Silicate
Silicate sind Salze der Kieselsäure. Sie bilden den Hauptbestandteil der Erdkruste. Formal kann man das Siliciumdioxid als Anhydrid der Kieselsäure betrachten, aber es reagiert infolge der stabilen Polymerstruktur nicht mit Wasser. Siliciumdioxid reagiert jedoch mit heißer konzentrierter Natronlauge oder noch schneller mit geschmolzenem Natriumhydroxid unter Bildung von Natriumorthosilicat.
SiO2 + 4 NaOH → SiO4 4- + 4 Na+ + 2 H2O
Beim Ansäuern bildet sich dann die Orthokieselsäure Si(OH)4. Sie ist jedoch nicht sehr stabil und kondensiert leicht unter Wasserabspaltung zur Dikieselsäure und weiter zu Polykieselsäuren.
(HO)3–Si–OH + HO–Si–(OH)3 → (HO)3–Si–O–Si–(OH)3 + H2O
Orthokieselsäure Dikieselsäure
Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten des Kondensationsverlaufs. Bei eindimensionaler Kondensation werden Ketten oder Ringe gebildet. Bei zweidimensionaler Vernetzung der Kieselsäure entstehen Schichtstrukturen unterschiedlicher Größe. Entsprechend vielfältig sind die Strukturen der entsprechenden Salze, der Silicate. Je nach Verknüpfung der Monosilicattetraeder können Silicate kettenförmig, flächig (Blattsilicate oder Schichtsilicate) oder räumlich Gerüstsilicate) aufgebaut sein (Bild 2). Mit der Vielfalt der Strukturen ändern sich die Eigenschaften, sodass Silicate viele technische Anwendungen haben. Tonmineralien, die für keramische Erzeugnisse eingesetzt werden, sind Schichtsilikate. Da sich zwischen den Schichten Wasser einlagern kann, quillt Ton beim Anfeuchten und schwindet beim Brennen.
Da sowohl die Art und Mengenverhältnisse der enthaltenen Metall-Kationen sehr unterschiedlich sein kann wie auch die Struktur der Kieselsäurereste, gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Silicate.
Die drei häufigsten Minerale der Erdkruste sind mit 40 % das Plagioklas mit Raumnetzstruktur, mit 22 % der Kalifeldspat mit Schichtstruktur und mit 18 % der Quarz mit Raumnetzstruktur.
Silicate als Baustoffe
Wegen ihrer häufigen Vorkommen und interessanten Eigenschaften werden Silicate seit langer Zeit als Werkstoffe eingesetzt. Die Verwendung beruht vor allem auf den besonderen Eigenschaften der Silicate. Der mengenmäßig größte Sektor ist dabei die Anwendung als Baustoffe mit riesigem Umfang (Sand, Beton, Formsteine wie Ziegel, Gläser). Daneben ist der Bereich der Füllstoffe von großer Bedeutung.
Ton
entsteht bei der Verwitterung von Schichtsilicaten. Er wird seit Jahrtausenden für die Herstellung von Gebrauchsgefäßen eingesetzt, da er leicht Wasser aufnimmt, gut formbar und nach dem Brennen sehr hart ist.
Zement ist eine hochbasiche Verbindung aus Kalkstein und aluminium- und eisenhaltigen Silicaten. Zement ist inzwischen der wichtigste Baustoff. Er enthält das basische Oxid CaO sowie die sauren Oxide im Verhältnis von etwa 70:30 (basisches Oxid:saures Oxid).
Technisch entsteht Zement beim Brennen (>1400°C) von Ton unter Zusatz von Aluminium und Eisen(III)oxid in Gegenwart von Kalkstein. Das Produkt besteht dann überwiegend aus Tricalciumsilicaten , Dicalciumsilicaten und anderen Phasen Das Produkt härtet an Luft, aber auch unter Wasser aus. Die Verfestigung beruht vor allem auf der Bildung von wasserhaltigen Monocalciumsilicaten. Diese gelartigen Minerale weisen faserige fein verästelte semikristalline Strukturen auf, die wie Leim wirken und so die Zuschlagsstoffe verkitten, was zu einem steinharten Produkt führt. Zusätzlich wandelt sich das bei der Härtung freigesetzte Calciumhydroxid unter Kohlenstoffdioxidaufnahme in Calciuncarbonat um, dessen Kristalle zusätzlich in das Silicatgerüst eingebaut werden.
Einteilung der Silicate nach ihrer Struktur
Zement wird mit Kies und Wasser zu Beton vermischt. Eine der wichtigste Anwendungen ist der Stahlbeton, ein Verbundwerkstoff aus einem Zement-Kiesgemisch als Trägermatrix und Stahl als Verstärkung.
Leichtbausteine aus Gasbeton erzeugt man durch Mischen von Beton mit Aluminiumpulver. Der alkalische Beton reagiert dabei mit Aluminium unter Wasserstoffbildung, das als Treibmittel wirkt. Große Bedeutung haben auch Leichtbausteine aus nichtsilicatischen Baustoffen wie Gips.
Ziegel
werden vorwiegend aus Ton, Feldspat, Sand und Wasser hergestellt. Nach dem Mischen der Komponenten mit Wasser werden die Massen in Formen eingebracht und bei 1 000 °C-1 500 °C gebrannt. Die Endprodukte gelangen als Mauerstein, Dachziegel oder Fliesen auf den Markt.
'High-Tech'-Anwendungen von Silicaten
In den letzten Jahrzehnten gewinnen 'Hightech'-Anwendungen als Spezialkeramiken, Katalysatoren (Schichtsilicate und Zeolithe) oder Waschmittelzusatzstoffe immer mehr an Bedeutung.
So dienen Silicate als Rohstoff für die Produktion von Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid und vielen weiteren Spezialkeramiken, die aus oxidischen Mineralien gebrannt werden. Diese werden als Hochleistungswerkstoffe im Anlagenbau, in der Raumfahrt und in der Medizin eingesetzt.
Katalysatoren
Schicht- und Gerüstsilicate sind prinzipiell quellfähig, da sie im Allgemeinen porös sind. Die poröse Struktur ermöglicht auch den Einsatz von Silicaten als Katalysator. Substrate können an der Oberfläche der Porenstruktur absorbiert werden und auf diese Weise für chemische Reaktionen aktiviert werden. Durch gezielte Dotierung der Silicate mit anderen Metallen können die sauren Oberflächeneigenschaften gezielt beeinflusst und so maßgeschneiderte Katalysatoren hergestellt werden.
Zeolithe
Zeolithe sind natürliche oder synthetische Gerüstsilicate. Wesentlich ist, dass ein Teil der Siliciumatome durch Aluminiumatome ausgetauscht ist. Da auch das dreiwertige Aluminium tetraedrisch von vier Sauerstoffatomen umgeben ist, kommt es zwangsläufig zur Ausbildung von elektrisch negativ geladenen Stellen im Gitter. Durch den Einbau von Kationen werden diese negativen Ladungen dann kompensiert, wobei man durch die Wahl des Kations die Eigenschaften gezielt modifizieren kann.
Typisch sind die zahlreichen Hohlräume im Zeolithgitter. Sie sind hochporös und von zahlreichen submikroskopischen Kanälen durchzogen.
Daher hat ein Zeolith im Vergleich zu seiner Masse eine riesige innere Oberfläche. 8 g eines Zeoliths können die innere Oberfläche von der Größe eines Fußballfeldes aufweisen! Solche Zeolithe sind als Molekularsiebe, Ionenaustauscher oder Katalysatoren besonders effektiv.
Molekularsiebe
Die Porenöffnung des Zeolithen ist ausschlaggebend für die Größe des Moleküls, das gerade noch eindringen und adsorbiert werden kann. Anwendung findet dies in der Technik zur Trennung von Isomerengemischen z. B. bei Alkanen.
Das wasserunlösliche synthetische Natriumaluminiumsilicat Zeolith A (Bild 4) ist der bedeutendste Phosphatersatzstoff für die Waschmittelproduktion. Er dient als Gerüststoff und Wasserenhärter in einer Vielzahl von Waschmitteln.
Die Zeolithpartikel weisen viele nahezu würfelförmige Hohlräume auf, in denen sich an negativ geladenen Stellen Natriumionen befinden, die sehr leicht gegen die die Wasserhärte verursachenden Calcium- und Magnesium-Ionen ausgetauscht werden können. Durch diesen Ionenaustausch wird das Waschwasser enthärtet und die Waschmaschine dauerhaft vor Kalkschäden geschützt. Das Zeolith selbst ist kaum toxisch und chemisch inert und wird in mechanisch -biologische Kläranlagen zu über 90 % eliminiert
Die früher eingesetzten Polyphosphate wirken demgegenüber als Komplexbildner für die Calciumionen. Ihr Ersatz ist erwünscht, da die wasserlöslichen Phosphatkomplexe in der Kläranlage nur in eine dritten separaten chemische Klärstufe aus dem Abwasser entfernt werden können. Sie dürfen nicht unkontrolliert in die Umwelt gelangen, da sie zur Eutrophierung von Gewässern beitragen.
Struktur von Zeolith A
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