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Silikatstruktur und isomorpher Ersatz

Grundbauelemente der Silikate sind Si-O Tetraeder sowie Al-OH-Oktaeder. Bei den Si-O Tetraedern fungiert das 4-wertige Silizium als Zentralion, das von 4 Sauerstoffatomen umgeben ist, die tretraedrisch um das Si angeordnet sind. Bei den Al-OH-Oktaedern sind 6 OH-Ionen in Form eines Oktaederes um ein Al Zentralion angeordnet.

Die [SiO4]4--Tetraeder können in Silikaten isoliert vorliegen. Sie können aber auch über die Ecken der Tetraeder zu größeren Einheiten verknüpft werden, so dass ein Sauerstoffatom jeweils zwei Tetraedern angehört. Die Tetraeder werden nicht über die Kanten oder Flächen mitenander verknüpft. Die so entstandenen Einheiten werden zur systematischen Einteilung der Silikate herangezogen.

Modell der Si-Tetraeder
Modellhafte Darstellung von zwei Ansichten (von oben und von der Seite) einer dichten Sauerstoff-Kugelpackung, in dessen Lücke ein Siliziumatom plaziert ist. Der Abstand Si-O beträgt ca. 1,63 ± 0,03Å.
( Quelle: Büro für angewandte Mineralogie, Dr. Stephan Rudolph, http://www.a-m.de/deutsch/lexikon/mineral/sio4-tetraeder.htm)

Beim isomorphen Ersatz werden Kationen mit vergleichbarem Ionendurchmesser, jedoch abweichender Ladung ausgetauscht: In Si-Tetraedern wird das Zentralion ersetzt durch Al3+ oder Fe3+. In Al-Oktaedern wird das Zentralion ersetzt durch Mg3+ oder Fe2+ oder Mn2-.

Dadurch ändert sich die Nettoladung, es entsteht ein negativer Ladungsüberschuss, der ausgeglichen wird durch die Anlagerung von Kationen, z.B. K+.

Man unterscheidet die Silikate nach der struktururellen Anordnung der Si-O-Tetraeder (Insel-, Ketten-, Band-, Schicht-, Gerüststruktur) in:

  • Inselsilikate: Die hier vorliegenden isolierten [SiO4]4--Tetraeder existieren als unabhängige Einheiten und werden über weitere Kationen wie Fe2+, Mg2+ oder Zr4+ verknüpft. Beispiele für Inselsilikate sind Olivin (Fe,Mg)2[SiO4], Zirkon Zr[SiO4], aber auch die Minerale der Granatgruppe wie Almandin Fe2+3Al2[SiO4].

    Modell der Inselsilikate
    Modellhafte Darstellung der Inselsilikate
    ( Quelle: Büro für angewandte Mineralogie, Dr. Stephan Rudolph, http://www.a-m.de/deutsch/lexikon/mineral/sio4-tetraeder.htm)

  • Kettensilikate: Kettensilikate bestehen aus aneinander gereihten Si-Tetraedern mit je einem gemeinsamen O-Ion. Die Ketten sind untereinander durch 2-wertige Kationen verbunden, die den Ladungsausgleich bewirken. Die aus Einerketten bestehenden Kettensilikate werden als  Pyroxene bezeichnet. Ein Vertreter ist der  Augit (teilweise ist Al anstelle Si in den Tetraedern; Hauptvertreter der Pyroxene in basischen Magmatiten). Werden die [SiO4]4--Tetraeder zu unendlichen Ketten verbunden, erhält man Ketten mit der Formel [SiO3]2-.

    Modell der Kettensilikate
    Modellhafte Darstellung der Kettensilikate
    ( Quelle: Büro für angewandte Mineralogie, Dr. Stephan Rudolph, http://www.a-m.de/deutsch/lexikon/mineral/sio4-tetraeder.htm)

  • Bandsilikate: Bandsilikate bestehen aus Doppelketten, die durch parallele Anordnung von je 2 Tetraederketten und deren Verbindung über gemeinsame O-Ionen gebildet werden. Häufig findet ein isomorpher Ersatz des Si durch Al statt. Die aus Doppelketten aufgebauten Bandsilikate werden auch als  Amphibole bezeichnet. Ein wichtiger Vertreter ist die Fe-haltige  Hornblende, die Bestandteil von basischen Magmatiten und sehr verwitterungsempfindlich ist. Werden zwei Ketten über die Tetraederspitzen der Länge nach verbunden, so erhält man Bandsilikate mit der Formel [Si4O11]6-. In der Systematik werden die Bandsilikate meist unter den Kettensilikaten eingeordnet.

    Modell der Bandsilikate
    Modellhafte Darstellung der Bandsilikate
    ( Quelle: Büro für angewandte Mineralogie, Dr. Stephan Rudolph, http://www.a-m.de/deutsch/lexikon/mineral/sio4-tetraeder.htm)

  • Schichtsilikate: Werden die vorstehend beschriebenen [SiO3]2--Ketten zu unendlichen Schichten zusammengefügt, so erhält man Schichtsilikate mit [Si2O5]2-.

    Modell der Schichtsilikate
    Modellhafte Darstellung der Schichtsilikate
    ( Quelle: Büro für angewandte Mineralogie, Dr. Stephan Rudolph, http://www.a-m.de/deutsch/lexikon/mineral/sio4-tetraeder.htm)

  • Gerüstsilikate: Gerüst-Silikate bestehen aus dreidimensional verknüpften SiO4]4--Tetraedern, wobei jedes O-Ion gleichzeitig zwei Tetraedern angehört (so kommt man zu einem Verhältnis (Si,Al):O=1:2). Es findet ein teilweiser Ersatz von Si durch Al statt, wobei der Ladungsausgleich durch den Einbau von 1- und 2-wertigen Kationen erfolgt.

    Modell der Gerüstsilikate
    Modellhafte Darstellung der Gerüstsilikate
    ( Quelle: Büro für angewandte Mineralogie, Dr. Stephan Rudolph, http://www.a-m.de/deutsch/lexikon/mineral/sio4-tetraeder.htm)

    Vertreter sind die Feldspäte, die 50% der gesamten Lithosphäre ausmachen und mit ihrem Gehalt an Basen, Si und Al wichtige Ausgangsmaterialiender Bodenbildung darstellen, z.B.  Orthoklas (Kalifeldspat) und  Plagioklas sowie die  Feldspatvertreter.
    Feldspäte sind als wichtigste Mineralgruppe mit ca. 60% am Aufbau der Erdkruste beteiligt. Sie lassen sich relativ gut spalten (daher der Name) und sind Mischungssysteme. Je nach Gehalten an K, Na oder Ca werden sie in Orthoklase ("gerade spaltend") und Plagioklase ("schief spaltend") unterteilt. Ein Beispiel für Orthoklas ist der Kalifeldspat (KalSi3O8) als Hauptgemengeteil der sauren Magmatite. Der Plagioklas Kalk-Natron-Feldspat besteht aus Mischkristallen von Albit (NaAlSi3O8) und Anorthit (CaAl2Si2O8).

Quarz

Quarz ist eine Mineral aus Siliziumdioxid (SiO2) aus der Gruppe der Silikate mit Gerüststruktur mit allseitig verknüpften Si-Tetraedern. Alle Ladungen der Si4+-Ionen und O2--Ionen sind ausgeglichen. Quarz ist das zweithäufigste Mineral der Magmatite und Metamorphite, sowie häufigstes Mineral in Sedimenten. Aufgrund seiner hohen Verwitterungsstabilität reichert sich Quarz vor allem in Sanden an häufigstes Bodenmineral an und bildet den überwiegenden Teil des  Mikroskeletts.