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Was sind Minerale? Was sind Kristalle?

Das Wort Kristall kommt aus dem Altgriechischen kristallos, was ur­sprünglich so viel wie Eis hieß. Später nannten die Griechen auch den wasserklaren Quarz, den Bergkristall Kristall, denn sie hielten die schönen durchsichtigen Quarze für das Eis eines speziellen Wassers. Ein Großteil der Materie besteht aus Kristallen, ganz gleich, ob sie na­türlich gewachsen sind oder künstlich hergestellt wurden. Dem­nach sind fast alle Minerale auch Kristalle. Auch in unseren Knochen und Zähnen sind viele sehr kleine Kriställchen. Schneeflocken sind Kristalle, doch Bitumen, Holz und Glas, um nur einige Beispiele anzu­führen, sind nicht kristallin, enthalten demnach auch keine Kristalle. Sie sind amorph, d. h. der Feinbau der aufbauenden Materie ist geo­metrisch ungeordnet. Doch es gibt auch amorphe Minerale, wie Opal oder die aus Kieselgel gebildeten Achate, deren Internstrukturen eine gewisse Ordnung haben, deren atomarer Aufbau jedoch mit dem von Kristallen nicht zu vergleichen ist. Jedes Mineral ist ein Indi­viduum für sich. Minerale kommen in Gesteinen gepackt, in Form von Körnern, Schuppen, Tafeln, Prismen oder Nadeln vor, aber auch auf Rissen, Klüften und in verschiedenen Hohlräumen der Erdkruste. In letztere können Minerale hineinwachsen und dabei geometrische Formen mit Kanten und ebenen Flächen und einem symmetrischen Habitus entwickeln. Dieses ist nur dann möglich, wenn die Kraft, die das Wachsen bestimmt, Kristallisationskraft genannt, höher ist als der Druck, der um das wachsende Mineral herrscht.

Minerale, demnach auch Kristalle, sind homogene Körper, die aus verschiedenen Elementen, manchmal auch nur aus einem, bestehen. Gold-, Silber-, Kupfer- und Schwefelkristalle sind nur aus den Ele­menten Gold, Silber, Kupfer und Schwefel gebildet, während Eis­kristalle und Schneeflocken, die Kristalle des Wassers, nur Wasser­stoff- und Sauerstoffatome enthalten. Pyrit, Pyrrhotin und Markasit sind drei verschiedene Minerale von annähernd gleicher Farbe, doch sind ihre Formen und Symmetrien sehr unterschiedlich, obwohl sie nur aus Eisen- und Schwefelatomen, und zwar in annähernd gleichen Anteilen bestehen. Und dennoch gleichen sie sich nicht, weder in ihrem Äußeren noch in ihrem Inneren, ihrem atomaren Bau. Ganz anders der Fluspat (Fluorit). Dieser ist aus Kalzium- und Fluoratomen aufgebaut und kristallisiert immer in würfeliger Symmetrie. Die ein­zelnen Kristalle haben immer gleichgroße Achsen, auch wenn sie ver­schiedene Formen ausbilden. Ähnliches gilt auch für andere Minerale, die von der chemischen Zusammensetzung her viel komplizierter sind, z. B. die wasser­führenden Kupferkarbonate Malachit und Azurit, deren Internstrukturen, Formen und Farbe sehr unterschiedlich sind, der qualitative Chemismus jedoch gleich ist.

Wieso können so unterschiedliche Minerale entstehen?

So zum Beispiel die schon erwähnten Minerale Pyrit, Pyrrhotin und Mar­kasit, oder Malachit und Azurit, oder die chemisch identischen Alumosilikate Andalusit, Disthen und Sillimanit, und die mehr als 20 ver­schiedenen Minerale der Quarz-Gruppe, deren Bausteine die Atome Silizium und Sauerstoff sind. Dass chemisch identische Mine­rale in ihrem inneren Aufbau und äußerem Aussehen so unter­schiedlich sind, ist auf verschiedene Faktoren zurückzuführen, vor allem auf die herrschenden Temperaturen und Drucke, die während ihres Wachsens in der Tiefe der Erde vorlagen. Welche Minerale gebildet werden, ist auch von der Menge der zur Verfügung stehenden Materie, den Elementen, abhängig. Eisen und Sauerstoff sind zwei der häufigsten Elemente in der Natur. Kommen beide in genügend großen Mengen vor, oder ist Sauerstoff im Überschuß vorhanden, wird Hämatit gebildet. Bei Sauerstoffmangel entsteht jedoch Magnetit, der sich von Hämatit nicht nur in Form und Farbe unterscheidet, sondern auch im Bezug auf seine Härte und Resistenz gegenüber äußeren Agenzien.

Welches der Minerale Pyrit, Pyrrhotin oder Markasit, oder welches Alumosilikat oder welche SiO2-Modifikationen entstehen wird, ist von den herrschenden Temperaturen und Drucken abhängig. Dabei darf nicht vergessen werden, dass die Entstehung des einen oder anderen Minerals auch von anderen und zum Teil noch nicht bekannten Faktoren abhängig ist. Auch die Farbe der Minerale ist von der qualitativen, oft auch quantitativen Zusammensetzung abhängig. Doch auch bei der Farbgebung spielen Fakten, die noch nicht bekannt sind oder deren Aufgabe noch nicht eindeutig ist, eine Rolle. Bekannt ist, dass Hauptelemente eines Minerals wie Eisen, Chrom oder Kupfer farbgebend und farbprägend sind. Aber auch Ione, die im Kristall in sehr geringen Mengen als "Fremdlinge" vorkommen, verleihen Mineralien eine bestimmte Farbe. Nicht selten sind bestimmte Fehler im Gitterbau der Kristalle die Ursache einer Farbe, während andere Fehler in demselben Kristall eine andere Farbe hervorrufen. Hinweise dazu finden Sie bei Fluorit und Quarz, denn bei diesen beiden Mineralarten ist die Ursache der Farbe gut untersucht.

Die Strukturen der Quarzvarietäten und ihrer Verwandten sind relativ einfach, denn sie bestehen nur aus Silizium und Sauerstoff. Und dennoch haben die Mineralarten verschiedene Formen und Eigenschaften. Komplizierter sind die Strukturen der sogenannten Silikate. Unter diesem Namen sind all die Minerale erfasst, deren "Baugerüst" ebenfalls aus Silizium- und Sauerstoffatomen besteht, und zwar in unterschiedlichsten Mengen und Anordnungen. So können vier Sauerstoff- und ein Siliziumatom oder elf Sauerstoff- und vier Siliziumatome den "Grundstein" einer elementaren Strukturzelle bilden. Die Anordnung mehrerer Zellen zu einem Gerüst ist ebenfalls unterschiedlich, wie am Beispiel der Pyroxen- und Amphibolzelle ersichtlich ist. An diesen wird auch deutlich, dass die Kristallform nicht nur von Atomen, die im Mineral vorkommen, abhängig ist, sondern auch von der Anordnung der zu Tetraedern verknüpften Si- und O-Atome. Sehr häufig haben Minerale verzerrte Formen. So kann ein Mineral, dessen ideale Form ein Würfel ist, zu einem Prisma werden, oder ganz unregelmässige Formen haben. Andere Minerale verwachsen miteinander, ganz willkürlich oder gehorchen bestimmten Symmetrien. Letztere bilden sogenannte Zwillinge, die den Kristallen nicht selten ein fremdes Aussehen verleihen.

Willkürliche Verwachsungen von zwei oder mehreren Kristallen er­geben meist unnatürliche, oft auch bizarre Formen. Als Spiel der Natur können die sogenannten Mineralpseudomorphosen gesehen werden. Darunter sind Minerale zu verstehen, deren äußere Form nicht dem inneren Atombau entspricht. Dieses ist dann der Fall, wenn ein älteres Mineral aufgelöst und an dessen Stelle ein anderes, mit anderem Chemismus und anderem Gitterbau tritt, wobei die äußere Form des ursprünglichen Kristalls erhalten bleibt. Die Substanz, aus dem das ältere Mineral bestand, kann weggeführt werden, oder sie wird in das neu gebildete ganz oder nur zum Teil eingebaut. Dabei kann ein einziges Individuum in der Form des verdrängten Minerals vorliegen oder mehrere, bis zu Tausenden kleinster Kristalle diese Form ausfüllen. Solche Verdrängungen können in der Natur sehr extrem sein. Dass sie nicht nur im Mineralreich zu finden sind, belegen die verdrängten Schalen von Ammoniten und anderer Fossilien, aber auch die Jahrmillionen alten verkieselten Wälder.

Wo entstehen Minerale?

Auf diese Frage müsste zuerst mit überall geantwortet werden, doch wollen wir das etwas differenzierter betrachten. Die ersten Minerale unserer Erde entstanden vor mehr als vier Milliarden Jahren aus einer sehr heißen silikatischen Schmelze, der "Ursuppe", wie einige Geologen das primär gebildete Magma nennen. Diese "Ursuppe", aus kosmischem Staub entstanden, kühlte langsam an der Erdoberfläche ab, und als sie nur noch ca. 1500° C heiss war, begannen in ihr die ersten Minerale zu kristallisieren. Mit voranschreitender Abkühlung wurden es immer mehr. Zu den ersten gehören Sulfide und Silikate, darunter Olivin, Pyroxene, Plagioklas, Spinele, Zirkon und Apatit. Die resultierten Gesteine waren Magmatite von homogener Zusammen­setzung. Je mehr Minerale aus einer Schmelze kristallisierten, um so stärker veränderte sich der Chemismus der verbliebenen Restschmelze. Dieser Prozess, magmatische Differenziation genannt, dauerte so lange, bis nur noch flüchtige Komponenten übrig blieben, aus denen weder Kristalle noch feste Materie gebildet wurde. Ganz allgemein wird mit sinkender Temperatur die Schmelze SiO2 und H2O reicher, bei gleichzeitiger An- und Abreicherung weiterer Elemente. Das führt dahin, dass immer neue Minerale und Mineralparagenesen entstanden, und durch deren Zusammenwachsen neue Gesteine. Auch in den Sedimenten und Sedimentgesteinen bilden sich neue Minerale, deren Entstehung ebenfalls von den herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen gesteuert werden. In diesem Fall kommt den wässerigen Lösungen eine größere Bedeutung zu. Gebildet werden vor allem Karbonate und Sulfate, verschiedene Salze, aber auch Tonminerale, Phosphate, SiO2-Varietäten, Sulfide, Eisenoxide und -hydroxide. Minerale werden auch von Meerestieren gebildet. Muschel- und Schneckengehäuse, aber auch Korallen bestehen aus Kalkmineralen, während ein Teil des ozeanischen Planktons ein feinstkristallines Kieselgerüst ausbildet. Kristalle sind auch Teil des tierischen Knochengerüsts und der Zähne oder kommen in den Eierschalen der Saurier, Reptilien und Vögel vor.

Es gibt noch eine dritte Art der Mineralbildung. So werden durch Umwandlung älterer Minerale und Gesteine neue gebildet. Gelangen Minerale und Gesteine in große Tiefen der Erdkruste, in Bereiche mit höheren Temperaturen und Drucken, werden sie instabil. Die Kristallgitter brechen auseinander, und die Atome und Moleküle ordnen sich zu neuen Strukturen, die unter den neuen Bedingungen stabil sind. Man spricht von metamorphen Blasten. Es sind ebenfalls Quarz, Feldspäte, Glimmer, Pyroxene und Amphibole, aber auch typische metamorphe Minerale, wie Granat, Staurolith, Chloritoid, Disthen, Andalusit und Cordierit, die während der Metamorphose gebildet werden. Die Umkristallisationen und Mineralneubildungen laufen im festem Zustand der Materie ab, als sogenannte Festkörperreaktionen. Nicht zuletzt soll hier auch die Kristallzüchtung im Labor oder unter industriellen Bedingungen erwähnt werden, vor allem, weil neue Minerale und Kristalle oder kristalline Strukturen der Materie zu den Grundsteinen der modernen Technik geworden sind.

Korrekt müsste im Falle der Minerale von Ionen und nicht von Atomen gesprochen werden. Um das Lesen zu erleichtern, wird im Text immer Atom(e) anstatt Ion(e) verwendet.

A. K. Schuster

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