Arbeitsblatt: Was ist ein Kristall?

Was ist ein Kristall? Die Bedeutung des Wortes Kristall (griech. krystallos Eis) leitet sich aus der Antike ab. die Menschen, der Bergkristall sei sehr altes, zu Stein gewordenes Eis. Noch lange Zeit meinte man ausschliesslich den Bergkristall. Erst später wurde der Begriff verallgemeinert. Früher glaubten mit Kristall Ein Kristall ist ein natürlich gewachsener, stofflich einheitlicher Festkörper. Charakteristisch für jede Kristallart ist ihre Form, die durch ebene Flächen, scharfe Kanten und konstante Winkel bestimmt ist. Unter idealen Bedingungen wächst ein und dieselbe Kristallart immer zur gleichen Form heran. Allerdings ist jeder Kristall nach seiner Form ein Individuum. So gibt es keine zwei Schneesterne, die sich völlig gleichen. Die Vielfalt kannst du aber auch anhand einer Tüte mit Kandiszucker studieren Dennoch haben alle Kristalle einer Art viel gemeinsam: Die relative Lage der Flächen zueinander, bestimmt durch die Winkel. Diese Regelmässigkeit kannst du leicht überprüfen. Für einen Kristall ist der Winkel zwischen den entsprechenden Flächen immer gleich gross, unabhängig von der Form des jeweiligen Kristalls. Jeder Kristall hat also eine bestimmte Kristallform, anhand derer du ihn eindeutig bestimmen kannst. Dazu kommen noch weitere, allgemeine und spezielle Kristalleigenschaften. Grund für die bestimmten, äusseren Eigenschaften ist, dass ein und dieselbe Sorte eines Kristalls das gleiche Kristallgitter besitzt. Hierbei handelt es sich um die dreidimensionale Anordnung von Teilchen im Inneren des Kristalls. Wie wächst ein Kristall? Du kannst dir vorstellen, dass Kristalle nicht pl ötzlich auftauchen, auch wenn es manch mal so aussieht. In der Natur wachsen sie eist sehr langsam. Kristalle bilden sich unter den verschiedensten Bedingungen: • aus ch elzen • durch Subli mation von Gasen • aus Lösungen Am Anfang ist der Keim Das Kristallwachstu beginnt mit der ge ordneten Zusam enlagerung der Kristallbausteine (Ato en, Molekülen oder Ionen), die sich zunächst in eine ungeordneten Zustand befinden. Es entsteht ein für dich unsichtbarer Kristallkei . Das Mediu ist entweder eine abkühlende ch elze, eine übersättigte, sich abkühlende Lösung oder (wie bei der Subli mation) übersättigter Dampf. Diese Zustände erreichst du, inde du entweder die Te mperatur des yste ms (z. B. der ch elze, des Dampfrau ms, der ösung) senkst oder Lösungs mittel verdunsten lässt. Wenn du selbst Kristalle züchten ö chtest, wirst du feststellen, dass Grenzflächen wie efässwände, Oberflächen anderer Kristalle oder Wollfäden sowie andere Fre mdpartikel den Phasenübergang von der ungeordneten in die ge ordnete feste Phase erleichtern. Die in der Lösung entstandenen Kei e wachsen zu Kristallen, die du mit de blossen Auge erkennen kannst. Sie wachsen ähnlich, wie die alten Ägypter ihre Pyramiden aufbauten. Baustein auf Baustein wird getür mt. Das kann flächig geschehen oder spiralig. Dabei lagern sich die Bausteine chicht für chicht zu eine regel mässigen, dreidi mensionalen Gitter zusam en. Damit ein Kristall pro Tag etwa ein bis zwei Millim eter wächst, müssen sich in jeder Sekunde Hunderte von Teilchenschichten anlagern. Die glatten Kristallflächen werden von Gitterebenen gebildet, und zwar von solchen, die besonders dicht mit Atomen besetzt sind und zwischen denen starke Bindungskräfte innerhalb der Struktur wirken. Glatte Gitterebenen sind energetisch günstiger als irgendeine unregelmässige Anordnung der Atome an der Oberfläche. Das kann man anhand von Tischtennisbällen oder mit Kugeln von DeoRollern zeigen. Wenn man die in eine Schale wirft, bilden sie mit etwas Schütteln hochgeordnete Strukturen. Kanten und Ecken: Kristall-Skelettwachstum Ein hohes chemisches Potential besitzen auch die Kanten und Ecken von Kristallen. Das erkennt man vor allem daran, dass beim Lösen eines Kristalls die Kanten zuerst abgerundet werden. Der Kristall fühlt sich weich an. Umgekehrt wachsen die Kanten und Ecken zuerst; deshalb fühlen sie sich beim wachsenden Kristall besonders scharf und spitz an. Ist die Konzentration der Bausteine in Lösung oder Gasphase besonders hoch, kann man statt Flächenwachstum Kanten und Spitzenwachstum beobachten. Man spricht übrigens von einem Kristallskelett. Dies ist besonders beim Schnee auffallend: Tieftemperaturschnee, der aus blauen, also scheinbar trockenem Himmel auf die Skipisten der Hochalpen fällt, besteht aus kleinen sechseckigen Prismen. Wenn der Wasserdampfgehalt aber sehr hoch ist, bilden sich sechseckige Schneesterne. Deren Form ist die Folge von bevorzugt an Kanten und Spitzen der sechseckigen Prismen ablaufendem Wachstum. Wie entsteht eine Schneeflocke? In der Atmosphäre bildet sich eine Schneeflocke, wenn die Temperatur unter 0 C liegt und die Luft an Wasserdampf übersättigt ist. Noch scheiden sich keine Eiskristalle ab, da der Kondensationskeim fehlt. Im Gegensatz zur Bildung von Eiskristallen reichen zur Entstehung kleiner Wassertröpfchen die in der Luft vorhandenen Staubpartikel aus. Obwohl die Temperatur unter 0 C liegt, bilden sich deshalb zunächst Flüssigkeitströpfchen. Nach einiger Zeit gehen die unterkühlten Wasserpartikel in Eiskristalle über, die durch Anlagerung weiterer Wassermoleküle aus dem Dampf wachsen. Je nach Temperaturbedingungen und Wachstumsgeschwindigkeit ergibt sich die Form der Eiskristalle. Ein Kristall stösst mit anderen zusammen, lagert sich an ihnen an, wächst so mit weiteren zu einer Schneeflocke. Wenn die Schneeflocken gross und schwer genug sind, fallen sie nach unten. Raureif Besonders spektakulär ist der lange Raureif an den Büschen und Bäumen, der sich in klaren, sehr kalten Nächten mit leichtem Wind bei Temperaturen unter 10 C anstelle von Tau bildet. Es handelt sich hier um Resublimation von Wasserdampf, der sich in der Luft befindet. Die langen Nadeln entstehen durch das Skelettwachstum. Die Luft hat beim Auftreffen auf einen kalten Gegenstand noch ausreichend viel Wasser geladen, das sie beim Entlangstreichen am Gegenstand oder bereits gewachsenen Eis ablagert. Dabei nimmt die Luftfeuchtigkeit ab. Bemerkenswerterweise wachsen die langen Nadeln dem Wind entgegen! Ist Schnee weiss? Nein er ist wasserklar durchsichtig. Da die Eiskristalle aber wie geschliffene Prismen wirken, werfen sie das Licht zurück. Das lässt den Schnee grellweiss erscheinen. Allerdings sind dicke Eisschichten wie auch das Wasser blaugrün gefärbt. Wieso sind tiefe Gewässer und dicke Eisschichten blaugrün gefärbt? Wasser moleküle und erscheinen Mit Lichtstrahlen reagieren nur sehr schwach miteinander. Darum geringe Wasser mengen, wie Tropfen oder Pfützen, farblos. zuneh ender Strecke, die ein Lichtstrahl durch Wasser zurücklegt, werden jedoch im er ehr rote und teilweise grüne Lichtanteile absorbiert. Die blaue Farbe wird dagegen reflektiert, also zurück geworfen. Deshalb hat das eigentlich durchsichtige Wasser einen Blauschi m er. Je mächtiger eine Wasserschicht ist, desto tiefer blau erscheint das ew ässer. Auch ist ein offenes Meer blauer als ein Küstengewässer. Das liegt daran, dass mitten in den Ozeanen kau gel öste Stoffe und Partikel schwim en. In Küstennähe treten die Wasserversch mutzungen häufiger auf und verändern je nach Art des Zusatzes die Farbe des Wassers. Wie eine Schneekanone funktioniert Im Winter bleibt immer mehr der Schnee aus. Das ist traurig für die Winterurlaubsorte in den Alpen. Deshalb machen die sich ihren Schnee selbst. Durch eine Röhre presst man Druckluft. Das sieht nicht nur wie ein Jettriebwerk aus, sondern hört sich auch so an. Mittels Düsen sprüht man feinstverteiltes Wasser in den Luftstrahl. Das sind einige Liter pro Sekunde! Der Wassernebel gefriert sofort (Resublimation) und sinkt als Schnee zu Boden. Das geht aber nur, wenn die Aussenlufttemperatur unter null Grad Celsius liegt. Ohne Nachteile ist die Kunstschneeherstellung nicht: Wasserverbrauch und Lärmbelästigung sind immens. Das Verfahren ist auch sehr energieaufwendig. Ausserdem droht der Kunstschneeherstellung ein Teufelskreis: Zur Bereitstellung der Energie wird u.a. CO 2 freigesetzt. Ausserdem wird durch das Anlegen von Skihängen und durch den Bergtourismus die Vegetation gestört. Somit steigt der CO2 Anteil in der Luft. Damit erwärmt sich die Erdatmosphäre weiter, wenn man den Modellen des Treibhauseffekts folgt. Das führt zum verstärkten Abschmelzen von Gletschern und Schnee, was wiederum verstärkten Einsatz von Schneekanonen nötig macht.