von Dimensionen im atomaren Maßstab. Ein Angström ist 10-10 m oder 0,0000000001 m. Das Symbol für ein Angström ist Å. ↵