Wollastonit

Vorlage:Mineral Wollastonit (selten auch Tafelspat oder Tafelspath) ist ein häufig auftretendes Mineral mit der chemischen Zusammensetzung CaSiO₃, genauer Ca₃[Si₃O₉]. Chemisch gesehen ist Wollastonit ein Calcium-Salz der Metakieselsäure und zählt daher zur Mineralklasse der Silikate. Seine Kristallstruktur besteht aus (SiO₃)^2--Ketten, die über die Calcium-Kationen untereinander verknüpft werden. Obwohl es sich bei Wollastonit um ein Einfach-Kettensilikat (Inosilikat) handelt, gehört er nicht zur Mineralgruppe der Pyroxene, die oft fälschlicherweise als Synonym für Einfach-Kettensilikate verwendet werden, sondern zu den Pyroxenoiden (Pyroxenähnliche), da die (SiO₃)^2--Ketten in seiner Kristallstruktur einem anderen Verknüpfungsmuster folgen. Wollastonit ist farblos und kristallisiert im triklinen Kristallsystem. Er entsteht durch Kontaktmetamorphose aus Kalkstein und ist ein gesteinsbildender Bestandteil des metamorphen Gesteins Skarn.

Modifikationen

Wollastonit existiert in mehreren Modifikationen mit der gleichen chemischen Formel, aber unterschiedlichen Kristallstrukturen, von denen in der Natur nur zwei auftreten. Da alle Modifikationen chemisch identisch sind, werden sie auch als Polymorphe bezeichnet.

Der Name Wollastonit ohne Zusatz beschreibt in der Regel die weitaus häufigste Form, den triklin kristallisierenden Wollastonit-1T (1 steht hierbei für „die erste Form", T für triklin), der gelegentlich auch als Wollastonit-1A oder α-CaSiO₃ bezeichnet wird. In englischer Literatur findet sich zudem die Bezeichnung Wollastonite-Tc (Tc = Triclinic). Diese trikline, natürlich auftretende Modifikation ist als einzige von der International Mineralogical Association (IMA) als Mineral anerkannt.

Die zweite natürliche Form ist der monokline Wollastonit-2M (2 = „die zweite Form", M = monoklin), der deutlich seltener als der trikline Wollastonit-1T auftritt. Synonyme für Wollastonit-2M sind Parawollastonit und, eigentlich inkonsequenter Weise, ebenfalls α-CaSiO₃. Die Bezeichnung α-CaSiO₃ wird für Wollastonit-1T und Wollastonit-2M verwendet, da beide als Tieftemperatur-Modifikationen angesehen werden. Wollastonit-2M tritt gewöhnlich jedoch nicht zusammen mit Wollastonit-1T auf, sondern ist in metamorphen Gesteinen enthalten, die bei sehr niedrigem Druck während der Metamorphose entstanden sind.

Die Hochtemperaturmodifikation wird als Pseudowollastonit (manchmal auch Wollastonit-4A) oder β-CaSiO₃ bezeichnet und ist nur bei Temperaturen oberhalb 1120 °C stabil. Pseudowollastonit kristallisiert ebenfalls monoklin, besitzt aber aufgrund des sehr nahe bei 90° liegenden β-Winkels seiner Elementarzelle eine pseudo-orthorhombische Struktur. Während Wollastonit-1T und Wollastonit-2M zu den Einfach-Kettensilikaten (Inosilikate) gehören, bilden die Silikate in Pseudowollastonit ringförmige Strukturen. Pseudowollastonit zählt damit zur Gruppe der Ringsilikate (Cyclosilikate), die Anordnung der SiO₄-Tetraeder ist eher mit der Struktur von Benitoit (BaTi[Si₃O₉]) vergleichbar.

Weitere Modifikationen wurden in Hochdruckexperimenten aus Wollastonit-1T gewonnen, sie kristallisieren alle triklin, wobei sich wiederum Änderungen in den Kristallstrukturen ergeben. Zu den Hochdruckmodifikationen zählen Wollastonit-3T, Wollastonit-4T, Wollastonit-5T und Wollastonit-7T.

Geschichte

William Hyde Wollaston

Der Name Wollastonit geht auf J. Léman zurück, der den Namen erstmals 1818 im Nouveau dictionnaire d’histoire naturelle appliquée aux arts à l’agriculture bei der Beschreibung von Gesteinen, genauer eines Skarn aus Dognecea im rumänischen Teil des Banat erwähnt. Die Erstbeschreibung des Minerals erfolgte jedoch bereits 1793 durch den österreichischen Mineralogen A. Stütz in Neue Einrichtung der k.-k. Naturalien-Sammlung zu Wien, der das Mineral Tafelspath nannte. Stütz hatte hierfür Handstücke (handgroße Gesteinsproben) aus dem Banat zur Verfügung, ob diese jedoch ebenfalls aus Dogeneca stammten ist nicht gesichert. Dogenecea gilt trotzdem heute als Typlokalität des Tafelspath beziehungsweise Wollastonit. Die Umbenennung des Tafelspath in Wollastonit durch Léman war als Anerkennung für die wissenschaftlichen Verdienste des berühmten englischen Naturforschers William Hyde Wollaston (1766-1828) gedacht.
Seit der Gründung der International Mineralogical Association (IMA) 1958, ist Wollastonit der international anerkannte Mineralname für das natürlich auftretende CaSiO₃.

Bildung und Fundorte

Wollastonit tritt häufig in Metamorphiten auf, die aus karbonathaltigem Gestein entstanden sind, und ist ein gesteinsbildender Bestandteil des Skarn. Er entsteht typischerweise bei der Kontaktmetamorphose durch den Kontakt von Kalkstein mit kieselsäurehaltigem Magma. Bei Temperaturen von mehr als 600 °C kommt es zur so genannten Wollastonitreaktion:

Kalzit + Quarz ${\overrightarrow {\longleftarrow }}$ Wollastonit + Kohlenstoffdioxid

$\mathrm {CaCO_{3}+SiO_{2}\;{\overrightarrow {\longleftarrow }}\;CaSiO_{3}+CO_{2}\uparrow }$

Da bei der Reaktion CO₂ als Gas entweicht, verschiebt sich das Gleichgewicht dem Prinzip von Le Chatelier folgend auf die Seite der Produkte, das heißt die Reaktion läuft vollständig ab und ist in der Natur praktisch nicht reversibel. Die Wollastonitreaktion ist daher ein klassisches Beispiel für die Metasomatose. Bei einer normalen Metamorphose ändert sich für gewöhnlich zwar das Gefüge und meistens auch der Mineralinhalt des Gesteins, die durch die Metamorphose entstandenen Minerale besitzen jedoch weitgehend die gleiche chemische Zusammensetzung wie die ursprünglich vorhandenen Minerale. Bei der Metasomatose, wie hier im Fall der Wollastonitreaktion, ändert sich auch der Chemismus des Gesteins.

Wollastonit kann Spuren bis hin zu größeren Mengen von Eisen und Mangan in Form von zweiwertigen Kationen auf den Plätzen der Ca²⁺-Kationen im Kristallgitter besitzen. Hohe Eisen- und Mangananteile machen sich vor allem bei der Betrachtung des Minerals in Gesteinsdünnschliffen am Polarisationsmikroskop durch höhere Brechungsindices bemerkbar. Seltener befinden sich auch Magnesium- (Mg²⁺), Aluminium- (Al³⁺) oder Natrium- (Na⁺) und Kalium-Kationen (K⁺) auf den Calcium-Positionen. Bei Eisengehalten von mehr als 10% (Ca_0,9Fe_0,1SiO₃) beziehungsweise Mangangehalten von mehr als 25% (Ca_0,75Mn_0,25SiO₃) kristallisiert Wollastonit in der Struktur von Bustamit ((Mn,Ca,Fe)[SiO₃]). Zu den strukturell verwandten Mineralen von Wollastonit zählen neben Bustamit auch Pektolith (NaCa₂[Si₃O₈(OH)]) und Serandit (Na(Mg,Ca)₂[Si₃O₈(OH)]).

Begleitende Minerale (Paragenesen) von Wollastonit sind typischerweise Diopsid, Granat (vor allem Grossular und Andradit), Tremolit, Vesuvian (Idokras), Mikroklin und Kalzit.

Datei:Wollastonit, Słowacja, Zukowa.jpg

Wollastonit mit vermutlich Diopsid (grün) aus der Slowakei

Wollastonit tritt weltweit an zahlreichen Fundorten auf und wird auch zur industriellen Verwendung abgebaut. Dazu zählen:

• China (Hauptproduzent auf dem Weltmarkt)
• Sachsen (Deutschland)
• Banat (Rumänien)
• Vesuv und Monte Somma (Italien)
• Chiapas (Mexiko)
• Willsboro (New York, USA)
• Franklin (New Jersey, USA)

Die Wollastonite aus Franklin (New Jersey) zeichnen sich häufig durch eine blaue bis weiße Fluoreszenz unter Einwirkung von UV-Licht aus. Diese wird, wie auch die Fluoreszenz im Mineral Fluorit, durch sehr geringe Mengen von Europium-Kationen (Eu²⁺) auf den Calcium-Positionen im Kristallgitter verursacht.

Kristallstruktur von Wollastonit-1T

Blick auf die Elementarzelle von Wollastonit entlang der b-Achse

In der Natur tritt Wollastonit normalerweise als Wollastonit-1T auf. Wollastonit-1T kristallisiert im triklinen Kristallsystem in der Kristallklasse ${\bar {1}}$ beziehungsweise der Raumgruppe $P{\bar {1}}$ mit sechs Formeleinheiten in der Elementarzelle. Das einzige Symmetrieelement in der Kristallstruktur ist ein Inversionszentrum, das die Atome durch Punktspiegelung vervielfältigt. Die Inversionszentren befinden sich in den Ecken, auf den Flächenmittelpunkten sowie im Zentrum der Elementarzelle. Die Kristallstruktur enthält drei kristallographisch unterscheidbare Calcium- und Siliziumatome sowie neun unterschiedliche Sauerstoffatome. Kristallographisch unterscheidbar bedeutet, dass diese Atome nicht durch die vorhandenen Symmetrieelemente (in diesem Fall das Inversionszentrum) in einander überführbar sind. Durch das Inversionszentrum werden die drei Calcium- und Siliziumatome sowie die neun Sauerstoffatome verdoppelt, so dass sich insgesamt die oben beschriebenen sechs Formeleinheiten (6 x CaSiO₃ = "Ca₆Si₆O₁₈") in der Elementarzelle befinden.

Die kristallographischen Daten von Wollastonit-1T sind im Vergleich mit den beiden anderen Modifikationen in der Tabelle angegeben.

Kristallographische Daten für Wollastonit
Name	Wollastonit-1T Wollastonit		Wollastonit-2M Parawollastonit		Wollastonit-4A Pseudowollastonit
Kristallsystem	trikllin		monoklin		monoklin
Kristallklasse	${\bar {1}}$		$2/m\,$		$2/m\,$
Raumgruppe	$P{\bar {1}}$		$P2_{1}/a\,$		$C2/c\,$
Gitterkonstanten der Elementarzelle	a = 794 pm b = 732 pm c = 707 pm	α = 90,03° β = 95,37° γ = 103,43°	a = 1543 pm b = 732 pm c = 707 pm	α = 90° β = 95,40° γ = 90°	a = 684 pm b = 1187 pm c = 1963 pm	α = 90° β = 90,67° γ = 90°
Zahl der Formeleinheiten in der Elementarzelle	6		12		8

Koordinationsumgebung der Ca²⁺- und Si⁴⁺-Kationen

Koordinationsumgebung von Si und Ca

Wie in fast allen Silikaten wird das Silizium von vier Sauerstoffatomen in Form eines Tetraeders umgeben. Diese SiO₄-Tetraeder liegen jedoch nicht isoliert in der Kristallstruktur vor, sondern sind zu Ketten verknüpft (siehe nächster Abschnitt). Die Sauerstoff-Silizum-Abstände liegen zwischen 157 und 166 pm, was den üblichen Abständen in Silikaten entspricht.
Die Calciumatome werden jeweils von sechs Sauerstoffatomen in Form von verzerrten Oktaedern umgeben, die Calcium-Sauerstoffabstände liegen zwischen 227 und 255 pm.

Verknüpfungsmuster der Silikatketten

Verknüpfungsmuster der Silikatketten in Wollastonit verglichen mit den Pyroxenen

Verknüpfungsmuster der Silikat- und [CaO₆]-Oktaeder-Ketten in Richtung der a- und c-Achse

Obwohl Wollastonit zu den Einfach-Kettensilikaten (Inosilikate) gehört, unterscheidet sich das Verknüpfungsmuster der SiO₄-Tetraeder innerhalb der Silikatkette von dem der weitaus häufigeren Pyroxene. Der Unterschied wird im Vergleich von Wollastonit mit dem Pyroxen Enstatit (MgSiO₃) deutlich.
Die Verknüpfung der SiO₄-Tetraeder erfolgt in allen Kettensilikaten über gemeinsame Tetraederecken, also über gemeinsame Sauerstoffatome. Damit eine Kette entsteht, muss jedes Silizium zwei der Sauerstoffatome seines Tetraeders mit den benachbarten Siliziumatomen teilen, diese Sauerstoffatome „gehören" ihm also nur zur Hälfte. Damit ergibt sich in der Kette ein Silizium-Sauerstoff-Verhältnis von 1:3, was sich auch in der chemischen Formel der Kettensilikate widerspiegelt (Wollastonit: CaSiO₃, Enstatit: MgSiO₃). Da diese Ketten praktisch unendlich sind, sie werden nur von der Größe des Kristalls begrenzt, werden sie folgendermaßen beschrieben:

$\mathrm {(SiO_{3}^{2-})_{\infty }}$

Die Ketten können nun durch die Orientierung der SiO₄-Tetraeder zueinander weiter unterschieden werden. Während sich im Enstatit und allen anderen Pyroxenen das gleiche Motiv nach zwei Tetraedern wiederholt, wird das Kettenmuster im Wollastonit durch drei Tetraeder vorgegeben. Vereinfacht ausgedrückt zeigen im Enstatit die Tetraeder mit einer Spitze abwechselnd „nach oben" und „nach unten", während im Wollastonit ein Tetraeder mit der Spitze „nach unten" zeigt, die nächsten beiden jedoch „nach oben". Im Fall der Pyroxene spricht man daher auch von einer „Zweiereinfachkette", Wollastonit besitzt eine „Dreiereinfachkette". Da das zugrunde liegende Motiv der Ketten in Wollastonit aus drei Tetraedern besteht, wird die chemische Formel auch häufig verdreifacht, Ca₃[Si₃O₉], angegeben. Die unendlichen (SiO₃)^2--Ketten verlaufen in der Kristallstruktur von Wollastonit in Richtung [010], das heißt in Richtung der kristallographischen b-Achse. Das Kettenmotiv aus drei Tetraedern wiederholt sich nach 732 pm, was exakt der Gitterkonstante der Elementarzelle in Richtung der b-Achse entspricht. Die kompliziertere Anordnung der Tetraeder in Wollastonit erfolgt aufgrund des erhöhten Platzbedarfs der Ca²⁺-Kationen (Ca²⁺ ist größer als die häufig in Pyroxenen enthaltenen Mg²⁺- und Fe²⁺-Kationen) in der Kristallstruktur.

Gesamtstruktur

Die [CaO₆]-Oktaeder bilden ihrerseits über gemeinsame Kanten ebenfalls Ketten in Richtung der b-Achse. Die Oktaederketten sind über gemeinsame Sauerstoffatome mit den oben beschriebenen Silikatketten in Richtung der a- und c-Achse verknüpft, wodurch eine dreidimensionale Struktur entsteht.

Einfluss der Struktur auf die makroskopischen Eigenschaften

Anhand der Kristallstruktur lassen sich einige makroskopische Eigenschaften von Wollastonit erklären. Einkristalle von Wollastonit besitzen eine nadelige bis faserige Form (Habitus), da die Kristalle bevorzugt in Richtung der kristallographischen b-Achse wachsen, was der Orientierung der Silikatketten in der Kristallstruktur entspricht. Bricht man eine Wollastonit-Nadel in der Mitte durch, dass heißt man zerbricht die Silikatketten, ergeben sich unebene Bruchflächen während bei mechanischer Belastung parallel zur b-Abchse ebene Spaltflächen ({100} vollkommene, {001} und {102} gute Spaltbarkeit) entstehen. Dies lässt sich auch durch die chemischen Bindungsverhältnisse im Kristall erklären. Während Silizium und Sauerstoff über kovalente Bindungen (Atombindungen) miteinander verbunden sind, besteht zwischen Calcium und Sauerstoff eine ionischen Bindung, die rein auf einer elektrostatischen Wechselwirkung beruht und somit die schwächere Bindung darstellt.

Verwendung

Wollastonit bietet aufgrund seiner faserig bis nadeligen Kristalle und seines hohen Schmelzpunktes (1540 °C) vielfältige technische Einsatzmöglichkeiten. Er wird auch technisch durch die Reaktion von Calciumoxid (CaO, Branntkalk) mit Siliziumdioxid (SiO₂, Quarz beziehungsweise Kieselgel) hergestellt:

$\mathrm {CaO+SiO_{2}\longrightarrow CaSiO_{3}}$

Eines der Haupteinsatzgebiete von Wollastonit ist die Keramikindustrie, wo er zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften weißer Keramikwaren verwendet wird.

Aufgrund seines hohen Schmelzpunktes dient Wollastonit als Ersatz für Asbestfasern. Typischerweise wird er in Schweißelektroden, Dämmstoffen und feuerfester Schutzkleidung eingesetzt. Während Asbestfasern zu den krebserzeugenden Arbeitsstoffen zählen, geht von Wollastonitfasern kein Gesundheitsrisiko aus, da diese sich innerhalb weniger Tage bis einigen Wochen im Organismus auflösen.

In der Kunststoffindustrie wird Wollastonit hauptsächlich als Füllstoff in Thermoplasten verwendet. Er dient unter anderem zur Verbesserung der Steifigkeit und Biegfestigkeit von Polyestern, Polyamiden und Polypropylenen.

Für Wollastonit existieren zahlreiche Handelsnamen, darunter Kemolit, Hycon und Tremin.

Siehe auch

• Systematik der Minerale
• Liste der Minerale

Literatur

• N. L. Bowen, J. F. Schairer, E. Posnjak (1933): The system CaO-FeO-SiO₂. American Journal of Science, Series 5, 26, 193-283. (englisch)
• M. J. Buerger, C. T. Prewitt (1961): The crystal structures of wollastonite and pectolite. Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A., 47, 1884-1888. (englisch)
• W. A. Deer, R. A. Howie, J. Zussman: An Introduction to the Rock Forming Minerals. Prentice Hall, Harlow 1992, ISBN 0582300940 (englisch)
• R. I. Harker, O. F. Tuttle (1956): Experimental data on the P(CO₂)-T curve for the reaction: calcite + quartz ↔ wollastonite + carbon dioxide. American Journal of Science, 254, 239-256. (englisch)
• U. Müller: Anorganische Strukturchemie. Teubner, Stuttgart 2004, ISBN 3519335123
• Y. Ohashi (1984): Polysynthetically-twinned structures of enstatite and wollastonite. Physics and Chemistry of Minerals, 10, 217-229. (englisch)
• M. Okrusch, S. Matthes: Mineralogie. Springer, Berlin 2005, ISBN 3540238123
• H.-X. Yang, C. T. Prewitt (1999): On the crystal structure of pseudowollastonite (CaSiO₃). American Mineralogists, 84, 929-932. (englisch)

Weblinks

Commons: Wollastonit – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Umfangreiche Daten zu Wollastonit auf webmineral.com (englisch)
• Frei drehbares 3D-Modell eines Wollastonit-Kristalls (benötigt Java runtime)
• Bilder von Wollastonit im Dünnschliff vom GeoMuseum der TU Clausthal
• Übersicht der Kettensilikatstrukuren (Universität Freiburg)