Siliziumdioxid

Siliciumdioxid (oft auch Siliziumdioxid) ist ein Oxid des Siliciums mit der Summenformel SiO₂.

Im deutschen Sprachraum wird, vorwiegend in der Kautschuk-Industrie, für Siliciumdioxid statt der korrekten Bezeichnung pyrogenes Siliciumdioxid oder gefälltes Siliciumdioxid die Bezeichnung Kieselsäure benutzt oder in letzter Zeit auch das aus dem Englischen übernommene Silica. Der Großteil der weltweiten Sandvorkommen besteht aus Siliciumdioxid (Quarz), denn dieses ist in der oberen kontinentalen Erdkruste nicht nur häufig, sondern aufgrund seiner Härte und seiner chemischen Widerständigkeit auch besonders verwitterungsbeständig. Siliciumdioxid ist der Hauptbestandteil aller Quarz-Gläser.

Mineralogie und Vorkommen

Amorphes SIO₂

Nichtkristallines (amorphes) SiO₂ kommt in der Natur als wesentlicher Bestandteil in folgenden Substanzen vor, die in ihrer Zusammensetzung sehr inhomogen und uneinheitlich sind

• biogen: Skelette von Radiolarien, Diatomeen und Schwämmen aus Opal, diagenetisch zu Gestein verfestigt, zum Beispiel zu Kieselschiefer
• Geyserit: amorphe Sinterprodukte heißer Quellen
• Tachylit: vulkanisches Glas basaltischer Zusammensetzung, das neben SiO₂ größere Gehalte an FeO, MgO, CaO und Al₂O₃ enthält
• Obsidian: vulkanisches Glas granitischer Zusammensetzung
• Tektit: Gesteinsgläser, entstanden durch Schmelzen von Gestein infolge von Meteoriteneinschlägen
• Lechatelierit: reines natürliches SiO₂-Glas, wie es z. B. in Tektiten vorkommt oder bei Blitzeinschlägen in Quarzsande entsteht (Fulgurit)
• Opal
• SiO₂-Schmelze: bei Temperaturen oberhalb von 1.727 °C (bei 1 bar)

Kristallines SIO₂

Im Gegensatz zum amorphen SiO₂ haben die kristallinen Formen nur eine sehr geringe Toleranz gegenüber Verunreinigungen. Sie unterscheiden sich nur in ihrer Struktur.

• Mogánit (Chalcedon)
• α-Quarz (Tiefquarz): Bildungsbedingungen: Temperatur T < 573 °C, Druck p < 20 kbar
• β-Quarz (Hochquarz): 573 °C < T < 867 °C, p < 30 kbar
• Tridymit: 867 °C < T <1470 °C, p < 5 kbar
• Cristobalit: 1470 °C < T < 1727 °C
• Coesit: 20 kbar < p < 75 kbar
• Stishovit: 75 kbar < p < ? kbar

Siliciumdioxid bildet als Teil von Silicaten wie z. B. Feldspat, Tonmineralen oder in freier Form als Quarz den Hauptbestandteil der Erdkruste und somit auch die häufigste Siliciumverbindung.

Kieselsäureanhydrid

In der Natur kommen Stützgerüste aus Kieselsäureanhydrid in pflanzlichen und tierischen Lebewesen vor, etwa bei den im Meer weit verbreiteten Kieselalgen (Diatomeen) und Strahlentierchen (Radiolarien) und Glasschwämmen (Hexactinellida) sowie beim Schachtelhalm. Die Kieselsäureanhydrid-Skelette abgestorbener Kieselalgen und Strahlentierchen sinken auf den Meeresgrund, reichern sich dort an und bilden Ablagerungen aus Kieselgur (Diatomeenerde) bzw. Radiolarienschlamm. Ablagerungen aus dem Miozän enthalten 70–90% SiO₂, 3–12% Wasser und Spuren von Metalloxiden.

Chemische Eigenschaften

Die Löslichkeit von Siliciumdioxid in Wasser ist stark von der Modifikation beziehungsweise dem Ordnungsgrad des Siliciumdioxids abhängig. Bei dem kristallinen, hochgeordneten Quarz liegt die Löslichkeit je nach Quelle bei 25 °C bei etwa 2,9 oder 6–11 mg SiO₂ pro Liter Wasser. Dabei ist allerdings zu bedenken, dass sich das Lösungsgleichgewicht kinetisch unter Umständen nur sehr langsam einstellt. Die ungeordneten amorphen Kieselsäuren sind bei der gleichen Temperatur mit ca. 120 mg/l Wasser deutlich besser löslich. Mit zunehmender Temperatur steigt die Löslichkeit an. Für Quarz liegt sie bei 100 °C dann bei ca. 60 mg/l Wasser. Bei amorpher Kieselsäure werden bei 75 °C bereits 330 ppm Siliciumdioxid in Wasser gelöst. Mit zunehmendem pH-Wert steigt die Löslichkeit ebenfalls an. Die Löslichkeit von Chalcedon liegt bei 22–34 mg/l, die von Cristobalit bei 6 mg/l, die von Tridymit bei 4,5 mg/l, die von Stishovit bei 11 mg/l und die von amorphem Quarzglas bei 39 mg/l bzw. 120 mg/l.

Säuren vermögen SiO₂ praktisch nicht aufzulösen, ausgenommen Flusssäure (HF), von der es unter Bildung von gasförmigem Siliciumtetrafluorid (SiF₄) angegriffen wird. Alkalischmelzen und – in schwächerem Ausmaß – auch wässrige Alkalilaugen lösen besonders amorphes Siliciumdioxid.

Einige natürliche Wässer enthalten neben Kieselsäure kolloidales Siliciumdioxid (SiO₂), das bei normalen Temperaturen im Wasser nicht zu Kieselsäure hydratisiert. Dieses kolloidale SiO₂ – hierzu gehören auch diverse kieselsäurehaltige Verbindungen – reagiert mit Ammoniumheptamolybdat nicht zu der gelbgefärbten Heteropolysäure.