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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