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Schatzschmiede Erde Gold, Edelsteine, Minerale

Glitzernd, schillernd und einmalig: Diamanten, Smaragde, Bergkristalle, Gold und Silber. Sie alle haben ihren Ursprung im heißen Inneren unserer Erde. Um ihre Entstehung zu verstehen, muss man viel Druck machen!

Stand: 13.04.2016

Hunderte Kilometer unterhalb der Erdkruste, der festen Oberfläche auf der sich unser Leben abspielt, betreibt die Natur ein riesiges Chemielabor. In dieser Tiefe ist es unglaublich heiß und es herrscht ein unfassbarer Druck. Hier verformt sich das Gestein und verflüssigt sich. Hier entstehen über Jahrmillionen Kristalle, Edelsteine und Metalle wie Kupfer, Gold und Silber.

Daran erkenne ich ...

Minerale

Quarz in Schiefer

Ein Mineral ist ein fester, anorganischer und homogener Baustein der Gesteine mit einer definierten chemischen Zusammensetzung.

Normalerweise hat es eine bestimmte Kristallstruktur und setzt sich aus einer einheitlichen chemischen Verbindung zusammen. Beispiel Quarz: SiO2.
Es wird durch geologische Vorgänge gebildet oder stammt von anderen Himmelskörpern wie Meteoriten.

Man unterscheidet zwischen
- ursprünglichen = primären Mineralien: Silikate, Quarz und Calciumcarbonate
- neugebildeten = sekundären Mineralien: Tonminerale, Oxide und Hydroxide

Mineralien bestehen aus Atomen, Ionen und Anionen.
Alle Gesteine der Erde und der Himmelskörper, ausgenommen der natürlichen Gläser, zählen zu den Mineralien.
Rund 4.600 Minerale sind bekannt. Sie werden durch Kirstallisation, Schmelzen, in wässrigen Lösungen oder Gasen gebildet. Zunächst lagern sich mehrere Atome und Ionen zusammen und bilden einen sogenannten Kristallisationskeim. Ab einer bestimmten Größe und unter bestimmten Umständen, bildet sich dieser weiter und es entsteht ein Mineral.

Ein Beispiel: Dieser Prozess kann dadurch ausgelöst werden, dass die Temperatur einer Flüssigkeit unter ihren Schmelzpunkt sinkt. Auf diese Weise kristallisieren aus der heißen Gesteinsschmelze eines Vulkans, dem Magma, Mineralien aus.

Kristalle

Eisblumen

Ein Kristall ist ein einheitlich zusammengesetzter Festkörper, der aus homogenen Bausteinen, also aus Atomen, Ionen und Molekülen aufgebaut ist.
Idealerweise ist er regelmäßig in einem Kristallgitter angeordnet und unterliegt einer Symmetrie.
Die Form eines Kristalls hängt von seiner chemischen Zusammensetzung und der Gitterstruktur ab.
Viele Eigenschaften des Kristalls hängen von der Raumrichtung der Anordnung ab, zum Beispiel, die Wärmeleitfähigkeit oder ob und wie ein Kristall spaltbar ist.

Viele Mineralien bilden aufgrund ihrer inneren Struktur Kristalle aus.

Der Wachstumsprozess beginnt, indem eine Kristallisation vorliegt: Ein Festkörper wächst, wenn seine atomaren Bestandteile in der Umgebung vorliegen und im richtigen Verhältnis in die Kristallstruktur eingebaut werden können.

Große Kristalle mit gut ausgebildeten Flächen entstehen durch langsames und stetiges Wachstum unter einer bestimmten Temperatur. Dazu benötigen sie genügend Platz und sie dürfen nicht durch andere Kristalle behindert werden. Deshalb bilden sich die meisten großen Mineralien in offenen Räumen im Gestein, etwa in offenen Klüften oder in Drusen, ehemaligen Hohlräumen im Gestein.

Beispiele für Kristalle sind: Kochsalz, Zucker, Minerale, Schnee und die Metalle.

Metalle

Gold- und Silberbarren

Metalle machen rund 80 Prozent der chemischen Elemente unseres Periodensystems aus. Dabei ist der Übergang zu Nichtmetallen und Halbmetallen fießend.

Metalle verfügen über charakteristische Eigenschaften:

- Sie verfügen über eine hohe elektrische Leitfähigkeit und damit über einen geringen elektrischen Widerstand.
- Sie leiten Wärme gut.
- Sie sind verformbar.
- Sie verfügen über eine metallisch glänzende Oberfläche.
- Sie sind undurchsichtig.

Alle diese Eigenschaften beruhen darauf, dass der Zusammenhalt der betreffenden Atome mit der metallischen Bindung erfolgt, deren wichtigstes Merkmal die im Gitter frei beweglichen Elektronen sind. Ein einzelnes Atom dieser Elemente hat keine metallischen Eigenschaften und ist kein Metall. Erst wenn mehrere solcher Atome miteinander in einer Wechselwirkung stehen und eine metallische Bindung besteht, haben diese Atomgruppen metallische Eigenschaften.

Metalle werden aufgrund ihrer Dichte in Schwer- und Leichtmetalle aufgeteilt.
Aufgrund ihrer Fähigkeit chemische Reaktionen einzugehen werden sie in Edelmetalle und unedle Metalle eingeteilt.

Edelsteine

Blauer Ceylon-Saphir

Als Edelsteine bezeichnet man seltene Mineralien, die sich durch ihre einzigartigen Formen und Farben, ihre Widerstandsfähigkeit und Härte auszeichnen. Edelsteine entstehen tief in der Erde, unter hohem Druck und bei sehr hohen Temperaturen. Durch vulkanische Aktivitäten werden sie an die Oberfläche gebracht und in Minen und Stollen abgebaut.

Edelsteine erfüllen drei Kriterien:
- sie sind selten
- sie sind härter als Moshärte 7
- sie sind transparent

Jede Edelsteinsorte basiert auf einer bestimmten chemischen Zusammensetzung. Außerdem werden Edelsteine nach der Art ihres Kristallgitters unterschieden.

Die Qualität eines Minerals hängt von unterschiedlichen Kriterien ab, die je nach Steinart auch noch variieren können. Wichtig für den Wert eines Steins sind zum Beispiel: Transparenz, Reinheit, Seltenheit oder Farbe. Bei einem Diamanten bestimmen der Schliff, das Gewicht in Karat, die Farbe und die Reinheit den Wert.

Zu den Edelsteinen zählen unter anderen: Amethyst, Granat, Rubin, Saphir, Smaragd, Topas und der Diamant, obwohl es sich bei ihm um eine spezielle kristalline Erscheinungsform elementaren Kohlenstoffs handelt. Edelsteine werden meistens so geschliffen, dass sich die Lichtreflexionen erhöhen.

Schatzschmiede im Labor

Um zu verstehen, wie Mineralien, Edelsteine, Metalle oder Kristalle entstehen und was im Inneren der Erde geschieht, werden im Labor am Bayerischen Geoinstitut in Bayreuth die Prozesse in der Tiefe der Erde nachgestellt. Dazu werden kleinste Kapseln, die nicht größer als ein Streicholz sind, mit Mineralien gefüllt.

Mit Hochdruckapparaturen werden sie bei Temperaturen um 800 Grad Celsius mit einem Druck von bis zu 5.000 Tonnen zusammengepresst. Durch die Schmelze unter diesen Bedingungen kann man Gestein in seine Bestandteile zerlegen und untersuchen, wie viel Kupfer und Gold enthalten ist und was passiert, wenn man die Metalle mit Schwefel oder Chlor anreichert.

Die Gewinnung von Kupfer

Die größte offene Kupfermine der Welt

Ob man Edelmetalle fördern kann, hängt zunächst auch von den Prozessen im Erdinneren ab. Beispiel: Kupfer. Im Alltag begegnet es uns vom Centstück bis hin zur Dachrinne. Wegen seiner elektrischen Leitfähigkeit wird es in Computern, Stromleitungen und in der Automobilindustrie genutzt. Aber Kupfer ist in der Erdkurste ein extrem seltener Bestandteil.

Wo findet man Edelmetalle?

Goldadern im Schacht einer Goldmine

Wo man Kupfer findet, hängt vom Prozess der Gesteinsschmelze im Erdinneren ab: Bei hohem Druck und hoher Temperatur kocht das Gestein zu einer zähen Schmelze, dem sogenannten Magma, zusammen. Dieses Magma enthält Spuren von Wasser, das verdampft. Bestimmte winzige Spurenelemente, wie zum Beispiel Kupfer, werden durch den Dampf und verschiedene chemische Prozesse dem Magma entzogen und lagern sich dann in feinen Rissen und großen Spalten an. Das sind dann die sogenannten "Adern". Auch bei Gold passiert Ähnliches: In Strängen von Quarz lagert sich das Metall in feinen Linsen und großen Nuggets ab. Diese metallenen Schätze liegen in hunderten Kilometern Tiefe. Bevor der Mensch sie erreichen kann, muss die Natur noch einmal helfen.

Welches Metall aus dem Magma herausgelöst wird, hängt unter anderem davon ab, wie heiß es in dem unterirdischen "Schnellkochtopf" ist und welche Spurenelemente, Salze, Kristalle und so weiter noch zu finden sind. Kupfer sammelt sich beispielsweise, wenn gelöstes Kochsalz, Chlorid, mit im Spiel ist. Bei Gold kommt es auf die Schwefelverbindungen im Erdinnern an.

Das Besondere an Silber

In den oberen Bereichen der Erdkruste befindet sich das Silbererz in Erzgängen. Der Silberabbau konnte Anfang des 16. Jahrhunderts als erstes beginnen, da das Metall nicht tief lagerte. Silber befindet sich als Element im Periodensystem unterhalb von Kupfer und oberhalb von Gold. Diese Elemente sind relativ weiche Metalle, man kann sie leicht formen - was bei der Schmuckherstellung genutzt wird -, aber sie haben eine relativ hohe Dichte.

Feine Muster in Silberschmuck

Silber hat eine der höchsten elektrischen Leitfähigkeiten aller Elemente und die höchste thermische Leitfähigkeit aller Metalle. Es reflektiert Licht zu 95,5 Prozent, ebenfalls mehr als alle anderen Metalle, und wird daher bei der Herstellung von Spiegeln verwendet. Da Silber - ähnlich wie Gold - kaum chemische Verbindungen eingeht, ist es ein Edelmetall, allerdings nicht ganz so edel wie Gold und Platin.

Die Welt der Kristalle

Pyrit oder Katzengold

Auch die Kristalle bilden sich im Erdinneren: Atome und Moleküle bilden Kristallgitter - sind diese von innen nach außen perfekt, kann auch ein pefektes Kristall wie Pyrit entstehen, bei dem sich Eisen und Schwefel im Verhältnis 1:1 anlagern. So ergibt sich eine perfekte Würfelform, die schon im Kristallgitter angelegt ist.

Ein perfekt gewachsenes Mineral

Bergkristall

Damit aus einem Mineral ein Kristall wird, müssen die optimalen Bedingungen für sein Wachstum herrschen. So wird Quarz zum Bergkristall, wenn die entsprechende Temperatur vorherrscht und genügend Platz vorhanden ist. Ist das Quarz, chemisch Siliciumdioxid (SiO2), beengt, bleibt es ein einfacher weißer Klumpen. Hat der Kristallisationskeim aber genügend Raum um sich, formen sich langsam die typischen, bleistiftförmigen Spitzen der Bergkristalle. Chemisch bleibt es ein Quarz, aber aufgrund seines perfekten Äußeren ist es zum Kristall geworden. So ist ein Kristall also nichts anderes, als ein perfekt gewachsenes Mineral.

Ein Edelstein muss hart sein

Die Härte eines Schmucksteins macht ihn zum Edelstein. Dabei geht man entweder von seiner Ritzhärte nach Mohs aus oder von seiner absoluten Schleifhärte. Die Ritzhärte ist nach dem deutschen Mineralogen Friedrich Mohs benannt, der sie einführte. Unter dieser Ritzhärte versteht man den Widerstand, den ein Mineral beim Ritzen mit einem scharfkantigen Gegenstand entgegensetzt. Unterteilt ist die Tabelle von 1 - 10:

HärteMineralPrüfung
1Talkmit Fingernagel schabbar
2Gipsmit Fingernagel ritzbar
3Calcitmit Kupfermünze ritzbar
4Fluoritmit Messer leicht ritzbar
5Apatit, Türkis, Lapislazulimit Messer noch ritzbar
6Orthoklas, Titanmit Stahlfeile ritzbar
7Quarz, Amethystritzt Fensterglas
8Topasritzt Quarz
9Korund, Rubin, Saphirritzt Topas
10Diamantritzt Korund

Damit ein Schmuckstein Edelstein genannt werden darf, muss er eine Härte von 7 haben. Der Diamant hat eine Härte von 10 und gilt als der härteste. Neben der Härte ist bei einem Edelstein auch wichtig, dass er eine besondere Farbe, Klarheit und einen außergewöhnlichem Glanz aufzuweisen hat. Je seltener er dann zu finden ist, desto teurer wird er.


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