Silicate, Asbest und Glas
Wie sich Silicate aus verknüpften \(\ce{SiO4}\)-Tetraedern ableiten, wie man eine Silicatkette von ähnlichen Si-Polymeren unterscheidet und warum Glas eine erstarrte Schmelze ohne Ordnung ist.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Silicat ist ein Salz der Kieselsäure aus \(\ce{SiO4}\)-Tetraedern, die je nach Typ über 0 bis 4 gemeinsame O-Ecken verknüpft sind.
- Inselsilicate enthalten isolierte \(\ce{SiO4^4-}\)-Ionen, Talkum ist ein Schichtsilicat, und Ton besteht aus Silicaten.
- Wasserglas heißen die wasserlöslichen Alkalisilicate, die meisten anderen Silicate sind unlöslich.
- Ein Kettensilicat trägt am Si nur \(\ce{O^-}\)-Gruppen, Si–CH₃ zeigt ein Silicon, Si–OCH₃ einen Kieselsäureester, Si–CH₂–Si ein Polycarbosilan.
- Asbest ist der Oberbegriff für natürliche, faserige Silicatminerale.
- Glas ist eine amorphe, metastabile unterkühlte Schmelze ohne scharfen Schmelzpunkt; Gebrauchsglas entsteht aus Soda, Kalk und Quarzsand und lässt kurzwelliges UV nicht durch.
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Worum es geht
Silicate bauen den größten Teil der Erdkruste auf, vom Ton bis zum Talkum in der Rezeptur. Glas ist chemisch eng mit ihnen verwandt und begegnet dir in der Apotheke als Ampulle, Arzneiflasche und Küvette. Beides folgt aus demselben Bauprinzip: verknüpften \(\ce{SiO4}\)-Tetraedern.
Silicate
Ein Silicat ist ein Salz einer Kieselsäure. Grundbaustein ist der \(\ce{SiO4}\)-Tetraeder, den du von Siliciumdioxid und den Kieselsäuren kennst. In Silicaten sind diese Tetraeder unterschiedlich stark über gemeinsame Sauerstoffecken verknüpft.
Ein verbrückendes O-Atom gehört zwei Tetraedern. Ein endständiges gehört nur einem und trägt eine negative Ladung. Kationen zwischen den Anionen gleichen diese Ladung aus. Je mehr Ecken ein Tetraeder teilt, desto größer wird der Verband und desto weniger Ladung bleibt je Silicium übrig. Daraus ergibt sich die Einteilung:
| Typ | Gemeinsame O je Tetraeder | Anion | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Inselsilicat | 0 | \(\ce{SiO4^4-}\) | Olivin, Zirkon \(\ce{ZrSiO4}\) |
| Gruppensilicat | 1 | \(\ce{Si2O7^6-}\) | Thortveitit |
| Ring- und Kettensilicat | 2 | \([\ce{SiO3}]_n^{2n-}\) | Beryll (Ring), Pyroxene (Kette) |
| Bandsilicat | 2 und 3 | \([\ce{Si4O11}]_n^{6n-}\) | Amphibole |
| Schichtsilicat | 3 | \([\ce{Si2O5}]_n^{2n-}\) | Talkum, Glimmer, Tonminerale |
| Gerüstsilicat | 4 | \(\ce{SiO2}\), mit Al: \([\ce{AlSi3O8}]^-\) | Quarz, Feldspäte, Zeolithe |
Inselsilicate enthalten also isolierte \(\ce{SiO4^4-}\)-Ionen, die nur über Kationen zusammengehalten werden. Talkum \(\ce{Mg3(OH)2Si4O10}\) ist ein Schichtsilicat. Seine Schichten haften nur schwach aneinander und gleiten wie Spielkarten übereinander. Deshalb ist Talkum weich und eignet sich als Puder und Fließregulierungsmittel. Auch Ton besteht überwiegend aus Schichtsilicaten wie Kaolinit.
Wasserglas
Die meisten Silicate sind in Wasser praktisch unlöslich. Ihre polymeren Anionen bilden mit mehrwertigen Kationen wie \(\ce{Mg^2+}\), \(\ce{Ca^2+}\) oder \(\ce{Al^3+}\) sehr stabile Gitter. Anders verhalten sich die Alkalisilicate. Natrium- und Kaliumsilicat heißen Wasserglas, erstarren glasartig und lösen sich in Wasser. Die Lösung reagiert alkalisch, weil die Silicat-Anionen als Basen Protonen aufnehmen. Wasserglas dient etwa als Kitt und Flammschutzmittel.
Silicatketten erkennen
Ein Kettensilicat ist ein unendliches Anion \([\ce{SiO3}]_n^{2n-}\). Jedes Si-Atom hängt über zwei Sauerstoffbrücken an seinen Nachbarn. Seine beiden übrigen O-Atome verbrücken nicht und tragen je eine negative Ladung (\(\ce{Si-O^-}\)).
Drei andere Si-Polymere sehen im Strukturausschnitt ähnlich aus. Prüfe deshalb zuerst das Rückgrat und dann die Seitengruppen am Silicium:
- Rückgrat Si–CH₂–Si statt Si–O–Si: Polycarbosilan.
- Si–O–Si mit \(\ce{CH3}\)-Gruppen direkt am Si, also Si–C-Bindungen: Silicon.
- Si–O–Si mit Methoxygruppen \(\ce{OCH3}\), also Si–O–C: neutraler Kieselsäureester.
- Si–O–Si mit \(\ce{O^-}\) am Si: Silicat.
Ein Silicat-Anion enthält nur Silicium und Sauerstoff. Taucht Kohlenstoff am Silicium oder im Rückgrat auf, liegt kein Silicat mehr vor.
Asbest
Asbest ist kein einzelnes Mineral. Der Begriff fasst natürlich vorkommende, faserige Silicatminerale zusammen. Die Fasern entstehen, weil die Struktur in einer Richtung viel fester gebunden ist als quer dazu. Bekannt sind Chrysotil, ein zu Röhren eingerolltes Schichtsilicat, und Amphibolasbeste mit Doppelketten wie Krokydolith.
Der Name erinnert an Arsen, chemisch hat Asbest damit nichts zu tun. Anders als Silicone trägt er keine organischen Reste. Zu den Zeolithen zählt er ebenfalls nicht, denn diese sind Gerüstsilicate mit Hohlräumen. Und anders als Glaskeramik ist Asbest kein technisch hergestellter Werkstoff, sondern ein Naturmineral.
Früher diente Asbest als hitzebeständiger Dämmstoff. Eingeatmete Fasern bleiben aber in der Lunge und können Asbestose und Mesotheliome auslösen. Deshalb ist er heute verboten.
Glas
Kühlt eine \(\ce{SiO2}\)-Schmelze ab, finden die Tetraeder oft keine Zeit, sich zum Quarzgitter zu ordnen. Sie bleiben über Ecken verknüpft, liegen aber ungeordnet wie in der Flüssigkeit.
Glas ist ein amorpher Festkörper: eine ohne Fernordnung erstarrte, unterkühlte Schmelze. Silicatgläser bestehen aus unregelmäßig verknüpften \(\ce{SiO4}\)-Tetraedern.
Als unterkühlte Schmelze ist Glas metastabil. Der Kristall wäre energetisch günstiger, die Umordnung ist aber gehemmt. Bei langem Erhitzen kann Glas deshalb kristallisieren und trüb werden. Im ungeordneten Netz sind die Bindungen unterschiedlich gespannt und lösen sich nicht bei einer einzigen Temperatur. Glas hat daher keinen scharfen Schmelzpunkt, sondern erweicht allmählich.
Im weiteren Sinn ist jede amorph erstarrte Schmelze ein Glas. Gläser im engeren Sinn entstehen aus Schmelzen saurer Oxide wie \(\ce{SiO2}\) mit basischen Oxiden wie \(\ce{CaO}\) oder \(\ce{Na2O}\).
Netzwerkbildner und Trennstellenbildner
Beide Oxidsorten haben im Glas verschiedene Aufgaben.
Saure Oxide wie \(\ce{SiO2}\) und \(\ce{B2O3}\). Sie bauen über O-Brücken das dreidimensionale Netz auf. Im Borosilicatglas ersetzt Bor das Silicium in O–Si–O-Brücken.
Basische Oxide wie \(\ce{Na2O}\) und \(\ce{CaO}\). Ihr Oxid-Ion spaltet Si–O–Si-Brücken zu Silanolat-Anionen. Die Kationen besetzen die Lücken.
\[\ce{Si-O-Si + O^2- -> 2 Si-O^-}\]
Die Trennstellen lockern das Netz und senken die Erweichungstemperatur. Das Glas lässt sich so leichter formen. Zugleich können Alkali-Ionen herausgelöst werden, und die chemische Beständigkeit sinkt. Borosilicatglas enthält wenig Alkali und ist chemisch wie thermisch sehr beständig. Daraus bestehen Laborglas und hochwertige Ampullen.
Gewöhnliches Gebrauchsglas lässt kurzwelliges UV-Licht nicht durch. Reines Quarzglas ist dagegen UV-durchlässig. Küvetten für Messungen im UV bestehen deshalb aus Quarzglas.
Herstellung von Gebrauchsglas
Gebrauchsglas ist Kalk-Natron-Glas. Man schmilzt Soda, Kalk und Quarzsand bei rund 1500 °C zusammen. Dabei entweicht Kohlendioxid:
\[\ce{Na2CO3 + CaCO3 + 6 SiO2 -> Na2O*CaO*6SiO2 + 2 CO2 ^}\]
Soda liefert den Trennstellenbildner \(\ce{Na2O}\) und senkt die Schmelztemperatur deutlich. Reiner Quarz schmilzt erst oberhalb von 1700 °C. Kalk macht das Glas wasserbeständig, denn reines Natriumsilicat wäre Wasserglas.
Quiz
Aussage 1
Silicate sind als Salze der Kieselsäure generell gut wasserlöslich.
Die meisten Silicate sind praktisch unlöslich. Gut löslich sind nur die Alkalisilicate, das Wasserglas.
Aussage 2
Silicatglas schmilzt wie kristalliner Quarz bei einer scharf definierten Temperatur.
Als amorphe, unterkühlte Schmelze hat Glas keinen scharfen Schmelzpunkt, sondern erweicht über einen Temperaturbereich.
Aussage 3
Eine Si–O–Si-Kette mit Methoxygruppen am Silicium ist ein Kettensilicat.
Mit \(\ce{OCH3}\)-Gruppen liegt ein neutraler Kieselsäureester vor. Ein Kettensilicat trägt negativ geladene \(\ce{O^-}\)-Gruppen am Si.
Aussage 4
Gewöhnliches Gebrauchsglas wird durch Zusammenschmelzen von Soda, Kalk und Quarzsand hergestellt.
Soda, Kalk und Quarzsand ergeben bei rund 1500 °C unter \(\ce{CO2}\)-Abgabe Kalk-Natron-Glas.
Aussage 5
In Inselsilicaten liegen isolierte \(\ce{SiO4^4-}\)-Tetraeder vor, die keine Sauerstoffatome miteinander teilen.
Inselsilicate haben null gemeinsame O-Ecken je Tetraeder, der Zusammenhalt entsteht nur über Kationen.
Aussage 6
Asbest bezeichnet eine Gruppe natürlich vorkommender, faseriger Silicatminerale.
Asbest ist ein Oberbegriff, etwa für Chrysotil und Amphibolasbeste, und chemisch ein Silicat.
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