Wollastonit (selten auch Tafelspat oder Tafelspath) ist ein häufig vorkommendes Mineral mit der chemischen Zusammensetzung CaSiO3, genauer Ca3[Si3O9]. Chemisch gesehen handelt es sich dabei um ein natürlich auftretendes Calciumsilicat bzw. das Calcium-Salz der Metakieselsäure. Wollastonit zählt daher zur Mineralklasse der Silicate und Germanate. Seine Kristallstruktur besteht aus (SiO3)2−-Ketten, die über die Calcium-Kationen untereinander verknüpft werden. Als ein Einfach-Kettensilicat ist Wollastonit Teil der Inosilicate, gehört aber hierbei nicht zur Mineralgruppe der Pyroxene, die oft fälschlicherweise als Synonym für Einfach-Kettensilicate verwendet wird, 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.
Etymologie und Geschichte mini|links|120px|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 Andreas Stütz in: Neue Einrichtung der k.-k. Naturalien-Sammlung zu Wien, der das Mineral Tafelspath nannte. Stütz hatte hierfür Handstücke von Gesteinsproben aus dem Banat zur Verfügung, ob diese jedoch ebenfalls aus Dognecea stammten, ist nicht gesichert. Dognecea 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.
Klassifikation Bereits in der mittlerweile veralteten, aber noch gebräuchlichen 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte der Wollastonit, genauer seine beiden Modifikationen Wollastonit-1A und Wollastonit-2M, zur Mineralklasse der „Silikate und Germanate“ und dort zur Abteilung der „Kettensilikate und Bandsilikate (Inosilikate)“, wo er zusammen mit Bustamit, Cascandit, Denisovit, Ferrobustamit, Foshagit, Jennit, Pektolith, Serandit und Vistepit die eigenständige Gruppe VIII/F.18 bildete.
Die seit 2001 gültige und von der International Mineralogical Association (IMA) verwendete 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet Wollastonit-1A und Wollastonit-2M ebenfalls in die Klasse der „Silikate und Germanate“ und dort in die Abteilung der „Ketten- und Bandsilikate (Inosilikate)“ ein. Diese Abteilung ist allerdings weiter unterteilt nach der Art der Kettenbildung, so dass die Wollastonite entsprechend ihrem Aufbau in der Unterabteilung „Ketten- und Bandsilikate mit 3-periodischen Einfach- und Mehrfachketten“ zu finden ist, wo sie namensgebend die „Wollastonitgruppe“ mit der System-Nr. 9.DG.05 und den weiteren Mitgliedern Bustamit, Cascandit, Ferrobustamit, Pektolith, Serandit und Tanohatait bilden.
Auch die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana ordnet Wollastonit-1A, Wollastonit-2M und Wollastonit-3A-4A-5A-7A in die Klasse der „Silikate und Germanate“ und dort in die Abteilung der „Kettensilikatminerale“ ein. Hier sind sie ebenfalls in der nach ihnen benannten „Wollastonitgruppe“ mit der System-Nr. 65.02.01 sowie den weiteren Mitgliedern Bustamit, Ferrobustamit, Pektolith, Serandit, Cascandit, Denisovit und Tanohatait innerhalb der Unterabteilung „Kettensilikate: Einfache unverzweigte Ketten, W=1 mit Ketten P=3“ zu finden.
Kristallstruktur mini|250px|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 (Klasse ) in der mit sechs Formeleinheiten in der Elementarzelle (Z=6). 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) ineinander 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 × 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-1A(ex.1T)Wollastonit Wollastonit-2MParawollastonit Wollastonit-4APseudowollastonit Kristallsystem triklin monoklin monoklin Kristallklasse Raumgruppe Gitterkonstanten derElementarzelle a = 794 pmb = 732 pmc = 707 pm α = 90,03°β = 95,37°γ = 103,43° a = 1543 pmb = 732 pmc = 707 pm α = 90°β = 95,40°γ = 90° a = 684 pmb = 1187 pmc = 1963 pm α = 90°β = 90,67°γ = 90° Zahl der Formeleinheitenin der Elementarzelle 6 12 8
Koordinationsumgebung der Ca2+- und Si4+-Kationen mini|links|250px|Koordinationsumgebung von Si und Ca Wie in fast allen Silicaten wird das Silicium 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-Silizium-Abstände liegen zwischen 157 und 166 pm, was den üblichen Abständen in Silicaten 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 Silicatketten mini|250px|Verknüpfungsmuster der Silicatketten in Wollastonit verglichen mit den Pyroxenen mini|250px|Verknüpfungsmuster der Silicat- und [CaO6]-Oktaeder-Ketten in Richtung der a- und c-Achse Obwohl Wollastonit zu den Einfach-Kettensilicaten (Inosilicate) gehört, unterscheidet sich das Verknüpfungsmuster der SiO4-Tetraeder innerhalb der Silicatkette 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 Kettensilicaten 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 Kettensilicate widerspiegelt (Wollastonit: CaSiO3, Enstatit: MgSiO3). Diese Ketten sind praktisch unendlich, sie werden nur von der Größe des Kristalls begrenzt. In der Kristallchemie werden sie daher folgendermaßen beschrieben:
oder ausführlicher als Niggli-Formel:
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 , 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 Silicatketten 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 Silicatketten in der Kristallstruktur entspricht. Bricht man eine Wollastonit-Nadel in der Mitte durch, das heißt man zerbricht die Silicatketten, ergeben sich unebene Bruchflächen, während bei mechanischer Belastung parallel zur b-Achse 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 Ionische Bindung, die auf einer rein elektrostatischen Wechselwirkung beruht und somit die schwächere Bindung darstellt.
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).
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.