Silikat-Strukturen

Strukturmodelle: Silikate

Goethe meint ...

"Steine sind stumme Lehrer; sie machen den Beobachter stumm, und das Beste, was man von ihnen lernen kann, ist nicht mitzuteilen."(JW v GOETHE, Wilhelm Meisters Wanderjahre)

Einspruch, Euer Ehren! Steine sind nicht stumm. Man muss nur ihre Sprache verstehen, indem man ihre Eigenschaften untersucht, ihre Entstehung erkundet und ihren Aufbau zu verstehen sucht.

Feldspat, Quarz und Glimmer ...

Mineralbegegnung im Anfangsunterricht

In der 8. Jahrgangsstufe steht gleich im Anfangsunterricht Chemie die erste Begegnung mit Gesteinen an. Der Lehrplan verlangt zur Herausbildung des Begriffs "Reinstoff", der chemisch einheitlich strukturiert ist und mit einer Formel wiedergegeben werden kann, eine Beschäftigung mit Stoffgemischen.

Gut geeignet und in vielen Schulbüchern illustriert dargestellt ist die Zerlegung von Granit, einem Gestein, dessen grobkörniges Aussehen den Begriff "heterogen" bei den Kindern einprägsam macht. Ich verwende aus der Sammlung Granitstücke, die zum Teil sägeraue oder sogar geschliffene und polierte Flächen besitzen.
Hier können die Schülerinnen und Schüler schon mit dem bloßen Auge unterschiedlich aussehende Granitkörner ausmachen und sie genauer beschreiben.
Es werden Mutmaßungen darüber angestellt, ob der Granit 3, 4 oder 7 verschiedene Bestandteile enthält.

Danach wird ein etwa walnussgroßes Granitstück im Gussmörser zerstoßen, bis nur Krümel und Feinmaterial von höchstens 1 - 2 mm übrig bleiben. In Partnerarbeit wird nun eine Krümelportion mit Lupe und Messerspitze näher untersucht - jede Gruppe bekommt eine Spatelportion vor sich auf die weiße Tischplatte.
Ziel ist es, herauszufinden, wie viel verschiedene Mineralien tatsächlich den Granit zusammensetzen. Schnell entstehen mehrere winzige Ansammlungen, der rötliche Feldspat und vor allem die Biotitkristalle sind eindeutig unterscheidbar. Bei den weißlichen, gräulichen oder farblosen Gesteinssplittern ist man sich aber nicht sicher: Ein Stoff oder mehrere?

Alle Beobachtungen und Entdeckungen werden zusammengetragen und verschriftlicht.
Ich stelle dabei die Mineralien Feldspat, Quarz und Glimmer näher vor, zeige große Mineralaggregate aus unserer Sammlung, unterscheide zwischen farblosem Muskovit- und schwarzem Biotit-Glimmer, erläutere, dass es mehrere Feldspatvarietäten gibt, die sich in ihrer Farbgebung (rötlich - blass-rosa - beige) unterscheiden. Schließlich hole ich noch das große Stück Kappenquarz herbei, dessen große Kristallspitzen glasklar sind, während er in seiner Masse milchig bis hellgrau getrübt ist.

Kugelpackungen und platonische Körper

Wie groß ist denn eine Tetraederlücke?

Strukturbetrachtungen haben im Chemieunterricht schon immer einen festen Platz. Ganze didaktische Grundkonzepte wurden und werden darauf aufgebaut. Der "strukturorientierte Chemieunterricht" z.B. setzt konsequent auf die Entwicklung einer Modellvorstellung über die kleinsten Teilchen der Stoffe und über deren elementare Bausteine.
Dabei liegt der Schwerpunkt der Betrachtungen auf sog. diskreten, einzeln betrachtbaren Teilchen wie Molekülen und Ionen. Aber auch Feststoffstrukturen werden unter die Lupe genommen, etwa bei den salzartigen Stoffen, deren Struktur man mit "Ionengittern" beschreibt. Feststoffsysteme aus Molekülen werden meist am Beispiel "Eis" diskutiert, auch um die Anomalie des Wassers über die räumlichen Verhältnisse zu interpretieren, die durch den Dipolcharakter des Wassermoleküls geprägt werden.
Andere Strukturbetrachtungen fester Stoffe haben in der Kunststoffchemie ihren Platz. Dort geht es um das Aufzeigen von Struktur-Eigenschafts-Korrelationen, wenn man etwa die thermoplastischen, duroplastischen oder gummielastischen Eigenschaften auf langkettige fadenartige Molekülstrukturen und den Grad ihrer Vernetzung zurückführt.

In diesen Unterrichtsmaterialien sollen Teilchenstrukturen eine Rolle spielen, wie sie in den Alumosilikaten, der am weitesten verbreiteten Verbindungsklassen in der Welt der Gesteine und Mineralien auftreten. Der Selbstbau von derartigen Strukturmodellen geht auf didaktisch-methodische Konzepte der Siebziger Jahre (u.a. Peter Haupt, Uni Oldenburg; Literaturempfehlung) zurück, in denen mit Hilfe unterschiedlich großer und farbiger Zellstoffkugeln und Klebstoff für viele anorganische und organische Verbindungen Teilchenmodelle konstruiert wurden.

Auch für die Übungen, die im Folgenden näher erläutert werden, wird der Einsatz dieser Zellstoffkugeln empfohlen, da sie eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderem Material aufweisen: Sie sind "optisch gut unterscheidbar, gut handhabbar, relativ robust und im Bedarfsfall schnell zu reparieren, preiswert, leicht einzufärben und schnell zu verkleben." (Haupt, S. 8) Gut geeignet sind die Kugeln mit 23 mm Durchmesser.

Bezugsquelle für Zellstoffkugeln:
Fa. Otto Richter Fest- und Scherzartikel GmbH
August-Bebel-Weg 11
09514 Lengefeld

Zum Verkleben sind vor allem 'Tapetenkantenklebstoff' in Tuben, aber auch Holzleim (z.B. PONAL Express) sowie aushärtende Modellbau-Klebstoffe (z.B. UHU-Hart) geeignet, allerdings dauert das Zusammenkleben der Kugeln dann etwas länger.
Knetmasse wird für die Betrachtung und "Vermessung" der Lücken in den dichtesten Kugelpackungen benötigt. Schülerinnen und Schüler sind immer wieder erstaunt und verschätzen sich erheblich, wie klein der kugelförmige Zwischenraum in einer Tetraeder- bzw. Oktaederlücke ist.

Von Inseln, Ketten, Bändern, Schichten und Gerüsten

David hat ein paar Olivinkristalle aus einer etwa kirschgroßen grünlichen Kristallansammlung mitten in einem Basaltstück herausgepult. Basalt kommt in unserer nordhessischen Heimat häufig vor, denn im Tertiär gab es beträchtliche vulkanische Aktivitäten, die dieses Lavagestein entstehn ließen.

Theresa und Janina kleben derweil nach einer Bastelanleitung aus Zellstoffkugeln zahlreiche Tetraeder zusammen, deren Lücken sie mit Knetmassekügelchen füllen. Das sind die Modelle für die Silikat-Ionen, die zusammen mit kleineren Kugeln (als Modelle für Magnesium- und Eisen-Ionen) auf eine Basispappe aufgeklebt und ausführlich beschriftet werden.

Andere Arbeitsgruppen stellen nach Bastelanleitung noch kompliziertere Gebilde her: Es entstehen aus lauter Tetraedern lineare Ketten und Bänder her, auch große Schichtflächen. So entstehen Modellgebilde für die wichtigsten und häufigsten Minerale unserer Erdkruste, für Quarz und Glimmer, für Olivine und Granate, für Hornblenden und Augite.
Später sollen die einzelnen Arbeitsgruppen ihre Modellposter und die jeweiligen Minerale der gesamten Klasse vorstellen.

Inselsilikate:
Zu dieser Gruppe gehören eine Reihe von dunklen Mineralen wie der grünliche Olivin oder die Granate, meist rötlich oder bräunlich, in einigen Varianten auch grünlich oder schwarz. Ihr Strukturmerkmal ist der einzelne SiO₄^4- - Tetraeder, der inselartig im Kristall mit Metallkationen verbunden ist.

Olivine:
Als verbindende Kationen zwischen den Silicat-Tetraedern treten Mg²⁺ und/ oder Fe²⁺ auf. Nur mit Fe²⁺ heißt das Mineral Fayalit (Fe₂SiO₄), nur mit Mg²⁺ heißt es Forsterit (Mg₂SiO₄). Aber es gibt auch alle Mischformen wie MgFeSiO₄.

Granate:
Jeweils drei SiO₄^4- - Tetraeder bilden eine Einheit, die 12fach negativ geladen ist. Im Kristall werden diese negativen Ladungen von je 2 dreiwertigen und 3 zweiwertigen Kationen kompensiert. Dies sind Al³⁺, Fe³⁺ Cr³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ und Mn²⁺.

Die Bastelanleitungen befinden sich als Kopiervorlagen im Download-Bereich bei Chemikus.