Silicate (standardsprachlichSilikate)^[1][2] sind dieSalze undEster derOrtho-Kieselsäure (Si(OH)₄) und derenKondensate. Die Ester werden unterKieselsäureester beschrieben, für die Kondensate sieheKieselsäuren. Alle Salze sind durch SiO₄−Tetraeder aufgebaute Verbindungen, deren Tetraeder jedoch auf verschiedene Weise miteinander verknüpft sein können. Unverknüpfte Stellen der Tetraeder tragen zum LadungsausgleichMetallkationen bei oder liegen eventuell alsHydroxidionen (OH⁻) vor. Mit Ausnahme derAlkalisilicate sind Silicate unlöslich in Wasser oder anderenLösungsmitteln, außerFlusssäure.

Natürliche Silicate (Silicatminerale) spielen eine große Rolle in derMineralogie, da sich sehr viele Minerale dieser Stoffgruppe zuordnen lassen. DieErdkruste besteht mit einemMassenanteil von über 90 % aus Silicaten und derErdmantel fast vollständig. Die häufigsten Silicate in der Erdkruste sind mit einem Volumenanteil von 50–60 % dieFeldspäte. Andere wichtige gesteinsbildende Minerale sindGlimmer,Tonminerale,Amphibole,Pyroxene,Granat undOlivin. Das häufige MineralQuarz (SiO₂) wird in deutschsprachiger Literatur zu denOxiden gezählt, im anglo-amerikanischen Schrifttum jedoch zu den Silicaten.

Allen Silicatmineralen ist ein gemeinsames Bauprinzip eigen, deshalb lassen sie sich relativ einfach in eine systematische Ordnung bringen. Die Grundbausteine aller Silicate sind SiO₄-Tetraeder. EinSiliciumatom ist dabei von vier Sauerstoffatomen umgeben. Die Sauerstoffatome berühren sich wegen ihrer Größe, in der Mitte bleibt Platz für das relativ kleine Siliciumatom (der freie Raum heißtTetraederlücke).

Eine weitere Eigenschaft der Silicate besteht in der Fähigkeit der Sauerstoffatome, gleichzeitig an verschiedenen SiO₄-Komplexen teilzuhaben. Daraus ergeben sich neben isolierten SiO₄-Tetraedern weitere, zusammengesetzte Bauelemente:

• isolierte Tetraeder
• Doppeltetraeder
• Ringstrukturen
• Einfach- und Doppelketten
• Schichtstrukturen
• Gerüststrukturen.

Aluminium kann das sich chemisch ähnlich verhaltende Silicium ersetzen und substituieren (man spricht hier von „isomorphem Ersatz“), Silicate, in denen dies passiert, nennt manAlumosilicate. Bei Einbau von Aluminium (Al³⁺ statt Si⁴⁺) in das Mineralgitter muss Ladungsausgleich durch Einbau weiterer positiv geladener Ionen (Kationen) erfolgen.

Die Silicate bilden wie bereits erwähnt eine äußerst ausgedehnte Mineralfamilie. Es treten große Unterschiede hinsichtlich chemischer Zusammensetzung,Kristallsymmetrie,Bindungsarten und Struktur der Grundbausteine auf, weshalb verschiedene Klassifikationsschemata für Silicatminerale bestehen. Die in Deutschland übliche Systematik teilt sie nach dem Grad derPolymerisation der SiO₄-Tetraeder ein.

Eine vereinfachte schematische Formel von Silicaten ist:

${\displaystyle {\mathrm{M}}_{\mathrm{n}}\left[{\left(\mathrm{S}{\mathrm{i}}_{\mathrm{x}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{y}}\right)}^{4\mathrm{x}-2\mathrm{y}}\right]}$.

An die Stelle derSauerstoff-Siliciumkomplexe könnenHydroxid- oderFluoridionen treten. Die Position von „M“ wird von einem oder mehreren Metallionen bis zum Ladungsausgleich besetzt. In das Gitter von besonders weitmaschigen Silicaten kann auchWasser eingelagert werden. Wenn in einem bestimmten Mineral tatsächlich einige der Si_xO_y-Komplexe durch Ionen wie Fluorid (F⁻) oder Hydroxid (OH⁻) ersetzt werden, so deutet man das durch senkrechte Trennstriche (oft auch Schrägstriche) im letzten Term der Formel an, zum Beispiel

${\displaystyle \mathrm{A}{\mathrm{l}}_2\left[\mathrm{S}{\mathrm{i}}_2{\mathrm{O}}_5|(\mathrm{O}\mathrm{H}{)}_4\right]}$,Kaolinit.

Eingelagertes Wasser wird folgendermaßen notiert:

${\displaystyle \mathrm{N}\mathrm{a}[\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{S}{\mathrm{i}}_2{\mathrm{O}}_6]\cdot {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}}$,Analcim.

Bei denInselsilicaten liegen isolierte SiO₄-Tetraeder vor. Vertreter:

• Olivin:${\displaystyle (\mathrm{M}\mathrm{g},\mathrm{F}\mathrm{e}{)}_2[\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_4]}$
• Zirkon:${\displaystyle \mathrm{Z}\mathrm{r}[\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_4]}$.

Je zwei SiO₄-Komplexe sind über ein Sauerstoffatom zu Doppeltetraedern verbunden, wobei dieser so genannte Brückensauerstoff jedem SiO₄-Tetraeder zur Hälfte angehört. Das Si:O-Verhältnis inGruppensilikaten ist damit 2:7. Diese Struktur kommt weniger häufig vor, ein Beispiel ist das MineralGehlenit (Ca₂Al[(Si,Al)₂O₇]).

InRingsilicaten sind die SiO₄-Tetraeder zu isolierten Dreier-, Vierer- und Sechserringen gruppiert. Jedes Siliciumion teilt sich je zwei Sauerstoffionen mit zwei benachbarten Tetraedern, dies ergibt ein Si:O-Verhältnis inRingsilicaten von 1:3. Es ergeben sich die folgenden Formeln für die Ringstrukturen:

• [Si₃O₉]⁶⁻
• [Si₄O₁₂]⁸⁻
• [Si₆O₁₈]¹²⁻.

Beryll (Al₂Be₃[Si₆O₁₈]) und die Minerale derTurmalingruppe gehören zu den Ringsilicaten.

Zu denKettensilicaten gehören zwei wichtige Gruppen vongesteinsbildenden Mineralen:Pyroxene undAmphibole. Die Pyroxene bilden eindimensionale Einfachketten, dabei gehören je zwei der Sauerstoffionen gleichzeitig zwei Tetraederkomplexen an, woraus sich ein Si:O-Verhältnis von 1:3 ergibt, wie beiDiopsid (CaMg[Si₂O₆]).

Amphibole bilden eindimensionale Bänder. Dabei sind zwei Ketten seitlich über Brückensauerstoffe verbunden. Gegenüber den Ketten hat zusätzlich jeder zweite Tetraeder jeder Kette mit seinem jeweiligen Nachbarn ein Sauerstoffion gemeinsam. Das Si:O-Verhältnis bei Bandsilicaten beträgt 4:11. In solchen silicatischen Bändern sind Hohlräume vorhanden, in die (OH)⁻- und F⁻-Ionen eintreten können. In der chemischen Summenformel wird das durch einen vertikalen Strich zum Ausdruck gebracht. Ein Mineral aus der Gruppe der Amphibole istAktinolith (Ca₂(Mg,Fe)₅[(OH)₂|Si₈O₂₂]).

Bei höherem Polymerisationsgrad bilden sich statt KettenstrukturenSchichtstrukturen aus SiO₄-Tetraedern. Innerhalb einer Schicht teilt sich dabei jedes Siliciumatom drei seiner Sauerstoffionen mit seinen Nachbarn. Das Si:O-Verhältnis derSchichtsilicate beträgt 2:5. Die Schichtsilicate werden unterteilt in Zwei- und Dreischichtsilicate. Eine weitere Unterteilung berücksichtigt die Struktur und die Ionen, die sich zwischen zwei Tetraederschichten befinden. Der Hohlraum zwischen zwei Schichten kann mit (-OH), (-O⁻Me⁺) besetzt sein und die Schichten mitDipol-Dipol-Kräften oderIonenbindungen verknüpfen.

Zu den Schichtsilicaten gehörenMineralgruppen wieGlimmer,Talk,Serpentin undTonminerale wieVermiculit, Beispiele sindMuskovit (ein Dreischichtsilicat) (KAl₂[(OH)₂|AlSi₃O₁₀]) undKaolinit (ein Zweischichtsilicat) (Al₄[(OH)₈|Si₄O₁₀]).

Synthetische Schichtsilicate, wie SKS-6 (Na₂Si₂O₅) werden inWaschmitteln verwendet.^[3] SKS-6 Schichtsilicate zeigen Eigenschaften wie Natrium-Zeolithe. Die schichtverknüpfenden, hydratisierten Natriumionen sind inSuspensionen selektiv austauschbar, beispielsweise gegen Calciumionen, und eignen sich somit zurWasserenthärtung alsIonentauscher und zeigen gute Eigenschaften alsWaschalkalie.

Bei Gerüstsilicaten gehört jedes Sauerstoffion gleichzeitig zwei benachbarten Tetraedern an (jeder Tetraeder ist über seine Ecken mit Nachbartetraedern verknüpft). Dadurch entstehen dreidimensionale Netzwerkstrukturen. Es ergibt sich die chemische Summenformel SiO₂. Stellvertretend fürSiliciumdioxid-Verbindungen sei der hier dargestellteQuarz in derModifikation β-Quarz genannt. Für weitere Gerüstsilicate muss Silicium durch Aluminium ersetzt werden. Der Ladungsausgleich erfolgt durch Einlagerung vonKationen. Zu den Gerüstsilicaten gehören dieFeldspäte undFeldspatvertreter, eine wegen ihrer Häufigkeit außerordentlich wichtige Gruppe von Mineralen. Beispiele sind Minerale aus der Mischreihe derPlagioklase (Albit – Anorthit): (NaAlSi₃O₈ – CaAl₂Si₂O₈).

In das weitmaschige Gitternetz einigerFeldspatvertreter können sogar großeMoleküle wieH₂O eingebaut werden. Bei hoher Temperatur entweicht das Wasser, wird jedoch bei niedriger Temperatur in mit Wasserdampf gesättigter Umgebung wieder insKristallgitter eingebaut. Diese wasserhaltigen Minerale gehören zurGruppe der Zeolithe (z. B.Natrolith (Na₂[Al₂Si₃O₁₀]·nH₂O)).

Opal ist amorphes Siliciumdioxid mit eingelagertem Wasser (SiO₂ · n H₂O). Er wird wie Quarz von einigen Autoren zu denOxidmineralen gestellt.Die hochstrukturierten Schalen vonKieselalgen (Diatomee) und vonStrahlentierchen (Radiolaria) sind aus amorphem Siliciumdioxid (SiO₂) aufgebaut.

Diese Einteilung beruht hauptsächlich auf der chemischen Zusammensetzung des Silicats und seiner Kristallmorphologie.

• Viele Silicate werden industriell gefertigt. Hier sind an prominentester Stelle dieGläser undGlaskeramiken zu nennen, aber auchZirkonsilikate als Farbpigmente. Diese werden in der Regel ausQuarzsand (SiO₂) undMetalloxiden in einemGlasschmelzofen hergestellt.

• In Wasser lösliche Gläser, sogenannteWassergläser, werden aus Quarzsand und Metallcarbonaten (mit Soda Na₂CO₃) in einem Glasschmelzofen hergestellt. Sie werden alsKlebstoff, Füllstoff in derPapierindustrie, zum Abdichten von feuchtemMauerwerk, Zusatz in diffusionsoffenenPutzmischungen verwendet. Aus Wasserglas werden großtechnisch durch Reaktion mit SäurenGele (Silicagel),Kieselsäure, Silicate undZeolithe hergestellt.

• Talk ist vielseitig verwendbar. Er wird in der Farben- und Glasindustrie und als Schmiermittel verwendet. Als gemahlener Grundstoff (dannTalcum genannt) ist er in vielen Kosmetika enthalten.

• Asbest (Chrysotil) wurde auf Grund seiner Feuerfestigkeit und seiner Eignung als Isolier- und Dämmmaterial besonders im Baugewerbe verwendet, ist aber wegen gesundheitsschädigender Nebenwirkungen in der EU seit 2005 verboten. Zur Herstellung feuerfester und korrosionsbeständiger Werkstoffe sind auch die Minerale Zirkon,Muscovit,Andalusit,Sillimanit undDisthen geeignet.

• Kaolinit ist ein wichtiger Rohstoff für die Keramikindustrie zur Herstellung feuerfester Tiegel und von Mauer- und Dachziegeln.

• Zeolithe, insbesondere das synthetischeZeolith A, werden alsIonentauscher (so genannte Molekularsiebe) verwendet und dienen als Phosphat-Ersatz zurEnthärtung von Wasser, besonders inWaschmitteln. Um eineEutrophierung von Zierteichen zu verhindern, werden Nährstoffe (Ammoniumverbindungen) mit Zeolithen entzogen und besonders das Algenwachstum gehemmt. Neben diesenAlumosilicaten wurden synthetische Schichtsilicate (s. o.) mit ähnlichen Eigenschaften gefunden.

• Nanosilicate eignen sich wegen ihrer großen Oberfläche undAdsorptionsfähigkeit als Träger fürKatalysatormaterialien oder medizinische Wirkstoffe. Sie können beispielsweise perStöber-Synthese^[4] oder großtechnisch alspyrogenes Siliciumdioxid (Aerosil) hergestellt werden.

• In der Trinkwasseraufbereitung werden Silicate als Korrosionsinhibitor weit verbreitet eingesetzt. Als wirksame Inhibitoren sind Phosphat-Silicat-Gemische und phosphatfreie, carbonataktivierte Silicate bekannt.

• Silicate kommen in allen Wässern in niedriger Konzentration gelöst vor.
• Manche Organismengruppen bilden kieselige Skelette, die Hauptproduktion erfolgt vermutlich durchplanktonisch lebende Organismen wieKieselalgen (Diatomeen) undStrahlentierchen (Radiolarien). MancheSchwämme bauen ebenfalls kieselige Gerüststrukturen auf.
• Alleerdähnlichen Planeten bestehen zu einem großen Teil aus Silicaten.

• Die InselsilicateGranat,Olivin,Topas undZirkon werden in reiner Qualität alsSchmucksteine verkauft.
• Die QuarzvarietätenAmethyst,Aventurin-Quarz,Chalcedon,Citrin,Moosachat sind beliebte Schmucksteine.
• Die FeldspäteAmazonit,Aventurin-Feldspat,Labradorit und der FeldspatvertreterSodalith werden als Schmucksteine verwendet.
• Die EdelsteineSmaragd undAquamarin sind eine Varietät vonBeryll.

• InSilikatglas (Bauglas)
  • InBorosilikatglas (Laborglas), auch als Material für Küchengeschirr aus Glas (Duran,Jenaer Glas,Pyrex) oder als Displayabdeckung für technische Geräte (Willow Glass)
  • InAluminosilikatglas (sieheAlumosilicate) alsGlas mit hoher Feuerbeständigkeit (nach DIN EN 1059)^[5] und als kratzbeständige Displayabdeckung für technische Geräte (Gorilla Glass)
  • InBleiglas
• In undotierten und dotierten Siliciumdoxidschichten, hier oft als Silicatglas bezeichnet, z. B.Borphosphorsilicatglas, einem mit je 3 bis 5 % Bor und Phosphor dotiertem Silicatglas, das in derHalbleitertechnik unter anderem zur Planarisierung der Oberfläche eingesetzt wird
• In derWaschmittelindustrie
• Als hochabsorbe, geruchsneutralisierende Katzenstreu
• Als Brandschutzbauplatten
• In Farben

Silicat kann mit der Wassertropfenprobe nachgewiesen werden. Die Substanz wird in einem Bleitiegel mitCalciumfluorid undSchwefelsäure versetzt. In Anwesenheit von Siliciumdioxid entsteht gasförmigesSiliciumtetrafluorid, das an einem befeuchteten, schwarzen Filterpapier über der Tiegelöffnung wieder zu weißem Siliciumdioxid kondensiert

${\displaystyle 2{\mathrm{F}}^{-}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4⟶\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}+2\mathrm{H}\mathrm{F}}$

Fluoridanionen reagieren mit Schwefelsäure zu Sulfatanionen undFluorwasserstoff.

${\displaystyle \mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_2+4\mathrm{H}\mathrm{F}\rightleftarrows \mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{F}}_4\uparrow +2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}}$

Siliciumdioxid reagiert mit Fluorwasserstoff zu Siliciumtetrafluorid und Wasser. DieHinreaktion läuft unten im Tiegel ab, die Rückreaktion oben am Deckel.

• W. L. Bragg:The structure of silicates. In:Z. Kristallogr. 74. 1930, 237–305.
• W. A. Deer, W. A. Howie und J. Zussman:Rock-Forming Minerals, Volume 1A: Orthosilicates. Longman, London, 2. Auflage, 1982.
• I. Kostov:Crystal chemistry and classification of silikate minerals. In:Geokhimiya, Mineralogiya i Petrologiya. 1. 1975, 5–41.
• F. Liebau:Die Systematik der Silicate. In:Naturwissenschaften. 49. 1962, 481–491.
• F. Liebau:Structural Chemistry of Silicates. Springer-Verlag, Berlin 1985.
• Martin Okrusch, Hartwig E. Frimmel:Mineralogie: Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde. Springer-Verlag, Berlin, 10. Auflage, 2022.
• S. Na’ray-Szabo:Ein auf der Kristallstruktur basierendes Silicatsystem. In:Z. Physik. Chem. Abt. B9. 1930, 356–377.
• H. Pichler und C. Schmitt-Riegraf:Gesteinsbildende Minerale im Dünnschliff. Enke Verlag 1987.
• P. H. Ribbe:Reviews in mineralogy Volume 5: Orthosilicates. Mineralogical Society of America, Washington, 2. Auflage, 1982
• J. V. Smith und W. L. Brown:Feldspar Minerals, Volume 1. Springer-Verlag, Berlin, 2. Auflage; 1988
• H. Strunz:Strunz mineralogical tables : chemical structural mineral classification system. 9. Auflage, Schweizerbart, Stuttgart.ISBN 978-3-510-65188-7
• W. E. Tröger:Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale, Teil 1: Bestimmungstabellen. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, 4. Auflage, 2001.
• W. E. Tröger:Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale, Teil 2: Textband. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, 1967.
• T. Zoltai:Classifikation of silicates and other minerals with tetrahedral structures. In:American mineralogist. 45. 960–973, 1960

Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Silicat – Lern- und Lehrmaterialien

Commons: Silicate – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Silikat – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Mineralienatlas:Silikat (Wiki)
• Komplette Vorlesung über Silikate vonruby.chemie.uni-freiburg.de
• Mineralogie-web.de

1. ↑Duden Silikat. Abgerufen am 6. Oktober 2021. 
2. ↑DWDS Silikat. Abgerufen am 6. Oktober 2021. 
3. ↑WeylClean® SKS-6 - The WeylChem Group. Abgerufen am 9. August 2019 (englisch). 
4. ↑ Werner Stöber, Arthur Fink, Ernst Bohn:Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range. In:Journal of Colloid and Interface Science. 26, 1968, S. 62–69,doi:10.1016/0021-9797(68)90272-5.
5. ↑Christian Schittich,Gerald Staib, Dieter Balkow, Matthias Schuler,Werner Sobek:Glasbau Atlas. Walter de Gruyter, 2006,ISBN 3-0346-1553-1,S. 62 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 

• Stoffgruppe
• Silikate und Germanate (Strunz)
• Silicat