Quelle Nummer 236
Rubrik 20 : GEOLOGIE Unterrubrik 20.00 : GEOLOGIE
MINERALOGIE
GUENTER STRUEBEL
MINERALOGIE UND KRISTALLOGRAPHIE
VERLAG STUDIENGEMEINSCHAFT KAMPRATH, DARMSTADT 1971
S. B1-
001 Kristallwachstum und physikalische Eigenschaften der
002 Kristalle. Wachstum der Kristalle. Wie bei
003 Pflanzen, Tieren oder Menschen spricht man auch bei den
004 Kristallen von einem Wachstum und versteht darunter das
005 kontinuierliche Größerwerden eines Keimes bis zum fertig
006 ausgebildeten Kristall. Es bestehen jedoch grundsätzliche
007 Unterschiede zwischen dem Wachstum eines Lebewesens und dem eines
008 Kristalls. Während sich lebende Zellen durch Teilung und durch
009 ein Wachstum von innen heraus weiterentwickeln, geschieht dies bei
010 den Kristallen durch Anlagerung von außen her. Diese Art von
011 Wachstum, bei der die kleinsten Teile der Materie, also Ionen,
012 Atome oder Moleküle, an einen Kristall von außen her angelagert
013 werden, nennt man Suppositionswachstum. Dabei bilden sich
014 Schichten, die parallel zueinander weiterwachsen, d. h.,n.h.
015 die Kristallflächen verschieben sich beim Wachstum parallel.
016 Merke: Kristalle wachsen durch schichtenparallele Anlagerung
017 kleinster Materieteilchen. Wachstumsgeschwindigkeit
018 und Wachstumsformen. Von großer Bedeutung für die fertige
019 Kristallform ist die Wachstumsgeschwindigkeit. Man versteht unter
020 ihr das Fortschreiten einer Fläche vom Mittelpunkt des Kristalls
021 in Richtung der Seiten, Kanten oder Ecken. Am Beginn des
022 Kristallwachstums steht ein Kristallkeim. Die Anlagerung
023 von Ionen erfolgt durch Wechselwirkung elektrostatischer Kräfte,
024 da um den Keim herum ein elektrischen Kraftfeld besteht. Die
025 Anlagerung der Teilchen geschieht nun aber nicht gleichmäßig nach
026 allen Seiten hin, sondern sie ist richtungsverschieden. Die
027 Richtungsverschiedenheit nennt man auch Anisotropie. Sie
028 ist eine sehr wichtige Eigenschaft der Kristalle, die sich dadurch
029 von den isotropen oder auch amorphen Stoffen
030 unterscheiden. Merke: Isotrope Substanzen wachsen nach
031 allen Richtungen gleich schnell. Das Ergebnis ist eine Kugel
032 Anisotrope Substanzen wachsen nach versciedenen Richtungen
033 unterschielich schnell. Sie bilden bei ungestörtem Wachstum von
034 ebenen Flächen begrenzte Körper. Die Wachstumsrichtung
035 eines Kristalls ist die Richtung der Flächennormale.
036 Die Flächennormale ist einer gedachte Gerade, welche senkrecht
037 auf den Kristallflächen steht. Die Geschwindigkeit, mit der
038 eine wachsende Fläche in der Wachstumsrichtung fortschreitet,
039 heißt Wachstumsgeschwindigkeit. Dabei sind die Längen
040 der Flächennormalen nicht gleichwertiger Flächen proportional den
041 Wachstumsgeschwindigkeiten. Für gleichwertige Flächen wie
042 Würfelflächen, Rhomboederflächen oder Prismenflächen ist die
043 Wachstumsgeschwindigkeit gleich groß. Vom Verhältnis der
044 Wachstumsgeschwindigkeiten hängt es ab, ob eine Fläche am Ende
045 des Wachstums groß oder klein ist oder ob sie im Verlauf des
046 Größerwerdens des Kristalls ganz verschwindet. Beispiel
047 Ein Kristall, der als Keim aus einer Kombination von
048 Würfelflächen W und Oktaederflächen O (Abb. 1) besteht,
049 wächst in einer Lösung unter idealen Bedingungen, d. h.,n.h.
050 er wird von allen Seiten gleichmäßig mit Materie versorgt. Die
051 Wachstumsgeschwindigkeit der Oktaederflächen ist jedoch doppelt so
052 groß wie die der Würfelflächen. Während sich die
053 Würfelflächen in bestimmten Zeiteinheiten um die Beträge (Formel),
054 (Formel) und (Formel) weiterschieben, kommen die Oktaederflächen um die
055 Beträge (Formel), (Formel) und (Formel) voran, also doppelt soweit. Dabei
056 werden die Würfelflächen immer größer. Die Oktaederflächen
057 dagegen werden kleiner und verschwinden schließlich ganz. (Abb.)
058 Merke: Besteht ein Kristall aus mehreren ungleichwertigen
059 Flächen, dann werden bei ungestörtem Wachstum die am schnellsten
060 wachsenden Flächen immer kleiner und verschwinden schließlich ganz.
061 Am kleinsten ist die Wachstumsgeschwindigkeit immer in
062 Richtung der Flächen, während sie in Richtung der Ecken und
063 Kanten am größten ist. Besonders groß wird sie, wenn
064 Kristalle aus stark übersättigten Lösungen oder durch sehr
065 rasche Abkühlung von Schmelzen oder Lösungen entstehen. Diese
066 Kristalle bilden sich dann nur in Richtung der größten
067 Wachstumsgeschwindigkeit aus, und es kommt zu sogenannten
068 Skelettkristallen (Abb. 2 a). Beispiele sind
069 Schneeflocken oder Dentriten von Manganmineralien, die auf den
070 Kluftflächen von Gesteinen sehr oft anzutreffen sind (Abb. 2
071 b). Die Verhältnisse der Wachstumsgeschwindigkeiten
072 verschiedener Flächen zueinander können sich durch Änderung von
073 Temperatur, Druck oder Konzentration der Lösung bzw.
074 Schmelze ändern. Auch die Anwesenheit anderer Stoffe in einer
075 Lösung (Lösungsgenossen) kann sich auf die
076 Wachstumsgeschwindigkeit der einzelnen Flächen auswirken.
077 Beispiel: Unter normalen Bildungsbedingungen kristallisiert
078 Seinsalz (NaCL) aus einer wäßrigen Lösung stets in
079 Würfeln aus. Setzt man jedoch zu der Lösung Harnstoff, dann
080 wird das Wachstum der Oktaederflächen gehemmt, und die
081 Würfelflächen wachsen schneller. Es bilden sich schließlich
082 Oktaeder von NaCL als Endform aus, die bei normalem Wachstum
083 sehr selten beim Steinsalz vorkommen. Man bezeichnet diesen
084 Vorgang als Trachtbeeinflussung durch Lösungsgenossen.
085 Verändert sich die Lösung in ihrer stofflichen Zusammensetzung
086 während des Kristallwachstums, dann kommt es häufig zu einer
087 äußerlich oder im mikroskopischen Bild sichtbaren schichtartigen
088 Ausbildung der Kristalle, die man als Zonarbau oder als
089 Zonarstruktur bezeichnet. Beispiele sind unter den
090 Feldspaten, dem Quarz und einigen Silicaten oft zu finden. Man
091 kann diesen Vorgang sehr leicht künstlich nachahmen, indem man z.B.
092 einen Chromalaunkristall in einer gesättigten
093 Kaliumalaunlösung weiter wachsen läßt. Es bildet sich ein
094 farblos durchsichtiges Oktaeder mit einem violetten Kern aus
095 Chromalaun. Den Vorgang kann man wiederholen und erhält dann
096 einen Kristall, der wechselweise aus violetten und farblosen
097 Schichten aufgebaut ist. Einen schichtförmigen Aufbau zeigt auch
098 der Achat, bei dem feinkristalline Quarzlagen unterschiedlicher
099 Färbung einander abwechseln. Rhythmische Ausscheidungen meist
100 eisenhaltiger Lösungen in den Bildungshohlräumen der Achate
101 während ihres Wachstums sind die häufigste Ursache für die
102 wechselnde Färbung der Bänderung (Abb. 3). Oft finden wir
103 in der Natur Mineralien, die ein kugelig, traubig oder
104 nierenförmiges Aussehen haben. Es handelt sich hierbei in den
105 meisten Fällen um eingetrocknete Gele, d. h. kolloidale
106 Lösungen, die im Verlaufe von Jahren bis Jahrmillionen gealtert
107 und fest geworden sind. Manche dieser strukturlos aussehenden
108 amorphen Mineralien gehen aus einem amorphen Zustand mit
109 zunehmendem Alter in den kristallinen Agregatzustand über, wobei
110 sie ihre knollige Form beibehalten. Die Oberfläche wird dabei
111 glänzend und man bezeichnet sie dann auch als Glaskopf. So
112 unterscheiden wir schwarzen Glaskopf (Hartmanganerz), braunen
113 Glaskopf (Brauneisen), (Abb.) roten Glaskopf (Roteisen),
114 grünen Glaskopf (Malachit) u. a. m. Als
115 kryptokristallin bezeichnet man Kristallaggregate, bei denen
116 die einzelnen Kristalle, z. B. bei der Bildung vieler
117 Keime und bei überstürzter Kristallisation, sehr klein geworden
118 sind, so daß man sie mit dem Auge nicht mehr einzeln erkennen kann.
119 Lassen sich die Kristalle auch mit dem Mikroskop nicht mehr als
120 anisotrope Stoffe erkennen, dann bezeichnet man sie als amorph.
121 Zahlreiche Stoffe, u. a. Kohlenruß, den man früher
122 als amorphen Kohlenstoff angesehen hat, ergeben jedoch mit
123 Röntgenstrahlen Beugungsspektren und sind daher als kristallin
124 anzusehen. Stoffe, die auch mit Hilfe röntgenographischer
125 Methoden keine kristallinen Eigenschaften mehr aufweisen, nennt
126 man röntgenamorph. Beispiele hierfür sind Gläser,
127 Opal und Bernstein. Ätzung und Auflösung.
128 Behandelt man die Oberfläche eines Kristalls mit einem geeigneten
129 Lösungsmittel, dann bilden sich auf den Flächen Vertiefungen,
130 die als Ätzgruben bezeichnet werden. Bleiben erhabene
131 Stellen auf der Kristallfläche zurück, so werden sie als
132 Ätzhügel bezeichnet (Abb. 4). Durch diese Ätzfiguren
133 läßt sich in vielen Fällen die wahre Symmetrie eines Kristalls
134 erkennen. Beispiel: Das Doppelsalz Dolomit (Formel) bildet
135 wie der Kalkspat (Formel) in vielen Fällen Rhomboeder. Das
136 Dolomitrhomboeder gehört jedoch der trigonal rhomboedrischen
137 Symmetrieklasse an, während Kalkspat ditrigonal-
138 skalenoedrisch kristallisiert. Äußerlich sehen beide Rhomboeder
139 gleich aus. Behandelt man jedoch die Rhomboederflächen mit einer
140 Säure, dann entstehen beim Kalkspat symmetrische Ätzfiguren
141 ähnlich gleichschenkligen Dreiecken, während diese beim Dolomit
142 asymmetrisch sind. Aus dieser unterschiedlichen Flächensymmetrie
143 geht hervor, daß Dolomit eine niedrigere Symmetrie besitzt als
144 Kalkspat. Vielfach läßt sich mit Hilfe der Ätzfiguren auch
145 erkennen, ob es sich um Zwillingsbildungen oder um sonstige
146 Verwachsungen der Kristalle handelt. Kristallflächen sind
147 Richtungen der kleinsten Wachstumsgeschwindigkeit und lösen sich
148 daher auch am langsamsten auf. Dagegen ist die
149 Auflösungsgeschwindigkeit in Richtung der Kanten und Ecken stets
150 am größten. Daher werden diese bei der Auflösung zuerst
151 abgestumpft, und der Kristall nimmt eine gerundete Form an.
152 Viele natürliche Kristalle kommen in solchen abgerundeten Formen
153 vor (z. B. Diamant) und manche Quarze in Gesteinen (z.
154 B *bp im Quarzporphyr). In vielen Fällen handelt es sich
155 hierbei um eine spätere anlösung oder um eine teilweise Resorption
156 des bereits gebildeten Kristalls beim Abkühlen einer
157 Gesteinsschmelze. Die Löslichkeit der Kristalle nimmt im
158 allgemeinen mit steigender Temperatur zu. Von großer Bedeutung
159 für die modernen Methoden der künstlichen Züchtung von
160 Kristallen ist die genaue Kenntnis des Löslichkeitsverlaufes der
161 betreffenden chemischen Substanz. So nimmt z. B. die
162 Löslichkeit von Quarz in Wasser, die bei Raumtemperatur
163 praktisch gleich Null ist, im überkritischen Temperaturbereich
164 sehr stark zu. Diese Eigenschaft wird großtechnisch zur
165 Herstellung synthetischer Schwingquarze ausgenutzt, indem man in
166 einem geeigneten Reaktionsgefäß (Autoklav) einen
167 Quarzkeim unter erhöhtem Druck im Temperaturgefälle wachsen
168 läßt. Von gewissem Einfluß auf die Löslichkeit sind auch der
169 ph-Wert und die Lösungsgenossen. Pseudomorphosen.
170 Eine besondere Art der Auflösung der Kristalle ist der Ersatz
171 der ursprünglichen Substanz durch eine andere, wobei die äußere
172 Gestalt des ursprünglich vorhandenen Kristalls erhalten bleibt.
173 Beispiel: Schwerspat ((Formel)) wird durch veränderte
174 Druckbedingungen und Temperaturbedingungen in NaCL-
175 haltigen Wässern aufgelöst Gleichzeitig scheidet sich (Formel) an
176 Stelle des weggeführten (Formel) aus diesen Lösungen in Form von
177 Quarz ab. Dabei bleibt jedoch die äußere Form der
178 Schwerspatkristalle erhalten. Man spricht in diesem Fall von
179 einer Pseudomorphose (= gr. falsch gestaltet) von
180 Quarz nach Schwerspat. Ein interessantes Beispiel sind die
181 versteinerten Steinsalzkristalle. Das in Wasser leicht lösliche
182 NaCL der ursprünglich vorhandenen Kristallbildungen wird
183 weggeführt. Sande oder Tone werden in die entstandenen
184 Hohlräume eingeschwemmt und bleiben dann in den Hohlformen zurück.
185 Im Laufe der Zeit verwittert das umgebende weichere Material
186 und wird weggelöst, während die härteren Pseudomorphosen von
187 Sandstein oder Tonschiefer erhalten bleiben.
188 Paramorphosen. Pseudomorphosen, bei denen keine stoffliche
189 Veränderung des Kristalls stattfindet, bezeichnet man als
190 Paramorphosen (gr. nichts bedeutende Gestalt). Ursache
191 der Paramorphosen sind Änderungen von Druck und Temperatur.
192 Sie spielen eine bedeutende Rolle als geologische Thermometer.
193 Man kann mit ihrer Hilfe die Temperatur bestimmen, bei der
194 sich ein Gestein gebildet hat. Beispiel: Trigonal
195 kristallisierender *yb-Quarz geht bei Erhitzung auf über 573^
196 C in den hexagonalen *ya-Quarz über. Umgekehrt bildet
197 sich beim Abkühlen von *ya-Quarz unter 573^ C *yb-
198 Quarz. Dabei bleibt jedoch die äußere hexagonale Form erhalten.
199 Findet man also in Gesteinen hexagonale Kristallformen von *yb
200 -Quarz, dann weiß man, daß bei der Bildung dieses
201 Gesteinskomplexes die Temperatur höher als 573^ C gewesen sein
202 muß. Herstellung und Verwendung künstlicher Kristalle
203 Für den Bedarf in der Industrie, Technik und Forschung
204 reichen Güte und Menge der in der Natur vorkommenden Mineralien
205 in vielen Fällen nicht aus. So ist man schon sehr früh dazu
206 übergegangen, künstliche Kristalle zu züchten. Der Wunsch,
207 Diamanten und Schmucksteine im Laboratorium herzustellen, ist
208 uralt. Erst in den letzten Jahrzehnten ist es jedoch gelungen,
209 solche Steine von brauchbarer Qualität und Größe zu verfertigen.
210 Die Diamantsynthese gelang erst vor einigen Jahren in
211 großtechnischem Umfang. Seit 1957 werden jedoch bereits große
212 Mengen an Industriediamanten (z. B. von der General
213 Electric Co in Detroit USA) hergestellt. Im Jahre 1958
214 betrug ihr Anteil am Weltmarkt bereits 3,5 Millionen Karat
215 zu einem Preis von ca. 4 $$ pro Karat. Das ist fast die
216 Hälfte des Jahresverbrauchs von Industriediamanten der USA.
217 1 Karat sind ca. 200 mg, etwa das Gewicht eines
218 Johannisbrotkerns, der früher in Afrika und Indien als
219 Maßeinheit des Handels für das Gewicht der Schmucksteine
220 verwandt worden ist. Um die Bildungsbedingungen von Mineralien,
221 Erzlagerstätten und Gesteinen zu erforschen, ist die
222 experimentelle Mineralogie bereits im vorigen Jahrhundert dazu
223 übergegangen, künstliche Mineralien herzustellen. Aus den
224 jeweiligen Druckwerten und Temperaturwerten, die zu
225 ihrer Darstellung im Laboratorium erforderlich sind, kann man in
226 den meisten Fällen Rückschlüsse auf die Verhältnisse ziehen,
227 welche bei der natürlichen Entstehung (Genese) dieser
228 Substanzen im Erdinnern geherrscht haben. So sind bis heute fast
229 alle wichtigen Mineralien im Laboratoriumsmaßstab auf
230 synthetischem Wege hergestellt worden. Trotzdem gibt es bezüglich
231 der natürlichen Entstehung der Mineralien noch sehr viele
232 ungelöste Probleme, vor allem deswegen, weil eine einzige
233 Darstellungsmethode im Laboratorium für ein Mineral nicht
234 ausreicht, um zu klären, welche Bedingungen bei der natürlichen
235 Entstehung im Innern der Erdkruste tatsächlich gegeben waren.
236 Die Variabilität von Temperatur, Druck und Lösungsgenossen
237 und vor allem der Faktor der Zeit sind so mannigfaltig, daß nur
238 in ganz wenigen Fällen bei der Züchtung im Labor dieselben
239 Bedingungen getroffen wurden wie sie in der Natur geherrscht haben.
240 So finden wir z. B. den Kalkspat ((Formel)) - wegen seiner
241 optischen Eigenschaften (hohe Doppelbrechung des Lichtes) auch
242 Doppelspat genannt - in natürlichen Bildungen auf Klüften und
243 Gängen, sehr häufig in schönen großen Kristallen. Eine
244 wasserklare Art des Kalkspats kommt auf Island vor und wird als
245 isländischer Doppelspat von der optischen Industrie für die
246 Herstellung von Prismen und Polarisationseinrichtungen sehr
247 gesucht. Heute gibt es nur noch ganz wenige Fundpunkte, und auch
248 diese sind wirtschaftlich nicht mehr sehr ergiebig. Trotz vieler
249 Versuche ist es bis jetzt noch nicht gelungen, große wasserklare,
250 durchsichtige Kalkspatkristalle synthetisch herzustellen. Großes
251 Interesse bringen Forschung und Industrie seit einigen Jahren der
252 Züchtung von sogenannten Whiskerkristallen entgegen. Im
253 Jahre 1948 stellte man fest, daß aus zunachst unerklärlichen
254 Gründen an transatlantischen Unterwasserleitungen Kurzschlüsse
255 auftraten. Es zeigte sich nach längerem Suchen, daß
256 fadenförmige Metallkristalle spontan in den Kabeln gewachsen waren
257 und dabei die Isolierungen in Kondensatoren und Frequenzfiltern
258 überbrückt hatten. Diese von den Kristallographen als Whisker
259 bezeichneten Bildungen sind Einkristalle, die ganz gewöhnlich
260 hohe Werte hinsichtlich ihrer mechanischen Festigkeit aufweisen.
261 So kennt man heute Eisenwhisker, die eine Zugfestigkeit von 1340
262 (Formel) aufweisen, einen Wert, den man von keinem anderen
263 gewöhnlichen Metallkristall kennt. Synthetische Kristalle aus
264 Aluminiumosid, Calciumfluorid, Calciumwolframat und
265 Strontiummolybdat sowie zahlreiche andere Substanzen finden als
266 Maserkristalle oder Laserkristalle
267 Verwendung. Maser (Abkürzung für microware amplification
268 through stimulated emission of radiation) werden als
269 Frequenzverstärker z. B. für den Empfang von Signalen
270 künstlicher Erdsatelliten eingesetzt. Laser (Abkürzung für
271 light amplification trough stimulated emission of radiation) dienen
272 der Intensivierung von Lichtquellen. Lichtstrahlen hoher Energie
273 können mittels Laserkristallen zu sehr weit entfernten Objekten
274 (z. B. zum Mond) gesandt werden. Auch zur Bearbeitung sehr
275 hoch schmelzender Werkstoffe werden sie bereits mit Erfolg
276 verwendet.
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