Kristallin vs. Amorph

Die Begriffe „kristallin“ und „amorph“ werden in der Mineralogie verwendet, um die dreidimensionale Anordnung der Bausteine in einem Festkörper zu beschreiben. Bausteine sind Atome, Ionen und Moleküle, die miteinander einen definierten Festkörper – z.B. ein Mineral oder ein Glas – aufbauen. Kristalline und amorphe Festkörper unterscheiden sich hinsichtlich der Fernordnung.

Achtung:
In diesem Artikel wird der Begriff kristallin als Gegensatz zu amorph im Kontext der Mineralogie verwendet. Der Begriff Kristallin wird in der Geologie im Sinne eines kristallinen Grundgebirges verwendet und bezeichnet die dort vorhandenen Magmatischen und Metamorphen Gesteine.

Kristalline Festkörper = Kristalle

Der Begriff „kristallin“ leitet sich von „Kristall“ ab und bezeichnet Materialien, in denen die Atome, Ionen oder Moleküle in einer regelmäßigen Anordnung (Kristallstruktur) vorliegen. Diese kleinste Kombination von Bausteinen, die sich in alle Richtungen über Translation (und/oder Rotation) wiederholt, wird als Einheitszelle (= Elementarzelle) bezeichnet. Erstreckt sich dieses periodisch wiederholende Muster über einen großen, “fernen” Bereich, spricht man von Fernordnung; der Festkörper ist kristallin, da er eine Kristallstruktur besitzt.

Ein Beispiel für einen kristallinen Festkörper ist Quarz, einer der möglichen kristallinen Siliziumdioxid (SiO₂) Modifikationen.

Beachte:

Sind Minerale, deren Kristallstruktur Defekte oder Unregelmäßigkeiten aufweisen plötzlich amorph?

Nein, das sind sie nicht. Defekte und Unregelmäßigkeiten sind bei Mineralen gar nicht so selten. Gitterdefekte können die Eigenschaften von Kristallen verändern. Ein markantes Beispiel ist die Änderung der Farbe von Mineralen, wie beim farbenfrohen Fluorit. Es ändert sich „nur“ die Nahordnung, während die Fernordnung weiterhin vorhanden ist. Die systematische Untersuchung von Defekten in der Kristallstruktur wird heutzutage genutzt, um deren Eigenschaften für technische Anwendungen zu verbessern.

Amorphe Festkörper

Der Begriff „amorph“ stammt aus dem Griechischen und steht für „formlos“. Anders als bei kristallinen Festkörpern, werden in der Mineralogie Materialien als amorph (also nicht kristallin) bezeichnet, wenn sie keine geordnete Struktur (Fernordnung) besitzen. Dies schließt jedoch nicht aus, dass es lokal begrenzt eine geordnete Anordnung der Bausteine vorliegt, die ein Muster darstellen (die sogenannte Nahordnung). Betrachtet man aber einen größeren Bereich, liegt kein regelmäßiges Muster vor - es fehlt die Fernordnung.

Amorphe Festkörper kennst du auch aus deinem Alltag. Das bekannteste ist Glas. SiO₂ kann sowohl kristallin als auch amorph vorkommen. Im amorphen Zustand handelt es sich um Quarzglas oder Opal (der enthält zusätzlich noch Wasser, was ihn trüb macht), im kristallinen Zustand kommt SiO₂ in verschiedene Modifikationen (Tiefquarz, Hochquarz, Coesit, Stishovit, Tridymit, Cristobalit) und Varietäten (Amethyst, Rauchquarz, Rosenquarz, Milchquarz, Citrin, etc.) vor (siehe Beispiel Quarz vs Quarzglas).

Tipp:
Mittels Polarisationsmikroskopie kannst du ganz leicht erkennen, ob es sich um eine amorphe oder kristalline Phase handelt: Amorphe Phasen sind optisch isotrop, d.h. unter gekreuzten Polarisatoren erscheinen sie schwarz.

Wusstest du, dass...

Gläser können entglasen! Klingt doch spannend, aber was bedeutet das?

Eine Entglasung erfolgt, wenn das Glas beginnt, Kristalle auszuscheiden. Dies kann man bei alten Kirchenfenster beobachten, sie erscheinen mit der Zeit trüb. Dabei ordnen sich die Atome sukzessive erst in einem Nahbereich (Nahordnung) und diese Kristallkeime fangen an zu wachsen bis über die Zeit eine Fernordnung erreicht wird und sich winzige Kristalle ausscheiden.

Vulkanische Gläser

Bei vulkanischen Gläser wie der Obsidian handelt es sich ebenfalls um amorphe Phasen. Sie werden zur Gesteinsgruppe der Vulkanite gezählt. Grund ist die Heterogenität dieser Gläser hinsichtlich der Zusammensetzung und des Chemismus.

Wusstest du, dass...

Vulkanische Gläser sind ursprünglich Gesteinsschmelzen (Magma) und sie entstehen, wenn sie sehr schnell abgekühlt werden (Abschrecken) und damit die Struktur der Schmelze “eingefroren” wird. Das geht am einfachsten, wenn Lava in Kontakt mit Wasser kommt. Aber auch in Pyroklastika kann durch die schnelle Abkühlung an der Luft Glas enthalten sein. Gerade bei Vulkaniten ist der Glasanteil ein charakteristisches Merkmal und Teil der Gesteinsbeschreibung.

Vulkanite, die keinen Glasanteil aufweisen, werden als holokristallin bezeichnet, das heißt, sie sind vollständig auskristallisiert.
Vulkanite, die komplett aus Glas bestehen bezeichnet man als hyalin.
Vulkanite, die sowohl Minerale als auch Glas enthalten bezeichnet man als hypokristallin.

Beispiel: Quarz vs Quarzglas

Sowohl Quarz als auch Quarzglas bestehen aus Siliziumdioxid (SiO₂). Der Unterschied zwischen den beiden liegt in der Fernordnung. Quarz ist kristallin, Glas ist amorph. Zur Veranschaulichung dient nachfolgende zweidimensionale Anordnung der Atome Silizium und Sauerstoff.

Schau dir beide Bilder genau an. Es fallen drei Beobachtungen auf!

In beiden Abbildungen wechseln sich Silizium (graue Kugeln) und Sauerstoff (blaue Kugeln) ab.
In der linken Abbildung kannst du viele wunderschöne Sechsecke erkennen, die in einer Wabenstruktur angeordnet sind. Wenn du dir jetzt eine Wabe aussuchst, kannst du sie in alle Richtungen kopieren. Dadurch entsteht im dreidimensionalen Raum die Fernordnung vom Quarz.
In der rechten Abbildung ist eine regelmäßige Anordnung vergeblich zu suchen. Von einer Fernordnung kann nicht die Sprache sein. Hierbei handelt es sich um amorphes Quarzglas.

Beachte:
Der Einfachheit halber haben wir hier eine zweidimensionale Darstellung gewählt. Eine Kristallstruktur ist immer dreidimensional. Erfahre mehr über Kristallstrukturen hier!

Weitere Informationen und Literatur

Schröcke H., Weiner K.-L. (1981) Mineralogie - Ein Lehrbuch auf systematischer Grundlage.

Okrusch M., Matthes S. (2013) Mineralogie - Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde.

Markl G. (2004) Minerale und Gesteine - Eigenschaften - Bildung - Untersuchung.

Autor:innen

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Phil Lavorel, Donjá Aßbichler

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