Kristalle und Kristallsysteme verständlich erklärt

Was ist ein Kristall?

Ein Kristall ist ein Festkörper, in dem Atome, Ionen oder Moleküle in einem regelmäßigen, sich wiederholenden Muster angeordnet sind. Dieses Muster nennt man Kristallstruktur. Glas ist zum Beispiel kein Kristall: Seine Bausteine sind ungeordnet, ähnlich wie in einer erstarrten Flüssigkeit. Fast alle Minerale sind dagegen kristallin, auch wenn man ihnen das nicht immer ansieht, weil sie oft als unregelmäßige Körner im Gestein wachsen.

Die Regelmäßigkeit im Inneren zeigt sich außen, wenn ein Kristall ungestört wachsen kann: Es entstehen ebene Flächen, gerade Kanten und feste Winkel zwischen den Flächen. Die Winkel zwischen entsprechenden Flächen sind bei allen Kristallen eines Minerals gleich, auch wenn die Kristalle unterschiedlich groß oder verzerrt gewachsen sind.

Kristallgitter und Elementarzelle

Um die Ordnung zu beschreiben, denkt man sich ein Gitter aus Punkten, an denen sich das Muster wiederholt. Der kleinste Baustein, aus dem sich das ganze Gitter durch Aneinanderreihen aufbauen lässt, ist die Elementarzelle. Sie ist ein Parallelepiped, beschrieben durch drei Kantenlängen (a, b, c) und drei Winkel (α, β, γ) zwischen den Kanten.

Kombiniert man die möglichen Formen der Elementarzelle mit den möglichen Zentrierungen, ergeben sich 14 Bravais-Gitter, benannt nach dem französischen Physiker Auguste Bravais. Berücksichtigt man alle Symmetrieoperationen, kommt man auf 32 Kristallklassen und 230 Raumgruppen. Für die Bestimmung von Mineralen reicht meist die grobe Einteilung in Kristallsysteme.

Die sieben Kristallsysteme

Hexagonal und trigonal werden zur hexagonalen Kristallfamilie zusammengefasst. Manche englischsprachige Nachschlagewerke, etwa das Handbook of Mineralogy, ordnen Quarz und Calcit deshalb „hexagonal" zu und geben die trigonale Symmetrie über die Punktgruppe an. In der deutschsprachigen Mineralogie ist die Angabe „trigonal" üblich.

Symmetrie sehen lernen

Kristallsysteme unterscheiden sich durch ihre Symmetrie: durch Drehachsen, Spiegelebenen und Symmetriezentren. Eine vierzählige Drehachse etwa bedeutet, dass ein Kristall nach einer Vierteldrehung wieder gleich aussieht.

• Ein Fluorit-Würfel besitzt drei vierzählige Achsen durch die Flächenmitten und vier dreizählige durch die Raumdiagonalen.
• Ein Quarzkristall hat eine dreizählige Hauptachse entlang der Säule. Seine sechs Prismenflächen täuschen eine höhere Symmetrie vor; die Endflächen zeigen oft, dass sich große und kleine Flächen abwechseln.
• Pyritwürfel tragen feine Streifen, die auf benachbarten Flächen quer zueinander liegen. Dadurch fehlen ihm die vierzähligen Achsen eines idealen Würfels. Mehr dazu bei Pyrit.

Gleiche Chemie, andere Struktur

Dieselbe chemische Zusammensetzung kann in unterschiedlichen Kristallstrukturen auftreten. Man spricht von Polymorphie. Bekannte Beispiele:

Diamant und Graphit zeigen am eindrucksvollsten, wie sehr die Struktur die Eigenschaften bestimmt: Beide bestehen nur aus Kohlenstoff, doch Diamant ist das härteste Mineral und Graphit eines der weichsten.

Kristalle bilden sich nicht nur in der Natur

Auch Salz- und Zuckerkristalle, Schneeflocken, Metalle und viele Arzneistoffe sind kristallin. Eis kristallisiert hexagonal, daher die sechseckige Grundform von Schneekristallen. Kochsalz bildet beim langsamen Verdunsten einer Salzlösung kleine Würfel, ganz wie das Mineral Halit.

Ein einfacher Versuch: Eine gesättigte Kochsalz- oder Alaunlösung in einem flachen Gefäß an einem ruhigen Ort verdunsten lassen. Nach einigen Tagen sind mit der Lupe gut ausgebildete Kristalle zu erkennen.

Kurz zusammengefasst

• Ein Kristall ist ein Festkörper mit regelmäßig wiederholter innerer Ordnung.
• Die Elementarzelle ist der kleinste Baustein des Kristallgitters.
• Es gibt sieben Kristallsysteme: kubisch, tetragonal, hexagonal, trigonal, orthorhombisch, monoklin und triklin.
• Gleiche Chemie kann verschiedene Strukturen bilden (Polymorphie), etwa Diamant und Graphit.

Wie die Symmetrie die Härte und Spaltbarkeit beeinflusst, zeigen die Beiträge über Quarz und Fluorit. Wie man Minerale insgesamt bestimmt, steht im Überblick Mineralogie.