Kieselsäuren

Autor: Hans Lohninger

Kieselsäuren bilden eine vielfältige Klasse von Verbindungen, die in der Natur in Form sehr vieler verschiedener Silikate und als Baustoff der Schalen der Kieselalgen auftreten und eine große Bedeutung haben.

Monokieselsäure (Orthokieselsäure), H₄SiO₄, existiert nur in sehr dünnen wässrigen Lösungen. Unverdünnte Orthokieselsäure gibt es nicht, da es bei höheren Konzentrationen durch intermolekulare Abspaltung von Wasser zur Bildung von Dikieselsäure, H₆Si₂O₇ und im weiteren Verlauf zur Bildung von Polykieselsäure und Kieselgel (Silicagel) kommt:

Monokieselsäure entsteht durch Auflösen von Siliziumdioxid, SiO₂, in Wasser, wobei man dazu am besten amorphes SiO₂ verwendet, da dessen Löslichkeit etwas größer ist als die von kristallinem SiO₂ (Quarz). Im Meerwasser kommt Kieselsäure (ortsabhängig) mit 10 bis 100 µmol/L vor und bildet die Basis aus der die Kieselalgen (Diatomeen) ihre aus SiO₂ aufgebauten Schalen bilden. Man schätzt, dass pro Jahr rund 6.1 Teramol Kieselsäure (das entspricht rund 590 Mill. Tonnen) durch die Flüsse in die Weltmeere getragen werden.

Diatomeen im Elektronenmikroskop. Foto: J. Stieger, Wikimedia Commons.

Kieselgur ("Diatomeenerde") ist ein Pulver das aus Diatomeenschalen besteht und sich aufgrund der großen Oberfläche ähnlich wie Kieselgel verhält. So wurde von Alfred Nobel "Gurdynamit" erzeugt in dem er Kieselgur mit Nitroglyzerin vermengte und damit die Stoßempfindlichkeit des Nitroglyzerins beseitigte.

Silikate sind ganz allgemein Salze der Kieselsäuren und kommen in der Natur in extrem großer Vielfalt vor, die einerseits durch die Fähigkeit des Si-O-Bausteins zur Bildung von Polymeren bestimmt wird, und andererseits durch die mögliche Substitution von Silizium durch Aluminium. Weiters unterscheiden sich Silikate noch durch die Art der Tetraederverknüpfung. Je nach Art der Verknüpfung der elementaren SiO₄-Tetraeder gibt es von Einzeltetraedern ("Inselsilikate"), über Ketten- und Schichtsilikaten bis zu Gerüstsilikaten alle denkbaren Formen. Dabei kommen folgende Strukturparameter zum Tragen:

• Siliziumatome sind in Silikaten stets von 4 Sauerstoffatomen umgeben, die in einem meist perfekten regelmäßigen Tetraeder angeordnet sind.
• Sauerstoffatome können gleichzeitig zu zwei verschiedenen Tetraedern gehören.
• Silizium kann in diesen Gerüsten durch Aluminium ersetzt werden, wobei die unterschiedlichen Ladungen durch Einbau zusätzlicher Kationen (z.B. Kalium) neutralisiert werden. Silizium kann allerdings nur bis maximal 50% durch Aluminium ersetzt werden, so dass es in der Natur keinen fließenden Übergang zu Aluminaten gibt.

Die folgende Liste von Silikatmineralien gibt einen Überblick über die in der Natur auftretenden Silikatstrukturen, jeweils mit ein paar Beispielen entsprechender Mineralien:

Klasse	Beispiele
Inselsilikate	Olivin, (Mg,Fe)2[SiO4] Zirkon, Zr[SiO4] Topas, Al2[(F,OH)2/SiO4]
Gruppensilikate	Thorveitit, Sc2[Si2O7]
Ringsilikate	Benitoid, BaTi[Si3O9] (Dreierringe) Beryll, Al2Be3[Si6O18] (Sechserringe)
Kettensilikate	Diopsid, CaMg[Si2O6] Tremolit, Ca2Mg5[(OH)2/Si8O22]
Schichtsilikate	Muscovit (Glimmer), K{Al2[(OH,F)2/AlSi3O10]}
Gerüstsilikate	Adular (Kalifeldspat), K[AlSi3O8] Albit (Natronfeldspat), Na[AlSi3O8] Anorthit (Kalkfeldspat), Ca[Al2Si2O8]