Silicate und siliciumorganische Verbindungen

Silicate, einschlieBlich Siliciumdioxid, sind zu etwa 90% am Aufbau unserer Erdkruste beteiligt. Sie werden im Bausektor entweder direkt als Natursteine verwendet oder sie bil­den die Rohstoffbasis fur technische Silicate wie Zement, Glas, Keramik und Hochofen – schlacke. Siliciumorganische Verbindungen sind wichtige Hydrophobierungsmittel im Bautenschutz.

9.2.1 Siliciumdioxid

Siliciumdioxid tritt in zahlreichen kristallinen wie auch amorphen Modifikationen auf. Die wichtigste kristalline Modifikation ist – neben Tridymit und Cristobalit – der Quarz. Amor – phe Formen des Siliciumdioxids sind Kieselgur, Trass und der Opal. Kristalliner reiner Quarz (Bergkristall) ist sehr hart, wasserklar und schmilzt bei einer Temperatur von 1713°C. Die Farbigkeit naturlich vorkommender Quarzkristalle ist meist auf Spuren von Ubergangsmetallionen zuriickzufuhren, die in das Quarzgitter eingebaut sind, z. B. Rosen – quarz (rosa, Ті), Amethyst (violett, Fe), Rauchquarz (braun, Al) und Citrin (gelbbraun, Fe). Gut ausgebildete Kristalle werden als Schmucksteine verwendet.

Anders als Kohlenstoff bildet Silicium nur in seltenen Fallen Doppelbindungen aus. Des – halb existiert Siliciumdioxid nicht wie C02 als isoliertes MolekUl, sondem bildet ein drei – dimensionales Kristallgitter aus. Jedes Si-Atom ist tetraedrisch von vier O-Atomen um- geben (sp3-Hybridisierung, Abb. 3.5b) und jedes Sauerstoffatom besitzt zwei Si-Atome als Nachbam. Demnach sind die Si04-Tetraeder tlber gemeinsame Ecken verknlipft. Die hin und wieder anzutreffende Formel (Si02)n fur Siliciumdioxid tragt dieser besonderen Bin – dungssituation in einem raumlichen Netzwerk Rechnung. Ordnet man jedes Briickensauer – stoffatom zur Halfte den beiden an ihm gebundenen Siliciumatomen zu, so kommen auf ein Si-Atom 4/2 O-Atome. Damit erhalt auch die weithin gebrauchliche Formel Si02 ihre Be – rechtigung.

Die polaren Einfachbindungen zwischen Si und О sind durch Jt-Bindungsanteile verstarkt. Die Folge ist eine relativ groBe Harte und hohe thermische Stabilitat des Si02. Die stabilen

Bindungen sind auch der Grund fur die chemische Inertheit von Siliciumdioxid. Si02 wird von Sauren kaum angegriffen (Ausn.: Flusssaure HF). Selbst heiBen, wassrigen Laugen gegeniiber verhalt sich Siliciumdioxid relativ inert. Schmilzt man es jedoch mit Alkali – hydroxiden oder – carbonaten, entstehen Alkalimetallsilicate (Кар. 9.2.3.1, Gl. 9-4 bis 9-7).

Die verbriickten Si04-Tetraeder des Si02-Gitters konnen sich in Abhangigkeit von der Temperatur umordnen. Es entstehen verschiedene polymorphe Modifikationen, die bei bestimmten Temperaturen ineinander ubergehen. Bei Normaldruck ist Quarz bis 870°C die stabile Modifikation. Bis 573°C liegt er in der Niedertemperaturform (a-Quarz), darnber in der Hochtemperaturform ((3-Quarz) vor. Die Umwandlung von der a – in die (З-Form ist mit einer Volumenausdehnung verkniipft, was u. a. zu Problemen bei der Verwendung Si02- haltiger Gesteinskomungen bei feuerfesten Baustoffen fuhrt. Bei 870°C geht der P-Quarz in Tridymit und bei 1470°C geht Tridymit in Cristobalit tiber. Bei 1713°C schmilzt Cristo – balit. Wegen der auBerordentlich geringen Umwandlungsgeschwindigkeiten kommen auch die Hochtemperaturmodifikationen Tridymit und Cristobalit in der Natur vor. Mit zuneh – mender Temperatur nimmt die Dichte der Kristallmodifikationen des Si02 ab: a-Quarz 2,66 g/cm3, P-Quarz (Hochquarz) 2,60 g/cm3, Tridymit 2,30 g/cm3 und Cristobalit 2,21 g/cm3. Eine Si02-Schmelze erstarrt bei rascher Abkiihlung zu einer glasartig, amorphen Masse, dem Quarz- oder Kieselglas (Кар. 9.2.3.2.1).

Die durch Gesteinsverwitterung entstandenen Quarzkiese (> 97% Si02) und Quarzsande (> 98% Si02) besitzen vor allem Bedeutung als industrielle Rohstoffe. Quarzsand wird fur die Herstellung von Glas, Wasserglas, elementarem Silicium, Siliciumcarbid (Werkstoff groBer Harte, extrem hoher Warmeleitfahigkeit und geringer Warmeausdehnung) sowie als Formgrundstoff in GieBereien verwendet. Quarzmehl (gemahlener Quarzsand) wird vor allem in der Glas-, Email – und keramischen Industrie eingesetzt.

Sande und Kiese, die einen hohen Prozentsatz an Siliciumdioxid enthalten, werden

in groBen Mengen zur Herstellung von Beton und Mortel benotigt.