Smithsonian Education – Mineralien, Kristalle und Edelsteine

Mineralien: Die Bausteine
Mineralien entstehen durch Flüssigkeit, Hitze und Druck und verblüffen uns mit ihren atemberaubenden Farben und Formen und erstaunen uns mit ihrem Nutzen. Sie werden unter der Erde geschmiedet, wo Kräfte, die seit Milliarden von Jahren am Werk sind, immer wieder neue Mineralien bilden. Ein Mineral ist ein natürlich vorkommender, anorganischer (nicht lebender) Feststoff mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung.
Wenn die Schülerinnen und Schüler in ihrer eigenen Umgebung nach Mineralien suchen, finden sie vielleicht ein einzelnes Mineral wie Marmor, der aus reinem Calcit besteht. Wahrscheinlich werden sie aber auch Gesteine finden, die Mischungen aus zwei oder mehr Mineralien sind. Granit zum Beispiel, mit seinen winzigen bunten Körnern, besteht aus Quarz, Feldspat und Glimmer.
Kristalle: Die Form
Die meisten Mineralien kommen in der Natur als Kristalle vor. Jeder Kristall hat ein geordnetes inneres Muster von Atomen und eine besondere Art, neue Atome in dieses Muster einzuschließen und es immer wieder zu wiederholen. Die Form des entstehenden Kristalls – z. B. ein Würfel (wie Salz) oder eine sechseckige Form (wie eine Schneeflocke) – spiegelt die innere Anordnung der Atome wider. Wenn Kristalle wachsen, führen Temperaturunterschiede und die chemische Zusammensetzung zu faszinierenden Veränderungen. Allerdings werden die Schülerinnen und Schüler in ihrem Garten nur selten die perfekt geformten Mineralkristalle finden, die sie in einem Museum sehen. Das liegt daran, dass Kristalle ideale Wachstumsbedingungen und Platz zum Wachsen brauchen, damit sie ihre geometrische Form und flache Oberfläche zeigen können. Wenn viele verschiedene Kristalle nebeneinander wachsen, verflechten sie sich zu einer konglomerierten Masse. Dies ist bei den meisten Gesteinen der Fall, so auch beim oben erwähnten Granit, der aus vielen winzigen Mineralkristallen besteht. Die hier abgebildeten Exemplare in Museumsqualität wuchsen in einer geräumigen Umgebung, in der sich die geometrischen Formen ungehindert bilden konnten.
Die innere Anordnung der Atome bestimmt alle chemischen und physikalischen Eigenschaften der Mineralien, einschließlich der Farbe. Durch die Wechselwirkung von Licht mit verschiedenen Atomen entstehen unterschiedliche Farben. Viele Minerale sind in ihrem reinen Zustand farblos; Verunreinigungen der atomaren Struktur verursachen jedoch Farbe. Quarz zum Beispiel ist normalerweise farblos, kommt aber je nach Anzahl und Art der Verunreinigungen in seiner Struktur in einer Reihe von Farben von Rosa über Braun bis hin zum tiefen Violett des Amethysts vor. In seinem farblosen Zustand ähnelt Quarz dem Eis. Die Wurzel des Wortes Kristall stammt vom griechischen Wort krystallos – Eis – ab, denn die alten Griechen glaubten, dass klarer Quarz so hart gefrorenes Eis sei, dass es nicht schmelzen könne.
Wissenschaftler beschreiben Kristalle normalerweise als „wachsend“, obwohl sie nicht lebendig sind. In unterirdischen Gärten verzweigen sie sich, wenn sich Billionen von Atomen in regelmäßigen dreidimensionalen Mustern verbinden. Jeder Kristall beginnt klein und wächst, wenn mehr Atome hinzugefügt werden. Viele wachsen aus Wasser, das reich an gelösten Mineralien ist, aber sie wachsen auch aus geschmolzenem Gestein und sogar aus Wasserdampf. Unter dem Einfluss unterschiedlicher Temperaturen und Drücke verbinden sich die Atome zu einer erstaunlichen Vielfalt von Kristallformen. Es ist diese Vielfalt und Perfektion von Form und Symmetrie, die Wissenschaftler seit langem zur Erforschung von Mineralien veranlasst.Symmetrie ist ein regelmäßiges, sich wiederholendes Muster von Bestandteilen. Symmetrie ist in der Natur allgegenwärtig – die gepaarten Flügel eines Schmetterlings, die Quirle und Blütenblätter einer Sonnenblume, das Muster einer Schneeflocke, die Beine einer Spinne – und Mineralien bilden da keine Ausnahme. In Kristallen kommen diese sich wiederholenden Muster in der atomaren Grundstruktur vor und spiegeln das Muster der Kristallflächen wider. Oft kann man die charakteristische Symmetrie eines Mineralkristalls mit bloßem Auge erkennen, aber wenn der Kristall winzig ist, muss man ihn vielleicht mit einer Lupe oder einem Mikroskop betrachten (wie in Lektionsplan 2 gezeigt wird). Das Erkennen von symmetrischen Mustern in Kristallen kann anfangs schwierig sein, aber Erfahrung hilft: Je mehr Proben du betrachtest, desto mehr Symmetrie – und Kristalle – wirst du erkennen. Manche Exemplare haben jedoch keine wohlgeformten Kristalle und sind selbst für Experten schwer zu klassifizieren.