Wachstum und Lösung von Kristallen

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Es gibt Fragen, die sich sicher schon manchem aufgedrängt haben, wenn man so durch die mineralogischen oder geologischen Sammlungen streift und die Exponate bewundert. Die meisten der ausgestellten Minerale liegen als klar erkennbare Kristalle vor, mit mehr oder weniger geraden Kanten und glatten Flächen.

Wie schafft es die Natur, die uns sonst oft genug so chaotisch und schief daherkommt, hier so wunderschöne und oft völlig symmetrische Formen zu bilden?

Die Antwort führt über die Vorstellungen von Kossel (1927) und Stransky (1928), nach denen ein neuer Baustein keine beliebige Position an einem entstehenden Kristall einnehmen kann, denn jede Position unterscheidet sich durch ihren Energiegewinn, den eine Anlagerung dort bringt. Stark vereinfacht sieht das im Modell so aus:

Wir haben hier 6 mögliche Positionen, die ein neuer Baustein einnehmen kann. Für die Position 1 ist der Energiegewinn am höchsten, in absteigender Reihenfolge stehen die Positionen 4 > 5 > 2 > 6 > 3.

Die Position 1 wird auch als Halbkristalllage bezeichnet, weil ein Baustein dort genau halb so viele Bindungen eingeht, wie einer im Inneren des Kristalls. Da diese Halbkristalllage bevorzugt wird, werden einmal begonnene Ketten komplettiert. Ebenso zeigt sich, dass einmal begonnene Netzebenen erst beendet werden, bevor die Bildung einer neuen Netzebene beginnt.

Kossel Kristall
Darstellung möglicher Anlagerungspunkte bei der Kristallisation, sogenannter Kossel-Würfel. Eigene Darstellung
 

An der Grenze zur Untersättigung werden freiliegende Kanten und Ecken aufgrund ihrer hohen Anzahl verfügbarer Bindungen und damit einhergehender hoher Oberflächenenergie von den anlagernden Bausteinen bevorzugt. Das bedeutet, dass hier die offenen Netzebenen zuerst vervollständigt werden. Dies führt dann zu geraden, linear begrenzten Wachstumsflächen. Wenn das Kristallwachstum lange genug anhält , verschieben sich diese Flächen langsam parallel nach Außen. Entscheidend ist dabei die Wachstumsgeschwindigkeit der einzelnen Flächen in Richtung ihrer Flächennormalen (einer gedachten Linie, die senkrecht auf der Kristallfläche steht).

Bei höherer Übersättigung werden auch weniger günstige Anlagerungspunkte attraktiv. Oft entstehen dann viele verschiedene neue Kristallindividuen und Kristallrasen.

Kristallwachstum
Schematisches Wachstum eines Kristalls mit unterschiedlicher Wachstumsgeschwindigkeit in verschiedenen Richtungen. Die Pfeile entsprechen der Wachstumsgeschwindigkeit in Richtung der Flächennormalen. Flächen, in deren Richtung eine hohe Wachstumsgeschwindigkeit herrscht, verschwinden zugunsten von langsameren. Eigene Darstellung

Annäherungsweise ist das Wachstum für jede Fläche einzeln konstant,  die Flächen untereinander aber können sich sehr wohl in ihrer Wachstumsgeschwindigkeit unterscheiden. Das führt dann dazu, dass sich Flächen mit einer relativ geringen Wachstumsgeschwindigkeit ausdehnen, während Flächen mit einer höheren Wachstumsgeschwindigkeit langsam kleiner werden und letztlich sogar verschwinden können. Der so gebildete Kristall wird also von den Flächen mit dem langsamsten Wachstum begrenzt. Dabei können die Wachstumsgeschwindigkeiten einzelner Flächen sehr empfindlich auf einzelne physikalisch-chemische Parameter in der Lösung reagieren. Aus diesem Grund gleicht kaum ein natürlicher Kristall dem anderen. Aus dem unterschiedlichen Wachstum der einzelnen Kristallflächen resultieren die Kristalltracht, also die Gesamtheit der am Kristall entwickelten Flächen und das Kristallhabitus, welcher das Größenverhältnis dieser Flächen zueinander beschreibt.

Zirkon_375

Zirkonkristall aus einem Granit der Eastern Desert. Eigenes Foto, CC-Lizenz.

Manchmal kann man auch versuchen, aus dem Habitus einer Mineralpopulation in einem Gestein auf die Bildungsbedingungen zu schließen. Es gab einige Versuche dazu, zum Beispiel beim Zirkon von Pupin (1980) und seinen diversen Nachfolgern (zu denen ich mich irgendwie auch zählen darf).

Die Auflösung eines Kristalls kann vereinfacht gesagt als eine umgekehrte Kristallisation verstanden werden, wobei für die Abtrennung eines Bausteins die Abtrennungsarbeit geleistet werden muss. Daher sollte nach den Vorstellungen von Kossel (1927) und Stransky (1928) auch hier mehr oder weniger glatte Flächen zu erwarten sein, weil der Abbau einer einmal angegriffenen Netzebene einfacher zu bewerkstelligen ist als den Angriff auf eine neue, intakte.

In der Natur (und in der Simulation unten) zeigt sich aber, dass ein verstärkter Abbau vor allem an den Ecken und den Kanten eines Kristalls stattfindet. Denn hier haben die betreffenden Bausteine weniger Bindungen zu ihren Nachbarn als in den Flächen, und je weniger Bindung vorhanden sind, desto leichter lässt sich der Baustein überreden, den Kristall zu verlassen und in Lösung zu gehen. Die Monte-Carlo Simulation unten zeigt es deutlich.

Die Lösung greift also bevorzugt an den Ecken und kanten an, der “Lochfraß” in den Flächen ist demgegenüber vergleichsweise gering. Das führt schnell dazu, dass der so angegriffene Kristall seine klar definierten Kanten verliert und mit fortschreitender Lösung immer rundlicher wird. In der Simulation unten hängt die Farbe des betreffenden Bausteins mit den jeweiligen Bindungen zusammen. Rotbraune Bausteine haben jeweils fünf Bindungen, hellbraune vier, gelbe drei und rote nur zwei Bindungen zu ihren Nachbarn. Zu Beginn scheint der Kristall einfarbig, aber schon nach kurzer Zeit zeigen sich die Schwachstellen farblich. In den Flächen dürften die Hauptangriffspunkte meist auf Defekten im Kristallgittern beruhen, wie sie zum Beispiel Zwillingsbildungen oder Domänengrenzen darstellen. Die hier entstehenden Lösungs- oder auch Ätzgruben zeigen meist eine für den betreffenden Kristall charakteristische Form, die auf der Kristallsymmetrie beruht.


Kossel, W.: “Zur Theorie des Kristallwachstums.” Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse 1927 (1927): 135-143. <http://eudml.org/doc/59220>.

Stransky, I.N.I.: Zur Theorie Des Kristallwachstums. Zeitschrift für physikalische Chemie”, vol. 136, N° 3/4, 1928.

J. P. Pupin: Zircon and Granite petrology. Contributions to Mineralogie and Petrololgy 73, Seiten 207-220. 1980

Gunnar Ries studierte in Hamburg Mineralogie und promovierte dort am Geologisch-Paläontologischen Institut und Museum über das Verwitterungsverhalten ostafrikanischer Karbonatite. Er arbeitet bei der CRB Analyse Service GmbH in Hardegsen. Hier geäußerte Meinungen sind meine eigenen

4 Kommentare

  1. Mir ist nicht ganz klar, warum Position 5 ein höheres Potential als 2 besitzt und worin der Unterschied zwischen 2 und 4 liegt.
    Das konnte ich so aus dem Link nicht entnehmen und ich dachte ich frage lieber hier als stundenlang im WWW zu suchen.

    Grüße

    • Wenn ich mich recht entsinne (meine Kristallographie-Kurse liegen schon ein klein wenig zurück) liegt das an den elektrostatischen Potentialen. Streng genommen gilt das nur für Na-Cl-Kristalle, also Kochsalz. Der Unterschied zwischen Position 5 und Position 2 ist nicht besonders groß. Vermutlich hat eine Eckposition einfach leichte energetische Vorteile, während bei Position 2 die Einzelladungen sich gegenseitig ein wenig kompensieren.

  2. Die beschriebene Auflösung von den Ecken und Kanten her wird „in der freien Wildbahn“ von einem zweiten Effekt begleitet, nämlich der Zersetzung der Kristalle entlang von Störungen und Defekten im Gitter. Das führt zu heftigem Lochfraß, der bis ins Innere auch von großen Kristallen reicht. Das kommt zum Beispiel in bestimmten Gesteinen flächendeckend vor und ist mit bloßem Auge erkennbar.

    Exakt der gleiche Lochfraß spielt sich wohl auch bei elektrochemischer Korrosion ab. Beim Tausch einer Opferanode aus Magnesium (Boiler) fiel mir ebenfalls die sehr ungleichmäßige Korrosion auf. Nun ist ein Magnesiumstab kein monokristallines Gebilde, aber ich denke trotzdem, daß es da Parallelen gibt.
    (Wie bindet man hier ein Bild ein?)

    Gruß
    Matthias

    • Der “Lochfraß” an den Gitterstörungen ist aber nicht zu verwechseln mit dem Phänomen der Tafoni-Verwitterung, wo tatsächlich einzelne Minerale aus dem Gesteinsverband auffällig verwittern und Löcher bilden.

      Die Opferanoden stellen meist polykristalline Gebilde dar, in denen die kristallographischen Richtungen zufällig orientiert sind. Wenn die Kristalle nun bezüglich ihrer Löslichkeit anisotrop sind, also die Verwitterung in bestimmten Richtungen unterschiedlich schnell abläuft, kommt es sicher auch zu dem beobachteten Phänomen.

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