Silikate

Silikate sind die mit Abstand wichtigste Mineralklasse der Erde. Sie machen über 90 Prozent der Masse der Erdkruste aus, und der Erdmantel besteht praktisch vollständig aus Silikatgestein. Geordnet werden sie nicht nach ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern danach, wie ihr Grundbaustein untereinander verknüpft ist.

Der Grundbaustein: das SiO₄-Tetraeder

Jedes Silikat baut auf derselben Einheit auf: einem Silicium-Ion, das von vier Sauerstoff-Ionen umgeben ist. Diese fünf Atome bilden geometrisch ein Tetraeder, also eine dreiseitige Pyramide, mit dem Silicium in der Mitte und je einem Sauerstoff an den vier Ecken. Formal geschrieben: [SiO₄]⁴⁻.

Die gesamte Systematik der Silikate beruht auf einer einzigen Frage: Wie viele der vier Sauerstoff-Ecken teilt ein Tetraeder mit seinen Nachbarn? Je mehr Ecken geteilt werden, desto höher der Polymerisationsgrad und desto niedriger das Verhältnis von Silicium zu Sauerstoff im Anion. Aus dieser einen Größe folgt fast alles, was ein Silikat ausmacht: seine Spaltbarkeit, seine Härte und die Frage, wie schnell es verwittert.

Die sieben Gruppen

Die Systematik lässt sich in einer Grafik vollständig zeigen. Jedes Dreieck ist ein Tetraeder von oben gesehen, die Punkte markieren geteilte Sauerstoff-Ecken. Von links nach rechts steigt die Zahl der geteilten Ecken, und genau das ist die Ordnung der gesamten Mineralklasse.

Mit Ausnahme der Quarzgruppe sind Gerüstsilikate durchweg Alumosilikate: Ein Teil der Si⁴⁺-Ionen ist durch Al³⁺ ersetzt. Weil Aluminium eine Ladung weniger mitbringt, muss die Bilanz durch zusätzliche Kationen wie K⁺, Na⁺ oder Ca²⁺ ausgeglichen werden. Das ist der Grund, warum Feldspäte immer Kalium, Natrium oder Calcium enthalten.

Der Sonderfall Quarz

Quarz gilt in populären Darstellungen durchweg als Musterbeispiel eines Gerüstsilikats. Das ist nicht ganz richtig, und der Punkt ist mehr als eine Formalie.

Strukturell ist Quarz selbstverständlich ein dreidimensionales Gerüst aus SiO₄-Tetraedern, die alle vier Ecken teilen. In diesem Sinn verhält er sich wie ein Tektosilikat und wird in petrologischen Zusammenhängen auch so behandelt. Die Einordnung bei den Oxiden ist eine Frage der chemischen Systematik, nicht der Kristallstruktur.

Für die Steckbriefe auf dieser Seite bedeutet das: Bei Quarz und seinen Varietäten (Bergkristall, Amethyst, Rosenquarz, Rauchquarz, Citrin, Achat, Jaspis, Chalcedon) steht im Feld Mineralklasse „Oxide (Strunz 4.DA)“, mit Hinweis auf die abweichende Dana-Einordnung.

Was aus dem Bauprinzip folgt

Der Polymerisationsgrad ist keine bloße Ordnungshilfe. Er bestimmt, wo im Kristallgitter die Bindungen schwach sind, und daraus folgen die Eigenschaften, an denen man Minerale erkennt.

Spaltbarkeit

Wo durchgehende Schwächezonen fehlen, gibt es keine Spaltbarkeit. Olivin als Inselsilikat hat isolierte Tetraeder ohne bevorzugte Bruchrichtung und zeigt deshalb muscheligen Bruch statt glatter Spaltflächen. Quarz verhält sich aus dem umgekehrten Grund genauso: Sein Gerüst ist in alle Raumrichtungen gleich fest, also gibt es keine bevorzugte Ebene.

Bei den Inosilikaten zeigt sich das Bauprinzip dagegen unmittelbar. Zwischen den Ketten liegen schwächere Bindungen, und die Ketten selbst bleiben intakt. Der Winkel, in dem sich zwei Spaltflächen schneiden, verrät die Struktur:

Das ist eines der brauchbarsten Bestimmungsmerkmale überhaupt, weil es sich mit bloßem Auge am Handstück prüfen lässt. Mehr dazu unter Spaltbarkeit und Bruch.

Die stärkste Spaltbarkeit haben die Schichtsilikate. Zwischen den Tetraedernetzen wirken nur schwache Bindungen, weshalb sich Muskovit und Biotit in hauchdünne, biegsame Blättchen zerlegen lassen. Mineralogisch heißt das „äußerst vollkommen“.

Härte

Hier gibt es keinen linearen Zusammenhang mit dem Polymerisationsgrad, sondern einen mit der Bindungsstärke insgesamt. Inselsilikate wie Granat oder Zirkon erreichen wegen ihrer dichten Ionenpackung und der starken Bindungen zwischen Kation und Sauerstoff oft höhere Härten als chemisch verwandte Silikate anderer Gruppen. Am unteren Ende stehen strukturbedingt die Schichtsilikate: Talk ist mit Mohshärte 1 das weichste Referenzmineral der Mohs-Skala, weil die Schichten nur lose aneinander gebunden sind.

Verwitterung

Am klarsten zeigt sich der Zusammenhang bei der Verwitterung. Olivin hat den niedrigsten Polymerisationsgrad und ist unter atmosphärischen Bedingungen chemisch am instabilsten. Peridotite überziehen sich deshalb schon nach kurzer Zeit mit einer ockerfarbenen Verwitterungsschicht. Quarz ist am anderen Ende praktisch unangreifbar, weil alle Sauerstoffatome fest im Gerüst gebunden sind. Genau deshalb reichert er sich in Sedimenten an: Feldspäte und Glimmer zerfallen unterwegs zu Tonmineralen, Quarz bleibt übrig. Wer Sand betrachtet, sieht das Ergebnis dieser Auslese.

Diese Abfolge ist als Goldich-Verwitterungsreihe bekannt. Sie verläuft ungefähr spiegelbildlich zur Bowenschen Reaktionsreihe: Was zuletzt aus der Schmelze kristallisiert, hält an der Oberfläche am längsten durch.

Einordnung nach Strunz

In der aktuell gültigen 9. Auflage der Nickel-Strunz-Systematik bilden die Silikate zusammen mit den chemisch verwandten Germanaten die Mineralklasse 9:

• 9.A – Inselsilikate (Nesosilikate)
• 9.B – Gruppensilikate (Sorosilikate)
• 9.C – Ringsilikate (Cyclosilikate)
• 9.D – Ketten- und Bandsilikate (Inosilikate)
• 9.E – Schichtsilikate (Phyllosilikate)
• 9.F – Gerüstsilikate ohne zeolithisches Wasser
• 9.G – Gerüstsilikate mit zeolithischem Wasser (Zeolith-Familie)
• 9.H – unklassifizierte Silikate
• 9.J – Germanate

Die Einteilung nach Polymerisationsgrad ist zwischen der 8. und der 9. Auflage unverändert geblieben. Neu ist vor allem, dass die Gerüstsilikate in zwei Unterklassen aufgeteilt wurden, um die Zeolithe mit ihrem eingelagerten Wasser sauber abzubilden, und dass mit 9.H eine Kategorie für strukturell noch unklare Phasen hinzukam. Insgesamt umfasst die 9. Auflage zehn statt neun Mineralklassen, weil die organischen Verbindungen als Klasse 10 aufgenommen wurden.

Mengenanteile in Kruste und Mantel

Auf Elementbasis besteht die Erdkruste zu 46 Gewichtsprozent aus Sauerstoff, zu 28 Prozent aus Silicium, zu 8 Prozent aus Aluminium, zu 6 Prozent aus Eisen, zu 4 Prozent aus Magnesium und zu 2,4 Prozent aus Calcium. Die beiden häufigsten Elemente sind also genau die, aus denen der Silikat-Grundbaustein besteht.

Bowensche Reaktionsreihe

Norman L. Bowen beschrieb in den 1920er Jahren, in welcher Reihenfolge sich Silikatminerale aus einer abkühlenden Schmelze bilden. Auf dem diskontinuierlichen Ast folgen aufeinander Olivin, Pyroxen, Amphibol und Biotit, parallel dazu verläuft die kontinuierliche Reihe der Plagioklase von calciumreich zu natriumreich. Am kühlen Ende stehen Kalifeldspat, Muskovit und Quarz.

Der Zusammenhang zur Systematik ist auffällig: Die Reihe folgt weitgehend dem steigenden Polymerisationsgrad, von den isolierten Tetraedern des Olivins über Ketten und Schichten bis zum vollständig vernetzten Gerüst des Quarzes.

Technische Bedeutung

Silikate sind die Grundlage mehrerer Grundstoffindustrien.

Glaswolle hält Temperaturen bis etwa 700 °C stand, Steinwolle bis rund 1.000 °C. Beide sind nicht brennbar, was sie im Brandschutz gegenüber organischen Dämmstoffen auszeichnet.

Wirtschaftlich am schnellsten wächst das Segment der Geopolymere. Sie ersetzen den Klinker im klassischen Portlandzement durch alumosilikatische Reaktionsprodukte und senken damit den CO₂-Ausstoß. Das ist relevant, weil auf die konventionelle Zementherstellung rund 7 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen entfallen.

Weiter im Nachschlagewerk

Die Silikat-Systematik ordnet einen großen Teil der gesteinsbildenden Minerale. Wo diese Minerale entstehen und wie sie sich wieder umwandeln, steht unter Gesteinskreislauf und Subduktion. Wie man ein Silikat im Gelände auseinanderhält, steht unter Minerale bestimmen.