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Gestein

Gestein

Als Gestein bezeichnet man eine feste, natürlich auftretende, in der Regel mikroskopisch heterogene Vereinigung von Mineralen, Gesteinsbruchstücken, Gläsern oder Rückständen von Organismen mit weitgehend konstantem Mischungsverhältnis dieser Bestandteile zueinander. Der geologische Gesteinsbegriff ist weiter gefasst als der umgangssprachliche und bezieht auch natürlich auftretende Metall-Legierungen, vulkanisches Glas, Eis oder Kohle ein. Die Lehre von den Gesteinen, die Petrologie, ist ein Teilgebiet der Geowissenschaften. Beispiele für verschiedene Gesteinsarten sind in der Liste der Gesteine zu finden. Die Erde und die inneren Planeten des Sonnensystems bauen sich aus Gesteinen auf, die oft sehr große räumlich zusammenhängende Massen bilden. Insbesondere bauen sich aus ihnen die an der Oberfläche der Erdkruste sichtbaren Gesteinsformationen, die Gebirge, auf, die durch die tektonischen Vorgänge der Gebirgsbildung entstehen. Gesteine bilden sich hauptsächlich
- durch Erkalten flüssigen Magmas (Magmatite),
- durch Ablagerung von Feststoffen (Sedimentite), zum Beispiel von Sanden, Tonen oder Rückständen abgestorbener Lebewesen, sowie durch Abscheidung aus Lösungen (Salzgesteine),
- durch Umwandlung (Metamorphose) aus anderen Gesteinen, verursacht durch erhöhten Druck und/oder erhöhte Temperatur (Metamorphite). Eine kleine Anzahl irdischer Gesteine geht auf Meteoriten zurück.

Zusammensetzung und Gefüge

Gesteine bestehen in erster Linie aus Mineralen, von denen aber nur etwa dreißig einen bedeutenden Anteil an der Gesteinsbildung haben. Vor allem sind dies die Silikate wie Olivine, Glimmer, Amphibole, Feldspäte oder Quarz, aber auch Karbonate wie Dolomit oder Kalzit sind wichtige Bestandteile von Gesteinen. Neben diesen Hauptgemengteilen enthalten die meisten Gesteine noch so genannte Nebengemengteile oder Akzessorien. Als Gefüge eines Gesteins bezeichnet man seine Struktur, die sich aus den Eigenschaften und dem Verhältnis der gesteinsbildenden Minerale zueinander ergibt. Insbesondere die Größe und Form der enthaltenen Kristalle, sowie ihre räumliche Lage und Verteilung im Gestein, machen das Gefüge aus.

Klassifikation

Gesteine können auf verschiedene Weise klassifiziert werden; sehr verbreitet ist die Einteilung nach Entstehung und Herkunft. Demnach unterscheidet man vier Gruppen, magmatische Gesteine (Magmatite), metamorphe Gesteine (Metamorphite), Sedimentgesteine (Sedimentite) und als Sonderfall Meteoriten. In der Geotechnik und zahlreichen verwandten Wissenschaften wie der Bodenkunde unterscheidet man Gesteine grundsätzlich in zwei Gruppen, die Festgesteine und die Lockergesteine.

Magmatische Gesteine

Magmatische Gesteine Magmatische Gesteine entstehen durch das Erkalten heißen geschmolzenen Materials aus dem Erdinneren, des so genannten Magmas. Findet das Erkalten unterirdisch statt, spricht man von Plutoniten oder Intrusivgesteinen. Durch die verhältnismäßig gute Wärmeisolation der aufliegenden Gesteine kühlt sich die Magmaschmelze nur langsam ab, so dass große Mineralkristalle entstehen können. Beispiele für plutonische Gesteine sind Granit oder Gabbro. Das Magma kann riesige Gesteinsmassen, die so genannten Plutone bilden, die oft mehrere Tausend Kubikkilometer Gestein umfassen. Magma kann jedoch auch in flüssigem Zustand zu Tage treten. An der Erdoberfläche im Kontakt mit Luft erkaltet es schnell und bildet dann die so genannten vulkanischen oder Extrusivgesteine. Durch die rasche Abkühlung kommt es nur zur Bildung sehr kleiner Kristalle wie etwa beim Basalt oder Andesit; oft existiert sogar überhaupt keine kristalline Ordnung, und es entsteht vulkanisches Glas wie beispielsweise Obsidian.

Metamorphe Gesteine

Metamorphe Gesteine entstehen aus älteren Gesteinen beliebigen Typs durch Metamorphose, das heißt durch Umwandlung unter hohem Druck beziehungsweise hoher Temperatur. Bei der Umwandlung ändert sich die Mineralzusammensetzung des Gesteins, weil neue Minerale und Mineralaggregate gebildet werden; der Gesteinschemismus bleibt aber weitgehend gleich. Daneben wird auch das Gesteinsgefüge transformiert. Beispielsweise entsteht aus Quarzsanden durch Rekristallation und die Ausbildung eines feinen Zements zwischen den Kristallkörnern das metamorphe Gestein Quarzit. Weiträumige Metamorphose von Gesteinen findet meist in großer Tiefe statt, lokale Transformationen können aber auch nahe der Erdoberfläche auftreten, meist in Zusammenhang mit Vulkanismus oder seichten Granitintrusionen. Auch Meteoriteneinschläge führen zu Gesteinsmetamorphosen.
- Regionalmetamorphose steht in Zusammenhang mit Gebirgsbildungen und ist häufig druckbetont. Die damit verbundene Faltung von Gesteinen durch Kompression führt zu Rekristallisation und Einregelung von Mineralen und der Ausbildung einer Schieferung. Ein Beispiel ist die Umwandlung von tonigen Sedimenten in Schiefer.
- Kontaktmetamorphose bezeichnet die Gesteinsumwandlung durch Wärmeeinwirkung aus dem umgebenden Gestein heraus, entweder in lokalem Maßstab durch Aufheizen des Gesteins um kleinere magmatische Gänge herum bis hin zu großen Transformationszonen, sogenannten Aureolen, die sich um große, tiefsitzende plutonische Granit-Intrusionen herum bilden.

Sedimentgesteine

Sedimentgesteine Sedimentgesteine entstehen durch Verwitterung und Erosion von Gesteinen durch Wind (zum Beispiel Löss), Wasser (zum Beispiel Sandstein) oder Eis (zum Beispiel Tillit), die Lösung, den Transport und die nachfolgende Ablagerung ihrer Bestandteile, daneben auch durch biochemisch induzierten Niederschlag (zum Beispiel Kreide) oder durch Verdampfung (zum Beispiel Evaporit). Einzelne Mineralkörner oder Gesteinsfragmente bilden mit der Zeit lose Sedimente. So werden je nach Art der Genese klastische, chemische oder organogene Ablagerunsgesteine unterschieden. Werden diese durch Sedimentation weiteren Materials bedeckt, verdichten sie sich unter zunehmendem Wasserverlust immer mehr, bis durch Neukristallisation und Kompaktifikation aus dem weichen Sediment das harte, spröde Sedimentgestein entstanden ist. Darin werden die einzelnen Mineralkristalle durch eine feinkörnige Grundmasse, die Matrix, zusammengehalten. Diese Veränderungen nach der primären Sedimentation bezeichnet man als Diagenese. Sedimentationsprozesse finden auf der Erdoberfläche seit Milliarden von Jahren statt. Sedimente lagern sich meist kumulativ in einer Abfolge horizontaler Schichten ab; durch die Reihenfolge der Ablagerung sind von Ausnahmefällen abgesehen höherliegende Schichten jünger als tieferliegende, eine Erkenntnis, die als Superpositionsprinzip oder Lagerungsgesetz auf den dänischen Arzt und Geologen Nicolaus Steno zurückgeht. Nach ihrer Entstehung können Sedimentgesteine starken Kräften unterliegen, infolge derer die ehemals flachen Schichten gefaltet und gekippt werden, so dass die Lage des Gesteins im Raum so stark verändert sein kann, dass die ursprüngliche Schichtfolge lokal umgekehrt ist. Sedimente lassen sich grob in die terrestrischen Land- und die marinen Meeressedimente unterteilen. Zu ersteren zählt man auch die Ablagerungen in Süßwasserseen oder Flüssen, die aus Sand oder Schlamm entstanden sind, sowie die organischen Pflanzenreste, aus denen die Kohle hervorgegangen ist. Auch Wüstensedimente sowie Ablagerungen von Gletschern werden dieser Gruppe zugeteilt. Meeressedimente können durch Ablagerung von Erosionsmaterial anderer Gesteine auf dem Meeresgrund, durch von biochemischen Vorgängen verursachte Ausfällung zum Beispiel von Karbonaten und durch Ablagerung anorganischer Skelette von Mikroorganismen wie Kammerlingen (Foraminifa), Coccolithophoriden (Haptophyta), Strahlentierchen (Radiolaria) oder Kieselalgen (Bacillariophyta) entstehen.

Meteorite

Meteorite Einen Sonderfall unter den Gesteinen bilden die Meteorite, Gesteinskörper aus dem Weltraum. Meteorite sind Überreste der ursprünglichen Materie des Sonnensystems und enthalten zahlreiche Minerale, die sich nicht in anderen Gesteinen irdischen Ursprungs finden lassen. Sie lassen sich nach ihrem Mineralgehalt einteilen in Steinmeteorite, die in erster Linie aus Silikaten wie Olivin oder Pyroxen bestehen, Eisenmeteorite, die sich häufig aus den Eisen-Nickel-Mineralen Kamazit und Taenit zusammensetzen und Stein-Eisen-Meteorite, die einen Mischtyp darstellen. Die Größe von Meteoriten liegt zwischen der von Mikrometeoriten und riesigen, tonnenschweren Gesteinskörpern. Aus Schweden sind mehrere hundert Millionen Jahre alte fossile Meteoriten bekannt. Irdischen Ursprungs, aber durch Meteoriteneinschläge gebildet sind die Tektite, zentimetergroße Glasobjekte, die durch einschlagbedingtes Schmelzen irdischen Gesteins und darauf folgendes schnelles Abkühlen an der Luft entstehen, und die Impaktite, die durch die starken mechanischen und thermischen Einwirkungen bei einem Meteoriten-Einschlag aus den am Einschlagsort vorhandenen Gesteinen entstehen wie etwa Suevit.

Gesteinskreislauf

Hauptartikel: Kreislauf der Gesteine Magmatische, metamorphe und Sedimentgesteine werden durch geodynamische Prozesse wie Erosion, Gesteinsmetamorphose oder Sedimentation ineinander umgewandelt. So unterliegen durch Erosion des Deckgesteins freigelegte metamorphe und magmatische Intrusivgesteine ebenso wie die an der Oberfläche gebildeten Sediment- und magmatischen Extrusivgesteine der Verwitterung und Erosion. In erster Linie durch wind- oder wasserbedingten Transport lagern sich die Verwitterungsbestandteile als Sedimente ab und bilden durch Verdichtung schließlich Sedimentgesteine. Diese wandeln sich wie auch magmatische Intrusivgesteine in großer Tiefe unter hohem Druck und hoher Temperatur in metamorphe Gesteine um. Der Kreislauf schließt sich, wenn diese entweder wieder an die Oberfläche gelangen oder durch weitere Absenkung ins Erdinnere aufgeschmolzen werden und damit das Rohmaterial für die Entstehung magmatischer Gesteine bilden. Das folgende Diagramm zeigt diese Prozesse in der Übersicht: center

Bedeutung

Gesteine dienten in der Menschheitsgeschichte als erster Werkstoff zur Herstellung von Werkzeug, den Steingeräten, und sind somit auch der Namensgeber für die älteste kulturhistorische Erdepoche, die Steinzeit. Archäologische Funde aus jener Zeit sind meist Steinartefakte. Steine bilden das älteste feste Baumaterial der menschlichen Kultur und die älteste bekannte überlieferte Schreibunterlage menschlicher Schriftkultur. Sie sind Grundlage bildlicher Darstellungen in der Kunst, besonders in der Lithografie und als Ausgangsmaterial der Bildhauerei. Schmucksteine, Edelsteine und Halbedelsteine sind als Schmuck beliebt. Lesesteinhaufen und Trockensteinmauern dienten früher als Markierung von Äckern und sind heute wertvolle Biotope. Ein Grenzstein wird zur Abgrenzung von Gebieten verwendet. Fossilien in Form von Versteinerungen zeugen von Lebewesen früherer Äonen, Epochen und Perioden und spielen eine große Rolle für das Studium vergangener Lebensformen, der Evolutionsgeschichte sowie für die Datierung von Gesteinsschichten. Siehe auch: Liste der Gesteine, Liste der Gesteine nach Genese

Literatur

Vinx, Roland: Gesteinsbestimmung im Gelände. 2005, 452 S., 7 s/w Abb., 364 farb. Abb., 14 s/w Tab. Spektrum Akademischer Verlag. ISBN 3-8274-1513-6

Weblinks

- [http://www.lgd.de/projekt/gesteine/gesteine/index.html Gesteine - Baumaterial unserer Erde]
- Real Video: [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=040107.rm Woher weiß man das Alter von Gesteinen?] (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri) Kategorie:Petrologie ! Kategorie:Bergbau ja:岩石 ms:Batu th:หิน

Mineral

Als Mineral (Mehrzahl Minerale, auch Mineralien) definieren Mineralogen natürlich vorkommende Feststoffe mit einer einheitlichen chemischen Zusammensetzung und einem auch auf mikroskopischer Ebene gleichförmigen Aufbau. Die meisten Minerale sind kristallin. Die Mehrzahl der heute bekannten ca. 4000 Minerale sind anorganisch, es sind aber auch wenige organische Minerale bekannt. Die Lehre von den Mineralen ist die Mineralogie. Alle Gesteine der Erde und anderer Himmelskörper sind aus Mineralen aufgebaut. Am häufigsten kommen etwa dreißig Minerale vor, die so genannten Gesteinsbildner. Der spezifische Mineralinhalt eines Gesteins liefert Informationen über die Bildung und Entwicklungsgeschichte eines Gesteins und trägt damit zur Kenntnis des Ursprungs und der Entwicklung des Planeten Erde bei. Nach ihrer Entstehung lassen sich Primärminerale und Sekundärminerale unterscheiden: Erstere entstehen zur selben Zeit wie das Gestein, dessen Teil sie sind, letztere werden dagegen erst durch chemische Verwitterung oder Metamorphose aus den Primärmineralen gebildet.

Struktur und Form

Metamorphose Fast alle Minerale treten in der Natur als kristalline Feststoffe auf, sehr wenige dagegen als amorphe Stoffe, die dem Glas vergleichbar sind. Gediegenes, das heißt elementares, Quecksilber und Wasser, die flüssige Modifikation des Eises, stellen die einzigen Flüssigkeiten dar, die zu den Mineralen gezählt werden. Frei kristallisierte Minerale zeigen äußerlich eine feste geometrische Form mit wohldefinierten natürlichen Flächen, die in festen Winkeln zueinander stehen. Dies wird auch als Gesetz der Winkelkonstanz bezeichnet. Die symmetrische Anordnung der Flächen ist Ausdruck der inneren Struktur eines kristallinen Minerals: Es zeigt eine wohlgeordnete Atomstruktur, die durch vielfach wiederholte Aneinanderreihung so genannter Elementarzellen entsteht, die die kleinste Struktureinheit des Minerals ausmachen. Man unterscheidet aufgrund der inneren Symmetrie sechs bis sieben Kristallsysteme, nämlich das kubische, das hexagonale, das trigonale, das tetragonale, das orthorhombische, das monokline und das trikline System. Hexagonales und trigonales System werden von manchen Mineralogen gelegentlich zusammengefasst. Durch ungleichmäßiges Kristallwachstum können so genannte Zwillinge entstehen, das sind zwei aus einem Urkristall hervorgegangene miteinander verwachsene Kristalle, die sich, bestimmten Gesetzen gemäß, symmetrisch zueinander verhalten.

Mineral-Erkennung und Eigenschaften

Die Erkennung eines Minerals kann in vielen Fällen auf Grund einiger weniger Eigenschaften wie Kristallform, Härte, Farbe, Bruchverhalten usw. erfolgen. In manchen Fällen sind jedoch weitergehende chemische Analysen, optische Tests oder Röntgenstrukturuntersuchungen zur Identifikation eines Minerals notwendig. Eine wichtige Analysemethode der Mineralogie ist die Durchleuchtung eines Mineral-Dünnschnitts im Polarisationsmikroskop, wo sich die unterschiedlichen chemischen und strukturellen Eigenschaften des Minerals im optischen Verhalten zeigen. Wichtige Eigenschaften eines Minerals sind:
- die Farbe: Sie wird durch die chemische Zusammensetzung eines Minerals, insbesondere durch kleinere Verunreinigungen oder Fehlordnungen im Gitter, beeinflusst. So lässt sich beispielsweise Zinnober an seiner blutroten Färbung erkennen.
- die Strichfarbe: Sie ist die Farbe des pulverförmigen Minerals, die sich oft von der Färbung seiner Oberfläche unterscheidet. Hämatit lässt sich immer an seiner eisenroten Strichfarbe erkennen. Der Strich wird üblicherweise an einem unglasierten Keramikplättchen geprüft.
- der Glanz: Durch die Art, wie Licht an der Oberfläche eines Kristalls reflektiert oder absorbiert wird, ergibt sich sein Glanz. Beim metallisch glänzenden Bleiglanz ist er sogar namensgebend.
- die Transparenz: Manche Minerale sind für Licht vollkommen durchlässig wie die Bergkristall genannte Quarz-Varietät. Viele metallische Erze wie z.B. der Kupferkies sind dagegen undurchsichtig, was auch als opak bezeichnet werden kann.
- die Dichte: Sie hängt von der chemischen Zusammensetzung und Struktur ab. So lässt sich Zinnober von Realgar durch seine durch den Gehalt an schwerem Quecksilber wesentlich höhere Dichte unterscheiden. Wird die Dichte auf die Dichte von Wasser bezogen, so wird sie relative Dichte genannt und ist dann einheitenlos.
- die Härte: Sie wird durch die Stabilität der chemischen Bindungen im Mineral bestimmt und durch ihre Ritzbeständigkeit ermittelt. Angegeben wird sie in der Mineralogie durch ihren Wert auf der Mohs-Skala, die von eins (sehr weich, Beispiel Talk) bis zehn (sehr hart, Beispiel Diamant) reicht.
- die Spaltbarkeit: Sie beschreibt Kristallebenen, zwischen denen nur schwache Kräfte bestehen und an denen daher der Kristall gespalten werden kann. Beispielsweise hat Kalzit drei Spaltebenen und ist so sehr vollkommen spaltbar. Quarz besitzt dagegen gar keine Spaltebene.
- das Bruchverhalten: Bricht ein Mineral nicht entlang seiner Spaltebenen, treten oft charakteristische Bruchstrukturen auf. Beispiele sind der muschelige Bruch von Dolomit und der faserige Bruch von Kyanit.
- die Lumineszenz: Sie ist ein Sammelbegriff für die verschiedenen Arten des Aufleuchtens einer Substanz unter Einwirkung irgendeiner Strahlung mit Ausnahme der reinen Wärmestrahlung (z. B. Fluoreszenz, Phosphoreszenz).
- der Magnetismus: Das magnetische Verhalten von Mineralen ist verschieden: Es gibt selbst anziehende Minerale (z. B. Magnetit), von Magneten angezogene Minerale (z. B. Magnetkies) und magnetisch neutrale Minerale. Bestimmt wird diese Eigenschaft mittels einer Kompassnadel.
- die Zähigkeit: Fachsprachlich auch Tenazität genannt versteht man darunter bei Mineralen die Sprödigkeit, Dehnbarkeit und Elastizität. Für einzelne Minerale kann die Zähigkeit ein Bestimungsmerkmal sein, ist jedoch meist dem Spezialisten vorbehalten.
- die Flammenfärbung: Einige Elemente verfärben eine Flamme. Diese Eigenschaft wird in der Flammenprobe verwendet, um auf die chemische Zusammensetzung eines Minerals zu schließen. Gasbrenner sind in abgedunkelten Räumen dazu am Besten geeignet.
- die Radioaktivität: Dies ist die Eigenschaft, hochenergetische Strahlung ohne Energiezufuhr auszusenden. Man unterscheidet traditionell drei Arten von Strahlen: Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Die Strahlenmessung erfolgt mit einem so genannten Geigerzähler. Radioaktivität ist auch in niedrigen Dosen potentiell gesundheitsschädlich.
- der Pleochroismus: Bei einigen durchsichtigen Mineralen sind die Farben und Farbtiefen in verschiedenen Richtungen unterschiedlich. Erscheinen zwei Farben nennt man dies Dichroismus, bei drei Farben Trichroismus bzw. Pleochroismus. Die Bezeichnung wird auch als Sammelbezeichnung für beide Arten der Mehrfarbigkeit verwendet.
- die Schmelzbarkeit: Sie beschreibt das Verhalten vor dem Lötrohr, d.h. die Schmelzreaktion.

Gesteinsbildende Minerale

Die meisten Gesteine setzen sich zum Großteil aus einer nur relativ kleinen Anzahl von Mineralen zusammen, den etwa dreißig Gesteinsbildnern, enthalten daneben aber noch kleinere Mengen an selteneren Bestandteilen. So werden mehr als neunzig Prozent der Erdoberfläche von Silikatmineralen wie Olivin, Pyroxen, Amphibol, Feldspat oder Quarz gebildet. Sie finden sich in magmatischen, metamorphen und auch in tonreichen Sedimentgesteinen. Weitere bedeutende Mineralgruppen sind die Karbonate, die ebenfalls in wichtigen Sedimentgesteinen wie beispielsweise Kalkstein enthalten sind und die Oxide, darunter z. B. Hämatit.

Erzlagerstätten

Mineralablagerungen, die zur Metallgewinnung wirtschaftlich abgebaut werden können, bezeichnet man als Erze. Der Begriff ist somit ökonomisch, nicht wissenschaftlich geprägt: Ob eine gegebene Lagerstätte kommerziell ausgebeutet werden kann, hängt von den Abbaukosten und dem Marktwert des enthaltenen Metalls ab - während der Eisenanteil von Mineralablagerungen bei bis zu 50 % liegen muss, um einen finanziellen Gewinn zu erzielen, reichte im Jahr 2003 bei dem wesentlich wertvolleren Platin bereits ein Anteil von 0,00001 % dazu aus. Erzlagerstätten können auf sehr verschiedene Weise entstehen:
- Riesige Ablagerungen von Eisenerz, die so genannten gebänderten Eisenerzformationen, wurden vor 3650 bis 1800 Millionen Jahren in der Zeit des Archaikums und frühen Proterozoikums vermutlich durch den Einfluss von Bakterien als Sedimente abgelagert.
- Durch Verwitterungsprozesse können Minerale aus ihrem ursprünglichen Entstehungsgebiet verbracht werden und sich konzentriert als Sedimente (Seifen) am Grund von Flüssen, Seen oder flacher Meere absetzen. Ein Beispiel sind Ablagerungen von so genanntem Seifengold, das traditionell durch Waschen aus Flusssand gewonnen wird.
- Wenn heißes Grundwasser, das sich in der Tiefe beim Kontakt mit magmatischer Schmelze mit Mineralen angereichert hat, durch Risse und Spalten zur Oberfläche vordringt, lagern sich mit sinkender Temperatur und sich veränderndem pH-Wert im umgebenden Gestein nacheinander verschiedene Mineralformationen ab, die auf diese Weise die so genannten Hydrothermaladern bilden.
- Auf ähnliche Weise, nur oberirdisch, entstehen Erze, wenn das mineralreiche Wasser an Thermalquellen zu Tage tritt.

Verwendung

Minerale als Schmuck

pH-Wert Seltene Minerale, die aufgrund ihrer Härte, Färbung oder ihres Glanzes als schön empfunden werden und deshalb als Schmuck dienen, sind als Schmucksteine, umgangssprachlich auch als Halbedelsteine bekannt. Mit ihnen befasst sich wissenschaftlich die Gemmologie. Die wertvollsten Schmucksteine wie zum Beispiel Diamant, Rubin, Smaragd oder Saphir heißen auch Edelsteine. (Unter diesen Begriff fallen allerdings auch Nicht-Minerale wie Bernstein.) Aufgrund ihres hohen Preises werden Edelsteine heute teilweise synthetisch hergestellt. Um die durch Farbe und Glanz beeinflusste Schönheit eines Schmucksteins zur Geltung zu bringen, muss er geschliffen und poliert werden. Dazu existieren zahlreiche verschiedene Schliffformen: Durchsichtige oder durchscheinende Varietäten werden in der Regel mit Facettenschliffen versehen, bei denen meist in festen Winkelbeziehungen zueinanderstehende Flächen, die so genannten Facetten, die Lichtreflexion maximieren. Undurchsichtige Minerale erhalten hingegen glatte, einflächige Schliffe. Der Asterismuseffekt eines Sternsaphirs beispielsweise lässt sich nur durch den so genannten Cabochonschliff erzielen. Das Feuer eines im Brillantschliff geschliffenen Diamanten hängt in der Hauptsache von der Einhaltung bestimmter Winkelverhältnisse der einzelnen Facetten sowie von seinen Proportionen ab.

Minerale als Reinigungsmittel

Das gemahlene Tonmineral Lavaerde aus dem marokkanischen Atlasgebirge wird bereits seit der Antike als Körper- und Haarreinigungsmittel verwendet.

Minerale als Reaktionspartner und Reaktionsprodukte

Die Mineralogie hat entscheidend zum besseren Verständnis von Reaktionsabläufen beigetragen. Dies gilt vor allem für die chemischen und mikrobiellen Reaktionen im Wasserkreislauf, bei der Trinkwasseraufbereitung und bei der Korrosion. Im Wasserkreislauf kommt das Wasser mit zahlreichen Mineralen in Kontakt. Als Reaktionspartner spielen vor allem Kalzit, Pyrit und Tonminerale eine größere Rolle: Ersteres ist Reaktionspartner bei der Neutralisation von Säuren einschließlich Kohlensäure unter Bildung von Wasserhärte, zweiteres wirkt als Reduktionsmittel bei der Elimination von Nitrat (Denitrifikation), während Tonminerale Neutralisationsreaktionen bei niedrigen pH-Werten und Ionenaustauschreaktionen bewirken können. Bei der Trinkwasseraufbereitung entstehen als Reaktionsprodukt bei der Elimination von Eisen(II)- und Manganionen Goethit und δ-MnO₂, Kalzit kann bei Enthärtungsreaktionen (Entkarbonisierung) gebildet werden. Bei der Abwasserbehandlung können bei ausreichend hohen Phosphatkonzentrationen in den Abwasserbehandlungsanlagen wasserklare Kristalle von Struvit, einem Ammonium-Magnesiumphosphat, entstehen. Diese können den Querschnitt von Leitungen verengen. Bei der Korrosion von Stahl und Gusseisen im Kontakt mit Wasser können je nach Wasserbeschaffenheit Goethit, Magnetit und Lepidokrokit, bei höherer Karbonathärte auch Siderit, in phosphathaltigen Wässern Vivianit, in sulfathaltigen WässernTroilit und in schwefelwasserstoffhaltigen Wässern Greigit gebildet werden. Aus Kupfer kann sich dagegen Cuprit, Malachit oder Azurit bilden, während aus Blei hauptsächlich Hydrocerussit entsteht.

Biomineralisation

Mineralbildungen spielen auch in der belebten Natur eine wichtige Rolle. Weil die entstehenden Produkte manchmal sehr gut, oft aber nur schlecht oder gar nicht kristallisiert sind, werden einige anorganische Komponenten mit ihrer chemischen Bezeichnung aufgeführt; der Mineralname ist gegebenenfalls in Klammern hinzugefügt.
- Calciumcarbonat ist in Form von Kalzit oder Aragonit in der belebten Natur ein Vielzweck-Werkstoff und dient als mineralische Komponente von Eier- oder Muschelschalen. Auch einige Mikroorganismen wie die Kammerlinge (Foraminifera) bilden kalkhaltige Schalen.
- Calciumfluorid (Fluorit) ist Hauptkomponente des Zahnschmelzes von Säugetieren.
- Calciumphosphat (Hydroxylapatit) ist die anorganische Komponente von Knochen.
- Magnetit dient Lebewesen als Kompass zur Orientierung im Erdmagnetfeld. Dies hat man zunächst bei magnetotaktischen Bakterien festgestellt. Auch bei Insekten, Weichtieren, Vögeln und Fischen hat man jedoch inzwischen Magnetit nachgewiesen.
- Siliziumdioxid wird in amorpher Form als Gerüstsubstanz in Pflanzen eingebaut; Kieselalgen bauen aus dieser Substanz ihr Kieselskelett.

Minerale in der Esoterik

Vielen Mineralen wird in der Esoterik eine Bedeutung als Heilstein zugesprochen.

Systematik der Minerale

Minerale können beispielsweise nach ihrer chemischen Zusammensetzung klassifiziert werden: Gediegene Elemente: Gediegene Elemente sind Minerale, die nur aus einem einzigen chemischen Element gebildet werden. Hierzu zählen etwa zwanzig Minerale, davon zehn geologisch signifikant.
- Beispiele: Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Eisen (Fe), Schwefel (S), Graphit (C), Diamant (C) Sulfide: Sulfide bestehen aus einer Verbindung von Schwefel mit Metallen oder Halbmetallen. Zu den Sulfiden zählen etwa 600 Mineralien. Mineralogisch rechnet man auch die selenhaltigen Selenide und die tellurhaltigen Telluride zu dieser Gruppe.
- Beispiele: Bleiglanz (PbS), Pyrit (FeS₂), Zinkblende (ZnS), Zinnober (HgS) Halogenide: Die etwa 140 Halogenide bestehen aus einer Verbindung von Fluor, Chlor, Brom oder Iod mit Kationen wie Natrium oder Kalzium.
- Beispiele: Fluorit (CaF₂), Steinsalz (NaCl) Oxide und Hydroxide: Aus der Verbindung von Metallen oder Nichtmetallen mit Sauerstoff oder Hydroxylgruppen (OH^- -Gruppen) entstehen die etwa 400 Oxide bzw. Hydroxide (auch Oxyde genannt).
- Beispiele: Spinell (MgAl₂O₄), Hämatit (Fe₂O₃), Magnetit (Fe₃O₄), Korund (Al₂O₃), Pechblende (UO₂), Goethit (FeO(OH)) Karbonate: Die mehr als 200 Karbonate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ CO₃]^2-.
- Beispiele: Dolomit (CaMg(CO₃)₂), Kalzit (CaCO₃), Malachit (Cu₂CO₃(OH)₂) Phosphate, Arsenate, Vanadate: Phosphate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ PO₄]^3-. Hier werden meist auch Arsenate und Vanadate [VO₄]^3- eingeordnet. Die Gruppe umfasst etwa 400 Mineralien.
- Beispiele: Apatit (Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH)), Türkis (CuAl₆(PO₄)₄(OH)₈ · 5H₂O), Carnotit (K₂(UO₂)₂(VO₄)₂ · 3H₂·) Nitrate: Nitrate sind leicht lösliche Salze mit dem Anionenkomplex [ NO₃]^-, der meist mit Natrium oder Kalium verbunden ist. Sulfate: Die etwa 300 Sulfate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ SO₄]^2-. Hierher sortiert man auch die Chromate.
- Beispiele: Anhydrit (CaSO₄), Gips (CaSO₄ · H₂O) Molybdate und Wolframate: Die eng verwandten Molybdate und Wolframate sind Verbindungen eines Metalls mit dem Anionenkomplex [MoO₄]^2- bzw. [WO₄]^2-.
- Beispiele: Wulfenit (PbMoO₄), Wolframit ((Fe,Mn)WO₄) Borate: Zu den etwa 125 Boraten zählen jene Minerale, die den Boratkomplex [BO₃]^3- enthalten.
- Beispiel: Borax (Na₂B₄O₅(OH)₄ · 8 H₂O), Sassolin (H₃BO₃) Silikate: Die Silikate sind etwa 500 Verbindungen, in denen der [ SiO₄]^4--Tetraeder einen wesentlichen Baustein darstellt.
- Beispiele: Olivin ((Mg, Fe)₂SiO₄), Zirkon (ZrSiO₄), Andalusit (Al₂SiO₅), Topas (Al₂SiO₄(OH,F)₂), Beryll (Be₃Al₂Si₆O₁₈), Quarz (SiO₂) Organische Minerale: Hierzu zählen Salze der Mellithsäure und der Oxalsäure.
- Beispiele: Bernstein, Honigstein, Kleesalz Eine Übersicht über alle Mineralartikel findet sich in der Liste von Mineralen; die verwandte Liste der Gesteine deckt Artikel zu individuellen Gesteinen ab.

Literatur

- Deer, W.A., Howie, R.A., und Zussman, J.: Orthosilicates, Band 1 aus: Rock-forming minerals. Longman, London, 2. Ausgabe, 1982.
- Rösler, H. J.: Lehrbuch der Mineralogie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1991 ISBN 3342002883
- Kleber, W.: Einführung in die Kristallographie, Oldenbourg, 18. bearb. Aufl. 1998, ISBN 3486273191
- Edition Dörfler: Mineralien Enzyklopädie, Nebel Verlag, ISBN 3-89555-076-0

Weblinks

- [http://www.mineralienatlas.de Deutscher Mineralienatlas]
- [http://www.petrefaktum.de/ PETREFAKTUM] - Erdgeschichte Fossilien Mineralien -
- [http://www.minlex.de Mineralienlexikon]
- [http://web2.donzampano.com MinMax Mineralien-Information-System]
- [http://home.arcor.de/geologie-mineralogie/mineralogie-einf.htm#spalt Mineralogie&Geologie]
- [http://www.mindat.org mindat.org - The Mineral Database] - nur englisch, riesige Datenbank mit viel Input der Benutzer
- [http://www.mineralien-sammeln.de/ Datenbank mit Kenndaten der 380 häufigsten Mineralien]
- [http://www.johnbetts-fineminerals.com/jhbnyc/bestgall.htm John Betts Fine Minerals (englisch) - Mineraliengalerie] Kategorie:Mineralogie Kategorie:Bergbau ja:鉱物 simple:Mineral th:แร่

Glas

Unter Glas (von germanisch glasa „das Glänzende, Schimmernde“, auch für „Bernstein“) versteht man eine Schmelze, die ohne Kristallisation erstarrt ist, also einen amorphen Feststoff. Materialien, die man im Alltagsleben als Glas bezeichnet (zum Beispiel Trink- und Fenstergläser, Fernsehscheiben und Glühlampen) sind nur ein Ausschnitt aus der Vielfalt der Gläser.

Eigenschaften

Glas ist eine ohne wesentliche Kristallbildung erstarrte Schmelze und damit eine amorphe Substanz. Thermodynamisch wird Glas als gefrorene, unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Diese Definition gilt für alle Substanzen, die geschmolzen und entsprechend schnell abgekühlt werden. Das bedeutet, dass sich bei der Erstarrung der Schmelze zum Glas zwar Kristallkeime bilden, für den Kristallisationsprozess jedoch nicht genügend Zeit verbleibt. Das erstarrende Glas ist schnell zu fest, um noch eine Kristallbildung zu erlauben. Die Transformationstemperatur, also jener Übergangsbereich zwischen Schmelze und Feststoff, liegt bei vielen Glasarten um 600° C. Trotz des nicht definierten Schmelzpunkts ist Glas ein Festkörper. Auch wenn es sich unter langzeitiger Krafteinwirkung verformte, dürfte man es nicht als flüssig bezeichnen. Die langsame Verformung unter einer konstanten Kraft tritt auch in kristallinen Festkörpern auf und wird als Kriechen bezeichnet. Berichte von fließenden Kirchenfenstern lassen sich nicht bestätigen und die Idee des flüssigen Glases scheint auf eine Falschübersetzung zurückzugehen. [http://tafkac.org/science/glass.flow/origins_of_claim.html (en)] Kriechen] Kriechen] Kohlenwasserstoffverbindungen wie Plexiglas sind kein Glas, sondern ein Kunststoff. Kunststoffe besitzen organische Verbindungen, selbst Silikone sind mit organischen Resten abgesättigt und als mehr oder weniger ausdifferenzierte Ketten strukturiert. Die im allgemeinen Sprachgebrauch bedeutungstragende Eigenschaft von Glas ist die Durchsichtigkeit. Die optischen Eigenschaften sind so vielfältig wie die Anzahl der Gläser. Neben klaren Gläsern, die in einem breiten Band für Licht durchlässig sind, kann man durch Zugabe von speziellen Materialien zur Schmelze die Durchlässigkeit blockieren. Zum Beispiel kann man optisch klare Gläser für Infrarotes Licht undurchdringbar machen, die Wärmestrahlung ist blockiert. Die bekannteste Steuerung der Durchlässigkeit ist die Färbung. Es können die verschiedensten Farben erzielt werden. Andererseits gibt es undurchsichtiges Glas, das schon aufgrund seiner Hauptkomponenten oder der Zugabe von Trübungsmitteln opak ist. Gebrauchsglas hat eine Dichte von ca. 2,5 g/cm³. Die mechanischen Eigenschaften variieren sehr stark. Die Zerbrechlichkeit von Glas ist sprichwörtlich. Die Bruchfestigkeit wird stark von der Abkühlgeschwindigkeit bestimmt. Glas ist weitgehend resistent gegen Chemikalien. Eine Ausnahme ist Flusssäure, sie löst das Siliziumdioxid und wandelt es zu Hexafluorokieselsäure. Im Allgemeinen hat Glas einen hohen elektrischen Widerstand.

Zusammensetzung

Glas kann viele Komponente haben. Diese werden nach ihrer Funktion in Netzwerkbildner, Netzwerkwandler und Zwischenoxyde (auch Stabilisatoren genannt) unterschieden. Netzwerkbildner bilden das (unregelmäßige) Grundgerüst, zu Ihnen zählen zum Beispiel SiO₂, B₂O₃, P₂O₅ sowie als nichtoxydische Verbindungen As₂S₃und BeF₂. Netzwerkwandler werden in das vom Netzwerkbildner gebildete Gerüst eingebaut. Hierzu gehören die Oxide der Alkalien wie Na₂O und K₂O. Zwischenoxyide wie Al₂O₃, MgO, PbO etc. können als Netzwerkbildner und -wandler fungieren. Allerdings sind sie nicht alleine zur Glasbildung fähig.

Einstellung der Glaseigenschaften

weitere Zuschlagstoffe sind u.a.:
- andere Flussmittel zur Verminderung des Schmelzpunkts
- Zinkoxid
- Thallium
- zur Veränderung des Brechungsindex
- Bariumoxid
- Blei (absorbiert auch Strahlung)
- Cer wird für Glas verwendet, das Infrarotstrahlung absorbiert.
- Boroxid verändert als Zusatz die thermischen und elektrischen Eigenschaften.
- Aluminiumoxid erhöht die Bruchfestigkeit
- Trübungsmittel
- Zinndioxid
- Calciumphosphat
- Fluorid für Opalglas
- Zirkonoxid Nachstehend eine Tabelle mit den ungefähren Zusammensetzungen verschiedener Gläser. Die Prozentangaben sind in Gewichtsprozent.

Glasfärbung und Entfärbung

Die meisten Glassorten werden mit weiteren Zusatzstoffen produziert, um bestimmte Eigenschaften, wie ihre Färbung zu beeinflussen. Für die Glasfärbung, beziehungsweise für die Entfärbung von Gläsern, die durch Verunreinigungen ihrer Rohstoffe verursacht sind, werden vor allem Metalloxide verwendet. Grundsätzlich verwendet man zur Beseitigung von Farbstichen die komplementäre Farbe. Entfärbemittel werden Glasmacherseifen genannt. Glasmacherseifen
- Eisenoxide: Färben je nach Wertigkeit des Eisenions grün-blaugrün oder gelb und in Verbindung mit Braunstein gelb sowie braun-schwarz.
- Kupferoxide: zweiwertiges Kupfer färbt blau, einwertiges färbt rot, daraus ergibt sich das so genannte Kupferrubinglas.
- Chromoxid: Wird in Verbindung mit Eisenoxid oder allein für die Grünfärbung verwendet. Chromoxid
- Uranoxid: Ergibt eine sehr feine Gelb- oder Grünfärbung (so genanntes "Annagelb" oder "Annagrün"-Glas) mit grüner Fluoreszenz unter dem UV-Licht. Solche Gläser wurden vor allem in der Zeit des Jugendstils hergestellt. In England und Amerika ist diese Glassorte auch als "uranium glass" oder "vaseline glass" bekannt.
- Kobaltoxid: färbt intensiv blau und wird auch für die Entfärbung verwendet.
- Nickeloxid: violett, rötlich auch für die Graufärbung und zur Entfärbung
- Manganoxid (Braunstein) als Glasmacherseife zur Entfernung des Grünstichs
- Selenoxid: färbt rosa und rot, die rosa Färbung wird als "Rosalin" bezeichnet, während die rote als Selenrubin bezeichnet wird.
- Silber: ergibt feines Silbergelb
- Gold: Wird erst in Königswasser aufgelöst und färbt rubinrot, eine der teuersten Glasfärbungen.

Einteilung der Gläser

Königswasser Nach Art der Genese: Neben künstlichen finden sich auch natürliche Gläser: Obsidian ist vulkanischen Ursprungs, Tektide entstehen durch Meteoriteneinschlag, Fulgurite entstehen bei Blitzeinschlag und Maskelynit, das in Meteroriten gefunden wird und extraterristischen Ursprungs ist. Diese Gläser entstehen aus dem schmelzen von Sanden oder durch Schockwellen. Ein Kristallgitter kann hierduch seine Struktur verlieren und ein amorpher Körper werden. Dies ist diaplektisches Glas. Nach Art des Chemismus: Neben Kalk-Natron-Glas, das dem gewöhnlichen Gebrauchsglas entspricht, gibt es Quarzglas aus reinem SiO₂, Bleiglas für z. B. feinen Kristallgläsern und Fernsehtrichter. Das Blei im Glas schirmt die elektromagnetische Strahlung ab. Wasserglas ist wasserlöslich. Borosilikatglas ist insbesondere chemisch resistent und wird bei Laborgeräten, Kochgeschirr aber auch optischen Gläser verwendet. Borphosphatglas (Bortrioxid, Phosphorpentoxid) und Alumosilikatgläser mit Al₂O₃ sind weitere Spezialgläser. Zu der Gruppe der nichtoxidischen Gläser gehören u. a. Fluoridgläser, z.B. ZrF₄ - BaF₂ - AlF₃ und Chalkogenidgläser mit z.B. AsTe₃ oder GeSe₂ in der Infrarotoptik. Als Sonderfall in dieser Einordnung muß man Glaskeramik begreifen. Es wird als Glas produziert, durch die Wärmenachbehandlung wird teilweise Rekristallisierung erzielt. So ist es strenggenommen kein Glas mehr, sondern ein Glas-Kritall Mischkörper. Glaskeramik besteht aus SiO₂, Al₂O₃ und Lithiumoxid. Nach der Grundform des Produkts und dem Produktionsverfahren: Die Glasindustrie wird gewöhnlich in Hohlglas-, Flachglas-, und Spezialglasherstellung gegliedert. Hohlglas bezeichnet Flaschen und Konservengläser. Diese Massenprodukte werden maschinell geblasen. Höherwertige Produkte werden gepreßt. Hierzu gehören Glasbausteine und Trinkgläser. Für Glühbirnen ist ein besonderes Produktionsverfahren notwendig, ebenso für Rohrglas. Flachglas wird je nach Produktionsverfahren Floatglas oder Walzglas genannt. Das Grundprodukt ist ein Glasscheibe. Endprodukte sind z. B. Automobilglas, Spiegel, Temperglas, Verbundglas. Faserglas umfaßt Glasfaserkabel, Glaswolle und findet auch Anwendung bei glasfaserverstärkter Kunststoffen. Optische Gläser sind Linsen für Mikroskope und Ferngläser. Mundgeblasene Gläser existieren praktisch nur noch im Kunstgewerbe, sowie bei kostspielien Vasen und Weingläser. Nach ihren hergebrachten Handelsnamen: Antikglas, Diatretglas, Flintglas (Bleiglas als optisches Glas), Hyalithglas (opakes Glas, im 19 Jh. benutzt für Tafel- und Pharmaglas), Kronglas (optisches Glas), Kryolithglas (opakes, weißes Fluoridglas) Nach ihren Markennamen als Gattungsbegriff: Ceran (Glaskeramik für z. B. Kochfelder), Jenaer Glas (hitztefestes Borosilikatglas) beide von Schott und Pyrex (Borosilikatglas) von Corning im angelsächsischem Sprachraum ein Synonym zu Jenaer Glas. siehe auch Liste_der_Gläser

Produktionsprozess

Gemenge

Liste_der_Gläser Für die Herstellung von Kalk-Natron-Glas, das ca. 90% der produzierten Glasmenge ausmacht, werden folgende Rohstoffe eingesetzt: Quarzsand als fast reiner SiO₂-Träger zur Netzwerkbildung. Wichtig ist, daß der Sand einen geringen (<0.05%) Anteil an Fe₂O₃ besitzt, da sonst bei Weißglas störende Grünfärbungen auftreten. Quarzsand Soda, Dolomit, Feldspat, Kalk (noch auszuführen) Altglas oder Eigenscherben aus dem Produktionsbruch werden ebenfalls dem Gemenge wiederaufgegeben. Altglas aus dem Glasrecycling allerdings nur in der Behälterglasindustrie, wo ihr Anteil bis über 90% betragen kann. Neben eingespartem Rohstoff macht sich dies im geringeren Energieverbrauch bemerkbar, da Scherben leichter schmelzen als das Gemenge.

Schmelze

Das Gemenge wird einer Glasschmelzwanne aufgegeben. Bei Temperaturen von ca. 1480 °C schmilzt es allmählich und wird durch Bewegungen im Glasbad homogenisiert. Bei kontinuierlich arbeitenden Öfen, die im industriellen Maßstab ausschließlich Verwendung finden, fließt das Glas weiter von der Schmelzwanne (mit Schmelz und Läuterbereich) über den Durchfluss (Hohlglas) bzw. die Einschnürung (Flachglas) in die Arbeitswanne. Bei geringeren Temperaturen beruhigt sich die Schmelze und fließt weiter zum Punkt der Glasentnahme. Bei der Produktion von Hohlglas sind dies die Speiser oder Feeder. Hier werden Tropfen in darunter stehende Glasmaschinen geleitet. Bei Flachglas fließt das Glas über die Lippe in das Floatbad.

Formgebung

Je nach Produkt wird Glas unterschiedlich geformt. Dabei unterscheidet man vor allem Gläser, die gepresst, geblasen, gedüst, gesponnen oder gewalzt werden.
- Hohlglas wird in mehreren Verfahren durch Pressen, Blasen, Saugen und Kombinationen dieser Techniken hergestellt. Hier dominiert die IS-Maschine, die im Blas-Blas-Verfahren arbeitet. Für höherwertige Tafelware kommen Press-Blas-Verfahren zum Einsatz, die Karusellförmig arbeiten.
- Glasfasern werden durch Spinnen im so genannten TEL-Verfahren produziert.
- Flachglas wird im Floatverfahren hergestellt oder gewalzt.
- Rohrglas

Kühlung

IS-Maschine

Veredelung

- durch chemische und physikalische Gasphasenabscheidung können feinste Metallbeschichtungen aufgebracht werden. Die meisten Fenster- und Autogläser werden mit für Infrarotlicht undurchlässigen Beschichtungen versehen. Die Wärmestrahlung wird hierdurch geblockt und Aufheizungen der Innenräume durch Sonneneinstrahlung gemindert, gleichzeitig die Wärmeverluste im Winter reduziert, ohne dabei die Durchsichtigkeit wesentlich zu beeinträchtigen.
- Eine andere Beschichtungstechnik verhindert die Verschmutzung und unterstützt die Selbstreinigung von Fensterglas. Eine äußere, hydrophile Beschichtung mit Titandioxyd verhindert die Tröpfchenbildung des Regenwassers, da es deren Oberflächenspannung herabsetzt. Regenwasser kann gleichmäßig an der Scheibe ablaufen und Schmutzpartikel mitziehen. Zusätzlich kann durch eine UV-Licht absorbierende Beschichtung die Entstehung aktiven Sauerstoffs ermöglicht werden, der organische Verbindungen zersetzt. [http://www.pilkington.com/resources/anwendungstext_msvarena.pdf Herstellerinformation (pdf)]
- Auch sind Verspiegelungen möglich
- Bei optischen Geräten werden reflektionsmindernde Schichten eingesetzt. Glas lässt sich auch schleifen, so dass optische Linsen für Brillen und verschiedene optische Geräte damit hergestellt werden können.
- Durch nachträgliches Sandstrahlen ein Milchglaseffekt zu erzielen, so dass das Glas nur noch durchscheinend aber nicht mehr durchsichtig ist
- Ein Farbauftrag ist im keramischen Siebdruck möglich.
- Durch exaktes Tempern eines auf Lithium-, Aluminium- und Siliciumoxid gefertigten Glases kann gezielt eine Rekristallisation herbeigeführt werden. Der Werkstoff ist nun kein Glas mehr, sondern eine Glaskeramik mit äußerst geringer Wärmedehnung. Diese findet Anwendung z. B. bei Kochfeldern und Spiegelteleskopen.

Geschichte der Glasherstellung

Frühzeit

Glaskeramik, Köln]] Natürlich vorkommendes Glas wie Obsidian wurde seit der Steinzeit zur Werkzeugherstellung (Faustkeil) benutzt. das glass wurde zumindest zweimal erfunden einmal als silizium potasium gemenge wohl in mesapotamien wobei sand den silizium liferte und potasium aus pflanzenasche gewonnen wurde und ein zweites mal als silizium natron gemenge wohl in agypten wobei sand mit natron aus dem nord ägytischen natron see geschmolzen wurde. vor 1550 gab es zumindest in agypten kein glas.(a. kisa köln) Schon ab 1250 v. Chr. unterhielten die Ägypter u. a. in Quantir östlich des Nildeltas regelrechte Glasmanufakturen. Dort wurden Glasrohlinge in einem zweistufigen Prozess hergestellt. Ein Zwischenglas entstand, welches anschließend zertrümmert wurde. Aus den von Verunreinigungen des ersten Produktionsschrittes befreiten Scherben schmolzen die Ägypter Glasrohlinge von zehn Zentimeter Dicke, die durch Beimischung von Metalloxiden unterschiedlich eingefärbt werden konnten. Archäologische Funde deuten darauf hin, dass die einzelnen Produktionsstätten sich auf die Herstellung jeweils unterschiedlich eingefärbte Gläser spezialisiert hatten. So produzierten beispielsweise die Handwerker in Qintar hauptsächlich rotes Glas, welches sie durch Beimengung von Kupfer erhielten. Der Vertrieb der Rohlinge an weiterverarbeitende Glaswarenersteller oder Kunsthandwerker erfolgte über Händler. Laut der britischen Archäologin Caroline Jackson waren Glasgegenstände aufgrund des komplizierten Herstellungsverfahrens ein hohes Statussymbol, welches sich nur die ägyptische Elite leisten konnte. Aus der Bibliothek des assyrischen Königs Assurbanipal ist ein Glasrezept in Keilschrift überliefert, das um 650 v. Chr entstanden ist: 60 Teile Sand, 180 Teile Asche aus Meerespflanzen und 5 Teile Kreide. aus persien kommt im 4 jahrhundert v. Chr. erstmals klares farbloses glas. Die Römer stellten Diatretgläser her, meist glockenförmige, prunkvolle Trinkgefäße die bis heute wegen ihrer künstlerischen Qualität bewundert werden. Eines der berühmtesten römischen Gläser ist der im Besitz des Britischen Museums befindliche Lykurgosbecher[http://www.artfund.org/acq/artworkDetail4_5.asp?appref=3526] aus dem 4. Jahrhundert an dem eine dreidimensionale figurative Darstellung angebracht ist, die im Gegenlicht rot und im Auflicht opak-gelbgrün erscheint. Im ersten Jahrhundert v. Chr. wurde an der östlichen Mittelmeerküste die Glasmacherpfeie erfunden. Die ersten Pfeifen waren Tonröhren später benutzte man Metallrohre mit dehnen man grössere Gefässe herstellen konte. Durch die Glasbläserei wurde Glas zur Massenwahre im ganzen römischen Reich.

Mittelalter und Neuzeit

Britischen Museums Britischen Museums Um die Jahrtausendwende dominierte Venedig die Glasmarkt. Die Insel Murano war das Hauptzentrum der europäischen Glasindustrie. Venezianisches Glas war ein begehrtes Luxusgut. Kirchenglasfenster verbreiten sich in den Kathedralen. Entgegen der landläufigen Meinung gab es im Deutschland des Mittelalters nicht nur das „typische“ grüne Waldglas, sondern auch farblose Gläser, zum Teil allerdings mit leichtem Farbstich. Im 14. Jahrhundert erfanden italienische Glasmacher das Cristallo, ein farbloses Glas mit besonderem Glanz. In den Anfängen der Herstellung von durchsichtigem Glas wurde das Glas zu so genannten Butzenscheiben geschleudert. Zu Beginn hatten diese Scheiben etwa 10 bis 20 cm Durchmesser. Später wurden dazu gar einige Kilo geschmolzenes Glas am Ende einer Stange schnell gedreht, so dass sich eine Scheibe mit bis zu 1,50 Meter Durchmesser bildete. Daraus wurden dann Glasscheiben geschnitten. Weil die Dicke dieser Scheiben sehr unterschiedlich war und am äußeren Rand zunahm, wurden sie aus statischen Gründen mit dem schwereren Ende nach unten eingesetzt.
- 1688 Herstellen von grossen Glasspiegeln in Frankreich. Bernard Pierrot führte den Glasguß bei der Scheibenfertigung ein und bedeutete einen bedeutenden Produktivitätsfortschritt. Dies war die Keimzelle der Fa. Saint Gobain.
- 1764 Nutzung von Natriumsulfat zur Glasherstellung (Glaubersalz)
- 1764 Steinkohlenfeuerung in der Glashütte Minden / Westf.

Industriealisierung und Automatisierung

Wichtige Ereignisse in der Entwicklung der Glasindustrie

Allgemein

- 1856 Erster Glasofen mit Regenerativfeuerung durch Friedrich Siemens
- 1867 Kontinuierlicher Wannenofen von Friedrich Siemens
- 1882 Ernst Abbé gründet mit Otto Schott in Jena Glaswerke für optische Spezialgläser

Flachglas

Otto Schott Um 1900 entwickelte der Amerikaner John H. Lubbers ein Verfahren zur Zylinderfertigung. Diese konnten einen Durchmesser von 80 cm erreichen und waren bis zu 8 m (!) hoch. Der Zylinder wurde aufgeschnitten und geplättet. Das Verfahren war jedoch sehr umständlich, insbesondere das Umlegen der Zylinder in die Horizontale bereitete Schwierigkeiten. Eine weitreichendes Patent sollte 1904 von Emile Fourcault folgen. Das nach ihm benannte Fourcault-Verfahren zur Ziehglasherstellung. Das Glas wird im kontinuierlich entnommen. Eine Schamottedüse liegt in der flüssigen Schmelze. Mit dem Hochziehen durch einen Kühlkanal auf ca. 8m Höhe kann es oben zugeschnitten werden. Die Glasdicke ist durch die Ziehgeschwindigkeit einstellbar. Es kam ab 1913 zum Einsatz und bedeutete eine große Verbesserung. Ein darauf aufbauendes Verfahren ließ der Amerikaner Irving Wightman Colburn 1905 patentieren. Das Glasband wurde zur besseren Handhabe in einen horizontalen Kühlkanal umgeleitet. Mit einer eigenen Fabrik wurde bis 1912 versucht das Verfahren zu beherrschen, blieb aber letzlich erfolglos, so daß Insolvenz angemeldet wurde. Das Patent ging an die Toledo Glass Company. 1917 kam das nunmehr so genannte Libbeys-Owens-Verfahren zur industriellen Anwendung. Die Vorteile gegenüber dem Fourcault-Verfahren lagen in der einfacheren Kühlung. Hingegen konnte bei jenem mehere Ziehmaschienen an einer Glasschmelzwanne arbeiten. Da der Kühlofen in der Länge beliebig lang sein konnte, erreichte dieses Verfahren ungefähr die doppelte Produktionsgeschwindigkeit. In der Folgezeit existierten beide Verfahren parallel. 1928 verbesserte die Plate Glass Company die Vorteile der Verfahren von Fourcault und Colburn; sie erzielte mit dem Pittsburg-Verfahren dadurch eine deutliche Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit. 1919 gelang Max Bicheroux der entscheidende Schritt bei der Gussglasherstellung. Die flüssige Glasmasse wurde dabei zwischen gekühlten Walzen zu einem Glasband geformt, im noch erwärmten Zustand zu Tafeln geschnitten und in Öfen abgekühlt. Mit diesem Verfahren erreichte man die heute noch üblichen Scheibengrössen von 3 x 6 m 1923 Pilkington und Ford: kontinuierliches Walzglas für Automobilglas. 1902 Patent v. William E. Heal auf das Floatverfahren, das auf eine Idee von Henry Bessemer zurückgeht 1959 Die Fa. Pilkington bewältigt als erste die technischen Problem der Floatglasfertigung. Dieses Prinzip revolutionierte die Flachglasfertigung und wurde in den 1970er Jahren allgemeiner Standard.

Hohlglas

Im frühen 19. Jahrhundert Jahren wurden neue mechanische Hilfsmittel zum Blasen der Gläser benutzt. Es wurden Formen benutzt, die ein Relief als Negativ schon aufwiesen. Durch den Blasdruck wird das Glas in die Hohlräume gedrückt und das Werkstück bekommt seine Form. Allerdings ist die Lungenkraft des Glasmachers nicht ausreichend hoch für tiefere Reliefs, so daß mechanische Hilfsmittel eingeführt wurden: Durch Luftpumpen wird genügend Druck erzielt. [http://glas-forschung.info/pageone/pdf/tech_press.pdf pdf] Floatglasfertigung Die erste halbautomatische Flaschenblasmaschine vom Briten Alexander Mein 1859 entwickelt. Ein Meilenstein war die 1903 von Michael Josef Owens eingeführte Owens-Maschine als erste vollautomatische Glasmaschine überhaupt. In einem in der Schmelze eingetauchtem Rohr wird ein Vakuum erzeugt und so die problematische Tropfengröße exakt dosiert. Der Arm schwenkt zurück und drückt den Tropfen die Form. Mit der Umkehrung des Vakuums in Preßluft wird der Tropfen in die Metallform geblasen und das Werkstück erhielt seine entgültige Gestalt. Mit dieser Technik war es möglich zu dieser Zeit enormen Menge von 4 Flaschen pro Minute zu produzieren. Diese Technik nennt man Saug-Blas-Verfahren. [http://www.asme.org/history/brochures/h086.pdf pdf (en) ] Michael Josef Owens In der Folgezeit wurden verschiedene konkurrierende Modelle entwickelt. Firmen wie O'Neil, Miller and Lynch fertigten ebenfalls vollautomatische Maschinen. Auch wurden verschiedene Verbesserung der Tropfenentnahme realisiert. Die Neuerung war, daß der Glastropfen nicht mehr von oben aus der Schmelze entnommen wurde, sondern die Schmelze durch ein Öffnung im Feeder (Speiser) fließt. Ein Stopfen wird von oben rhythmisch auf- und abbewegt und bestimmt die Durchflußmenge. Unterhalb des Feeders wird von einer rotierenden Schere in das zähe Glas in gewünschter verschiedene Tropfen zerteilt. 1924 wird die IS-Maschine von den Namensgebern Ingle und Smith patentiert, die erste indistruelle Anwendung folgt wenige Jahre später. Diese Maschine, die die Vorteile des Tropfen-Verfahrens erst richtig nützt arbeitet nach dem Blas-Blas-Verfahren. Ein Tropfen wird in eine Metallform geleitet und vorgeblasen. Der vorgeformte Tropfen wird in eine zweite Form gewenkt, wo das Werkstück fertiggeblasen wird. Erste Anwendungen des neuen Verfahrens folgten wenige Jahre später. Die erste Maschine von 1927 hatte 4 Stationen: Ein Feeder beschickte eine Maschine und diese konnte parallel 4 Flaschen fertigen. [http://www.emhartglass.com/aboutus/history.asp (en)] Das Prinzip des Blas-Blas-Verfahrens ist auch heute noch in der Massenfabrikation gültig. Allerding fand über die Jahre eine stetige Entwicklung zu größeren, schnelleren und genaueren Maschinen statt. [http://www.anthro.utah.edu/IMACs/472-Bottles.pdf pdf (en)] siehe auch: Industrielle Revolution, Technischer Fortschritt, Technikgeschichte

Glaskunst und Kunsthandwerk

Technikgeschichte siehe auch: Glasmalerei, Tiffany-Glaskunst, Glas auf Mallorca, Glasreich, Glasschleiferei, Glasmacher, Glasbläser,

Siehe auch

Kategorie:Glas Glasindustrie, Glashütte,

Weblinks

- [http://www.schwabenglas.de/file/glasabc_a.htm Glaslexikon]
- [http://www.gra-pa.at/projects/NeueBaustoffe/02-kap00.html Glas als Baustoff]
- [http://www.infoline-glas.de Infoline-Glas am Bau] - Online-Lexikon mit Basiswissen, Beispielen, Terminen, Adressen, etc. ! Kategorie:Stoffgemisch ja:ガラス ms:Kaca simple:Glass th:กระจก

Geologie

Die Geologie (von griechisch γη, ge „Erde“ und λογος, logos „Wort“) ist die Wissenschaft vom Aufbau, von der Zusammensetzung und Struktur der Erde, ihren physikalischen Eigenschaften und ihrer Entwicklungsgeschichte, sowie der Prozesse, die sie formten und auch heute noch formen. Die Bezeichnung Geologie im heutigen Sinn findet man zuerst 1778 bei Jean-André de Luc (1727–1817). Horace-Bénédict de Saussure (1740–1799) führte Geologie im Jahr 1779 als feststehenden Begriff ein. Davor war der Begriff Geognosie gebräuchlich. Geognosie Das Material, mit dem sich Geologen hauptsächlich beschäftigen, sind Gesteine. Im Gelände, oder unter Tage, gliedert der Geologe die aufgeschlossenen (offen zugänglichen) Gesteine, an Hand von äußeren Merkmalen, in definierte Einheiten. Diese Kartiereinheiten müssen sich bei dem gewählten Maßstab auf einer geologischen Karte, oder in einem geologischen Profil, darstellen lassen. Durch Extrapolation kann er so vorhersagen, wie die Gesteine im Untergrund gelagert sind. Die genauere Untersuchung der Gesteine (Petrografie, Petrologie) findet aber meist im Labor statt. Mit den einzelnen, z.T. mikroskopisch kleinen, Bestandteilen der Gesteine, den Mineralen, befasst sich die Mineralogie. Mit dem Fossilinhalt, die Paläontologie. Die Geologie hat vielfältige Berührungspunkte mit anderen Naturwissenschaften, die als Geowissenschaften zusammen gefasst werden. Selbst die Mathematik hat einen speziellen Zweig, die Geostatistik, hervorgebracht, der besonders im Bergbau Verwendung findet. Aber auch in anderen Feldern der Geowissenschaften werden oft statistische Methoden angewandt. Im Grenzgebiet zur Astronomie bewegt sich die Planetengeologie, die sich seit Beginn der Erforschung unseres Sonnensystems mit Sonden und Satelliten, mit fremden Himmelskörpern zu beschäftigen beginnt.

Geschichte der Geologie

Siehe Geschichte der Geologie.

Allgemeine Geologie

Die allgemeine Geologie befasst sich mit den Kräften, die auf den Erdkörper einwirken und zur Gesteinsbildung beitragen. Jedes Gestein kann an Hand seiner spezifischen Ausbildung (Gefüge, Struktur) einer der drei großen Gesteinsfamilien zugeordnet werden: Sedimentite, Magmatite und Metamorphite. Jedes Gestein kann durch geologische Vorgänge in ein Gestein der jeweils anderen beiden Familien umgewandelt werden, (siehe dazu: Kreislauf der Gesteine). Die Prozesse, die an der Erdoberfläche wirken, werden als exogen, die im Erdinneren als endogen bezeichnet. Die exogene Dynamik führt zur Bildung von Sedimentgesteinen. Dies geschieht durch
- physikalische Erosion anderer Gesteine durch Wind, Wasser oder Eis, und Massenbewegungen großer Gesteinsmengen unter dem Einfluss der Schwerkraft,
- chemische Verwitterung,
- physikalische Ablagerung des zerkleinerten Materials (Detritus), z.B. als Sand,
- chemische Ausfällung von Evaporiten (wie z.B. anorganische Kalke, Gips, Salz) und
- biogene Bildung von Sedimenten (wie die meisten Kalksteine oder Diatomit).
- Ein eigenes, komplexes Gebiet exogener Prozesse behandelt die Bodenkunde. Die endogene Dynamik führt zur Bildung von Metamorphiten und Magmatiten. Sie beginnt mit der
- Erhöhung des Drucks, unter der andauernden Ablagerung von weiteren Sedimenten auf die unterlagernden Schichten. Durch Entwässerung, Kompaktion und Verfestigung (Diagenese) wird aus den Lockersedimenten festes Gestein, wie z.B. Sandstein.
- Die Verformung von Gesteinen und die Rekristallisierung von Mineralen unter zunehmend höheren Temperaturen und Drücken wird als Metamorphose bezeichnet. Dabei bleibt das Gestein aber zunächst noch in festem Zustand. Aus magmatischen Gesteinen und grobkörnigen Sedimenten entstehen dabei oft Gneise, aus feinen Sedimenten Schiefer.
- Schließlich kann es aber doch zur Aufschmelzung der Gesteine kommen (Anatexis). Glutflüssige Magmen steigen dann wieder aus dem Erdmantel auf.
- Wenn die Magmen in der Erdkruste stecken bleiben und erkalten, bilden sich Plutonite, z.B. aus Granit, wenn sie die Erdoberfläche erreichen, kommt es zur Bildung von Vulkaniten wie Lava oder vulkanische Asche. Die Bewegungen, die die Oberflächengesteine in die Tiefe verfrachten, verformen und falten, aber gleichzeitig die Tiefengesteine wieder an die Oberfläche bringen, sowie die Spuren, die diese Kräfte in den Gesteinen hinterlassen, wie Faltung, Scherung und Schieferung, werden von der Tektonik und der Strukturgeologie untersucht.

Historische Geologie

Die historische Geologie erforscht die Geschichte der Erde im Allgemeinen und die Entwicklungsgeschichte (Evolution) der Lebewesen im Besonderen. Um aus der heutigen Situation Rückschlüsse auf die Vergangenheit ziehen zu können, bedienen sich die Geologen des Prinzips des Aktualismus. Dieses lässt sich in einem Satz zusammenfassen: Der Schlüssel zur Vergangenheit ist die Gegenwart. Auf die geologische Wirklichkeit angewandt: Findet ein Geologe alte Gesteine, die z.B. fast identisch mit ausgeflossenen Laven eines heute aktiven Vulkans sind, dann geht er davon aus, dass es sich bei dem gefundenen Gestein ebenfalls um vulkanisches Material handelt. Allerdings lässt sich der Aktualismus nicht auf alle Gesteine anwenden. Z.B lässt sich die Bildung von Eisenerzlagerstätten (BIF—„Banded Iron Formations“) heute nicht mehr beobachten, da sich die chemischen Bedingungen auf der Erde derart geändert haben, dass die Entstehung solcher Gesteine nicht mehr stattfindet. Andere Gesteine bilden sich eventuell in solchen Tiefen, dass ihre Bildung außerhalb des Zugriffs des Menschen liegt. Um die Entstehung solcher Gesteine zu verstehen, greifen die Geowissenschaftler auf Laborexperimente zurück. Geologen unterscheiden sich von anderen Naturwissenschaftlern in ihrer Haltung gegenüber der Zeit. Physiker und Chemiker beobachten Vorgänge, die oftmals nur Bruchteile von Sekunden andauern: eine rasch ablaufende chemische Reaktion wie eine Explosion oder radioaktiver Zerfall von Atomkernen. Die Bildung eines Gebirges, oder die Ablagerung mächtiger Sedimentschichten, kann aber mehrere Dutzend Millionen Jahre dauern. Um sich in diesen riesigen Zeiträumen zurechtzufinden, wurde die geologische Zeitskala entwickelt. (siehe auch geologische Zeitskala (Tabelle)) Als Instrument zur Entwicklung einer geologischen Zeittafel oder -skala benutzen Geologen die Stratigraphie. Die Grundlage der Stratigraphie bildet ein einfaches Prinzip: die Lagerungsregel. Eine Schicht im Hangenden ('oben') wurde später abgelagert, als die Schicht im Liegenden ('unten'). Allerdings sollte beachtet werden, dass ursprünglich horizontal abgelagerte Schichten durch spätere tektonische Bewegungen verstellt oder sogar überkippt sein können. In diesem Fall ist man auf die Existenz von eindeutigen Oben-Unten-Kriterien angewiesen, um die ursprüngliche Lagerung zu bestimmen. Weiterhin gilt, dass Schichten, die solche verstellten Gesteine mit einer Diskordanz, dh. schiefwinklig zur Schichtung, überlagern, ebenfalls jünger sind als letztere. Dasselbe gilt aber auch für magmatische Gänge und Intrusionen aus der Tiefe, die die Schichten von unten durchschlagen. Bei der Erstellung eines stratigraphischen Profils werden besonders Erkenntnisse der Paläontologie angewandt. Wenn die Reste eines bestimmten Lebewesens (Fossil) nur in ganz bestimmten Schichten auftreten, gleichzeitig aber eine weite, überregionale Verbreitung haben, und möglichst unabhängig von örtlichen Variationen der Ablagerungsbedingungen (Fazies) sind, dann spricht man von einem Leitfossil. Alle Schichten, in denen sich diese Leitfossilien finden, haben somit das selbe Alter. Nur wenn keine Fossilien vorhanden sind muss man Zuflucht zur Lithostratigraphie nehmen. Dann kann die Zeitgleichheit bestimmter Schichten nur bei seitlicher Verzahnung nachgewiesen werden. Um tektonische Abläufe zu rekonstruieren, untersucht der Geologe den Versatz und die Verformung der Gesteine durch Klüftung, Schieferung, Störung und Faltung. Auch hier sind diejenigen Strukturen die jüngsten, die die anderen durchschlagen, aber selbst nicht versetzt sind. Die Kunst ist hier Verwickeltes einfach, Ruhendes bewegt zu sehen. (Hans Cloos) Ein prinzipielles Problem ist die Tatsache, dass man mit obigen Methoden nur eine relative Zeitskala (Geochronologie), ein Vorher-Nachher der verschiedenen Gesteinsbildungen, aber keine absoluten Datierungen erhält. Zwar hatte man schon früh versucht die Sedimentationsraten bestimmter Gesteine zu schätzen, aber leider steckt die meiste Zeit ja nicht in den Schichten selbst, die sich in relativ kurzer Zeit gebildet haben können, sondern v.a. in den Lücken zwischen den Schichten und in den Diskordanzen zwischen verschiedenen Schichtpaketen. Deshalb reichte die absolute Zeitskala, die mit Hilfe von Jahresringen in Bäumen (Dendrochronologie, oder durch Auszählung der Warven-Schichtung in Ablagerungen der letzten Eiszeit gewonnen wurden, nur wenige tausend Jahre zurück. Erst mit der Entdeckung der natürlichen Radioaktivität fanden sich zuverlässige Methoden für die absolute Datierung, auch von ältesten Gesteinen. Siehe auch: Rubidium-Strontium-Methode, Kalium-Argon-Methode, Radiokarbon-Methode.

Angewandte Geologie

Die angewandte Geologie gliedert sich in eine Vielzahl unterschiedlichster Felder, die sich sowohl unter einander als auch mit anderen Wissenschaften verzahnen. Der Nutzen besteht nicht nur in der effizienten Ausbeutung der natürlichen Ressourcen der Erde, sondern auch in der Vermeidung von Umweltschäden und der Frühwarnung vor Naturkatastrophen, wie Erdbeben, Vulkanausbrüchen und Tsunamis. Siehe: Geowissenschaften Einige wichtige Teilgebiete der angewandten Geologie sind beispielsweise:
- Hydrogeologie
- Ingenieurgeologie
- Lagerstättenkunde Es besteht eine enge Verzahnung angewandter geologischer Gebiete mit anderen Disziplinen, wie z.B. Bauingenieurwesen, Bergbau- und Hüttenwesen, Materialkunde oder Umweltschutz.

Liste bedeutender Geologen

- Georgius Agricola (1494 - 1555)
- Friedrich August von Alberti (1795 - 1878)
- Leopold von Buch (1774 - 1853)
- Johann Georg von Charpentier (1786 - 1855)
- Hans Cloos (1885 - 1951)
- Alcide Dessalines d'Orbigny (1802 - 1857)
- James Dwight Dana (1813 - 1895)
- Bartholomäus Eberl (1883-1960)
- Rudolf Falb (1838-1903)
- Karl von Fritsch (1838 - 1906)
- Gerard Freiherr von de Geer (1858 - 1943)
- James Hutton (1726 - 1797)
- Charles Lyell (1797 - 1875)
- Albrecht Penck (1858 - 1945)
- Karl von Raumer (1783 - 1865)
- William Smith (1769 - 1839)
- Hans Stille (1876 - 1951)
- Eduard Suess (1831 - 1914)
- Otto Martin Torell (1828 - 1900)
- Alfred Wegener (1880 - 1930)
- Abraham Gottlob Werner (1749 - 1817)

Siehe auch

- Geowissenschaften
- Geschichte der Geologie
- Liste geologischer Begriffe
- Wollaston-Medaille
- Geological Society of London

Literatur

- Frank Press und Raymond Siever (3. Aufl. 2003): Allgemeine Geologie, Spektrum Akademischer Verlag, ISBN 3-8274-0307-3 (Originalausgabe: Understanding Earth, W.H.Freeman & Co. New York)
- Heinrich Bahlburg, Christoph Breitkreuz: Grundlagen der Geologie., 2. Aufl. 2003. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, ISBN 3-8274-1394-X
- Georg Agricola: Vom Berg- und Hüttenwesen, Dünndruckausgabe im dtv, ISBN 3-423-06086-7.
- Helmut Hölder (1989): Kurze Geschichte der Geologie und Paläontologie, Springer-Verlag, ISBN 3-540-50659-4
- Hans Murawski und Wilhelm Meyer (11. Aufl. 2004): Geologisches Wörterbuch, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, ISBN 3-8274-1445-8
- Steven M. Stanley: Historische Geologie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, ISBN 3-86025-009-4. (Originalausgabe: Earth and Life through Time, W. H. Freeman, New York)
- Alan Cutler: Die Muschel auf dem Berg, Knaus, ISBN 3813501884

Weblinks

- [http://www.chgeol.org CHGEOL - Schweizer Geologen Verband]
- [http://www.geoforum.ch GEOforumCH - Die Platform für Geowissenschaften der Akademie der Naturwissenschaften Schweiz]
- [http://www.erlebnis-geologie.ch Erlebnis Geologie]
- [http://www.g-o.de g-o.de – Internetmagazin für Geo- und Naturwissenschaften]
- [http://www.geologieinfo.de/geolexikon/ Geo-Glossar - Wörterbuch für Begriffe aus der Geologie, Mineralogie, Paläontologie...]
- [http://www.vulkanweg.de/geo-lexikon_a.html Geo-Lexikon]
- [http://www.geosciences-forum.com/ Geosciences-Forum: Geologie]
- http://themenpark-umwelt.baden-wuerttemberg.de
- [http://www.geodienst.de/geschichte.htm Personen und Daten zur Geschichte der Geologie und Paläontologie]
- [http://www.eldey.de/Geologie/geologie.html Texte zur allgemeinen Geologie und regionalen Geologie Islands]
- [http://elm-asse-kultur.de/html/geologie.html Zur Geologie des norddeutschen Raums] Kategorie:Naturwissenschaft ! ja:地質学 ko:지질학 nb:Geologi th:ธรณีวิทยา

Legierung

In der Metallurgie ist eine Legierung eine feste Lösung von zwei oder mehr chemischen Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist und die einen metallischen Charakter hat. Die Legierungselemente werden dem Basismetall im schmelzflüssigen Zustand mit der Absicht zugefügt, die Werkstoffeigenschaften (Beispiele Härte, Korrosionsbeständigkeit) auf die gewünschte Weise zu ändern. Im Gegensatz dazu stehen die Fremdstoffe. Legierungselemente und Basismetall werden auch Komponenten einer Legierung genannt. Siehe auch Liste der Legierungselemente.

Wortherkunft

Das Verb legieren stammt ursprünglich aus dem lateinischen ligare und bedeutet zusammen - binden, verbinden oder auch vereinigen. Im 17. Jahrhundert wurde das inzwischen leicht abgewandelte legare (von gleicher Bedeutung) ins Deutsche übernommen.

Einteilung

Je nach Anzahl der Komponenten in der Legierung spricht man von einer Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung, wobei nur diejenigen Komponenten gezählt werden, die die charakteristischen Eigenschaften bestimmen. Da Eisen und Stahl in der Technik von besonderer Bedeutung sind, werden Legierungen in Eisen- und Nichteisen-Legierungen unterteilt. Weitere Einteilungen ergeben sich durch die Art der Legierungsbildung, da diese nicht nur durch Zusammenschmelzen der Komponenten entstehen oder auch durch besondere Fähigkeiten von Legierungen.
- Natürliche Legierungen entstehen durch Hitzeeinwirkung und Aufschmelzen von Elementen zum Beispiel im Inneren von Himmelskörpern. Da diese Legierungen natürlich nicht von Menschen gesteuert wurden, unterliegen sie auch nicht deren definierten Zusammensetzungen und Eigenschaften.
- Eisenlegierungen werden in Gusseisen und Stahl unterteilt. Die Unterscheidung beruht auf dem Gehalt an Kohlenstoff. Siehe Hauptartikel Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.
- Nichteisen-Legierungen (NE-Legierungen; Beispiel Bronze, Messing, Amalgame) sind Legierungen auf der Basis von Nichteisenmetallen ohne Eisen.
- Diffusionslegierungen entstehen durch die Diffusion von Atomen ins Kristallgitter der Basismetalle. Besonders die ersten Elemente im Periodensystem sind wegen der Kleinheit ihrer Atome gegenüber dem Basismetall in der Lage, in dessen Kristallgitter einzuwandern. Das beste Beispiel für eine Diffusionslegierung ist das Aufkohlen von Werkstücken, um sie härten zu können.
- Heuslersche Legierungen sind magnetische Legierungen, die kein Eisen, Kobalt oder Nickel enthalten (Beispiel Ni₂MnGa, Cu₂AlMn).
- Formgedächtnis-Legierungen sind Metalle, die nach einer Verformung durch Hitzeeinwirkung zur ihrer Ursprungsform zurückkehren.
- Pseudolegierungen nennt man die durch Sintern (Zusammenpressen verschiedener, innig vermengter Metallpulver) entstandenen Werkstücke. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Elemente mischen, die sich im schmelzflüssigen Zustand nicht ineinander lösen würden. Viele Wolfram-Legierungen werden z. B. so hergestellt.

Geschichte

Wolfram Kupfer ist eines der ersten vom Menschen genutzten Metalle; es wurde wohl vor etwa 6000 - 10000 Jahren per Zufall in besonders heiß brennenden Holzkohlefeuern entdeckt, wo es in reiner Form aus kupferhaltigen Gesteinen austreten kann. Auch Zinn wurde früh entdeckt, vor ca. 5000 Jahren. Von der Entdeckung dieser beiden Metalle bis zur Herstellung erster Legierungen (CuSn = Bronze) daraus war es dann nur noch ein kurzer Weg, was einer ganzen Kulturepoche (Bronzezeit) ihren Namen gab. Waffen, Gebrauchsgegenstände und Schmuck wurden aus Bronze hergestellt. Bronzezeit Zinkerz (Zinkcarbonat, ein Zinksalz) ist seit der Bronzezeit bekannt und wurde in der Antike mit Kupfer zu Messing (CuZn) legiert. Bereits etwa 3000 vor Christus wurde es in Babylon und Assyrien verwendet, in Palästina etwa 1400 - 1000 vor Christus. Messing fand vor allem als Münzlegierung Verwendung. Eisen-Legierungen wurden bereits in der Antike verwendet, allerdings nur aus Meteoriten, in denen sich häufig die Legierung Eisen-Nickel (Fe-Ni) befindet. Da Meteoriten selten gefunden wurden, waren Gegenstände aus Eisen entsprechend wertvoll. Die Sumerer nannten es „Himmelsmetall“, die Ägypter „schwarzes Kupfer vom Himmel“. Verhüttetes Eisen (Erkennung durch Fehlen von Nickel) wurde in Mesopotamien, Anatolien und Ägypten gefunden und ist etwa 3000 bis 2000 vor Christus entstanden. Es war wertvoller als Gold und wurde vor allem für zeremonielle Zwecke verwendet. Siehe auch Eisenzeit.

Legierungsformel

Um eine Legierung zu beschreiben, gibt man üblicherweise die prozentualen Massenanteile ihrer Komponenten an. Die Legierung CuZn 37 (frühere Bezeichnung Messing 63) besteht zum Beispiel aus 37% Zink und 63% Kupfer, d.h. in 100 kg CuZn 37 sind 37 kg Zink und 63 kg Kupfer enthalten. Die Angabe von Legierungsanteilen ist unter anderem durch die DIN 1310 Zusammensetzung von Mischphasen (Gasgemisch, Lösungen, Mischkristall); Grundbegriffe geregelt.

Zustandsschaubild (Zustandsdiagramm, Phasendiagramm)

Wie sich Legierungselemente innerhalb einer Legierung verhalten, hängt von mehreren Faktoren ab:
- Kristallsystem von Basismetall und Legierungselement
- Menge und Massenanteil der Legierungselemente
- Temperatur. Durch Kristallisations-Versuchsreihen mit verschiedenen Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung bei der Thermischen Analyse werden die Kristallisations- bzw. Kristallumwandlungspunkte aufgezeichnet und in ein Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramm eingetragen, wobei die Temperatur in Abhängigkeit zur Legierungszusammensetzung steht. Für Zweistoffsysteme haben sich dabei vor allem in Hinsicht auf das Kristallsystem drei typische Formen von Zustandsschaubildern ergeben:

Mischkristalle mit vollständiger Löslichkeit im festen Zustand

Es gibt zwei Möglichkeiten der Bildung von Mischkristallen (MK), Einlagerungs- und Substitutionsmischkristall. Typische Substitutions-MK-Bildner sind Eisen-Chrom, Eisen-Nickel, Gold-Kupfer, Gold-Siber und Kupfer-Nickel. Ein wichtiger Vertreter von Einlagerungs-MK ist Austenit (γ-Eisen-Kohlenstoff). Damit eine Legierung in jeder Zusammensetzung Mischkristalle mit vollkommener Löslichkeit im festen Zustand bilden kann, sind folgende Voraussetzungen nötig: #Beide Metalle müssen das gleiche Kristallsystem aufweisen (beispielsweise kubisch). #Die Gitterkonstanten dürfen sich um maximal etwa 15% unterscheiden. #Die beiden Metalle müssen eine „gewisse chemische Ähnlichkeit“ haben. #Die Elektronegativitätsdifferenz darf „nicht zu groß“ sein. Durch die Mischkristallbildung wird auch bei noch so großer Ähnlichkeit der Legierungselemente immer das Kristallgitter verzerrt, da die verschiedenen Elemente auch verschiedene Atomdurchmesser besitzen. Dadurch entstehen Spannungen; die Gleitebenen der Kristallite werden dabei behindert, Verformungen nachzugeben. Die Gitterverzerrung erhöht also die Härte. Ein beliebtes Beispiel für eine Legierung mit vollkommener Löslichkeit im festen Zustand ist das Zweistoffsystem Cu-Ni. Die Legierungen (Kurven 2-5) erstarren im Gegensatz zu den Basismetallen (Kurven 1,6) nicht bei einer festen Temperatur, sondern in einem Haltebereich. Die Temperatur bleibt also nicht konstant, sondern sinkt langsam. Die Haltebereiche verschiedener Zusammensetzungen einer Legierung liegen jedoch immer zwischen den jeweiligen Erstarrungstemperaturen ihrer reinen Komponenten. Ursache dafür ist die „Behinderung“ der Kristallisation in einer Legierung durch Komponente A (Kurve 1), die, wenn sie könnte, bei noch tieferer Temperatur erstarren würde. Komponente B dagegen „drängt“ auf Erstarrung, die eigentlich schon eher hätte beginnen müssen. Diese Tatsache ist auch der Grund dafür, dass die während der Erstarrung entstehenden Kristalle ihr Mischungsverhältnis ändern und erst bei genügend langsamer Abkühlung (thermisches Gleichgewicht) bis zum Ende der Erstarrung das gewünschte Mischungsverhältnis durch Diffusion erreicht wird. Ablesen lassen sich diese Zusammensetzungen am Zustandsschaubild, indem man durch jeden beliebigen Punkt an der ausgewählten Legierung (Bild W_L) eine Waagerechte zur Soliduslinie zieht. Bei der Temperatur T_Li (Beginn der Erstarrung) besitzen die ersten Kristalle also eine Zusammensetzung von W_MLi. Auch die jeweilige Zusammensetzung der Restschmelze lässt sich auf diese Weise ermitteln, indem man zum Beispiel bei T_m die Waagerechte bis zur Liquiduslinie durchzieht. Die Schmelze hätte also an diesem Punkt die Zusammensetzung W_Sm und die Mischkristalle die Zusammensetzung W_Mm. Mit Hilfe des Zustandsschaubildes lässt sich auch berechnen, wie hoch bei jeder Zwischentemperatur der Anteil an Schmelze bzw. der Anteil an Mischkristallen ist:

Mischkristalle mit vollständiger Unlöslichkeit im festen Zustand

Legierungen dieser Art sind zwar in der Schmelze ineinander gelöst, entmischen sich jedoch während der Kristallisation vollständig. Es entsteht ein Kristallgemisch der reinen Komponenten. (siehe Gefügeschliffbilder-Eutektikum) Auch bei getrennter Kristallbildung erstarren die Legierungen 2, 4 und 5 zunächst in einem Haltebereich. Gegen Ende der Erstarrung beschreiben die Temperaturkurven allerdings einen Haltepunkt ähnlich dem eines reinen Metalls. Legierung 3 erstarrt sogar ausschließlich in einem Haltepunkt. Der Grund für dieses Verhalten liegt in der starken, gegenseitigen Behinderung der beiden Komponenten, die sich während der Kristallisation entmischen, um Kristalle der eigenen Art bilden zu können. Das Maximum an gegenseitiger Störung liegt demnach bei Legierung 3, bei der sich im Erstarrungspunkt gleichzeitig Kristalle der Komponenten A und B bilden. Bedingt durch die anhaltende, gegenseitige Behinderung beim Entmischen und der tiefen Temperatur sind die Wege der Atome allerdings sehr klein und das Kristallgemisch daher sehr feinkörnig. Dieser Besonderheit wegen erhält Legierung 3 den Namen Eutektische Legierung (= Das Feine ; Das Wohlgebaute). Die allen Legierungen gemeinsame Soliduslinie wird entsprechend Eutektikale genannt und die dazu gehörige Temperatur eutektische Temperatur (T_Eu). Ein herausragendes Beispiel für eine eutektische Legierung mit besonders tiefem Schmelzpunkt ist die Wood'sche Legierung, deren Schmelzpunkt bei 70 °C liegt. Bei Legierungen, die entweder links (= untereutektisch) oder rechts (= übereutektisch) vom Eutektikum liegen, erstarren zunächst Primärkristalle der Komponente A bzw. Primärkristalle der Komponente B. Der Anteil an Primärkristallen in einer Legierung lässt sich mithilfe des Zustandsschaubildes errechnen. Die Berechnung setzt dabei am Punkt T_Eu an, also an der Stelle, an der die Legierung gerade eben die eutektische Zusammensetzung erreicht:

Mischkristalle mit begrenzter Löslichkeit im festen Zustand

Legierungen dieser Art können, wie der Titel schon andeutet, zwar Mischkristalle bilden, jedoch nicht in jeder Zusammensetzung. Im Gegensatz zu Legierungen mit vollkommener Löslichkeit unterscheiden sich hier die Atomgrößen stärker, was bedeutet, dass die Gitterverzerrungen ab einer gewissen Zusammensetzung unerträglich werden. Auch das Kristallsystem kann ein Hindernis sein, wenn sich die Legierungselemente im Kristallsystem zwar ähnlich, aber nicht gleich sind. So kann zum Beispiel jede Komponente in der Legierung Blei (kubisch-flächenzentriert) - Zinn (tetragonal-raumzentriert) mit der anderen in begrenztem Maße Austausch-Mischkristalle bilden. Typische MK-Bildner begrenzter Löslichkeit: Aluminium-Magnesium, Blei-Zinn, Kupfer-Aluminium, Kupfer-Zink, Kupfer-Zinn, Zink-Aluminium Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand heißt aber nicht nur, dass die eine Komponente beim Kristallisieren bis zu einem gewissen Prozentsatz Atome der anderen Komponente aufnehmen kann, sondern auch, dass die Löslichkeit bei sinkender Temperatur abnimmt. Da die Bewegungsenergie der Atome geringer wird, schrumpft natürlich auch entsprechend die Gitterkonstante des vorliegenden Kristallsystems, und es bietet Fremdatomen weniger Platz. Die Folge davon ist, dass die Mischkristalle ab der Übergangstemperatur T_Ü beginnen, sich zu entmischen. Genau diese Eigenschaft - teilweise Entmischung der Komponenten durch abnehmende Löslichkeit bei tieferen Temperaturen - wird beim Härten einer solchen Legierung ausgenutzt. Man spricht hierbei auch von der Ausscheidungshärtung. Legierung 1 erstarrt somit von T_{Li 1} bis T_{Sol 1} zu Mischkristallen mit dem Kristallsystem von A, genannt α-Kristalle. Bis T_Ü bleibt der homogene Zustand erhalten. Die Mischkristalle sind gesättigt, was bedeutet, dass Komponente A bis zur, für diese Legierung, maximalen Löslichkeit die Komponente B aufgenommen hat. Bei T_Ü wandern die Atome von B entsprechend der maximalen Löslichkeit für diese Temperatur zu den Korngrenzen und bilden dort Sekundär-Mischkristalle mit dem Kristallsystem von B, genannt β-Mischkristalle. Zum Ausgleich diffundieren entsprechend A-Atome ins Korninnere. Der Anteil der Sekundär-Mischkristalle lässt sich nach folgender Formel berechnen: Legierung 2 kristallisiert zunächst genau wie Legierung 1. Bei Erreichen der Eutektikalen erstarrt die Restschmelze jedoch in einem Haltepunkt und es bildet sich ein feinkörniges Gemisch aus α- und β-Mischkristallen, welches, wie bei getrennter Kristallbildung, Eutektikum genannt wird. Die zuvor entstandenen α-Mischkristalle entsprechen den Primärkristallen. Unterhalb der Eutektikalen scheiden auch bei dieser Legierung aus den Primär-α-Mischkristallen B-Atome aus. Um hier den Anteil der Sekundär-β-Mischkristalle aus den Primär-Kristallen berechnen zu können, muss zuerst der Anteil an Primärkristallen an der Gesamtlegierung berechnet werden. Die Berechnung entspricht derjenigen bei getrennter Kristallisation. Anschließend wird der Anteil Sekundär-β-Mischkristalle aus den Primärkristallen berechnet und mit dem Anteil der Primärkristalle multipliziert : Die Anteile der Sekundär-Kristalle im Eutektikum zu berechnen macht keinen Sinn, da sie hier keine neue Phase bilden. Es werden lediglich Atome, unter Erhaltung des Kristallsystems, umgruppiert. Weder im Gefügeschliffbild noch in den technischen Eigenschaften lassen sich deshalb Unterschiede feststellen.

Intermediäre Kristalle

Eine weitere Möglichkeit zur Legierungsbildung besteht darin, dass die beteiligten Elemente zwar einen gemeinsamen Kristall bilden, der jedoch keinem Kristallsystem der Basiselemente ähnelt. Es entsteht ein eigenes Kristallsystem, dass im Gegensatz zu denen von reinen Metallen sehr kompliziert aufgebaut ist und zudem sehr hart und spröde ist. Außerdem erfordern diese Kristalle ein festes Atomzahlenverhältnis. Eine Legierung mit intermediärer Kristallbildung, deren Legierungselemente ausschließlich Metalle sind, nennt man intermetallische Verbindung oder auch Intermetallische Phase. Beispiele für intermediäre Kristallisation sind Al₂Cu, Mg₂Si, Cu₄Sn, Fe₃C (Zementit) und WC (Wolframkarbid). Die Kristallisationsformel gleicht der Formel für chemische Verbindungen, welche aber im Gegensatz zu Legierungen eine völlig andere Verbindungsart aufweisen.

Literatur

- Erwin Riedel, Anorganische Chemie. de Gruyter, Berlin, 2002, ISBN 3-11-017439-1
- A. F. Holleman, Egon Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin, 1995, ISBN 3-11-012641-9
- Alfred Böge: Das Techniker Handbuch, Vieweg Verlag, ISBN 3-528-14053-4
- Wilhelm Domke: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, Cornelsen Verlag, ISBN 3-590-81220-6
- Dieter Kohtz: Einführung in die Werkstoffkunde für Metallschweißer, der praktiker 83/84, DVS-Verlag [http://www.dvs-verlag.de/de/zeit/prak/]

Weblinks

- [http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_4/advanced/t4_1_1.html Uni Kiel - Geschichte des Stahls]
- [http://www-user.tu-chemnitz.de/~bfri/geschichte.htm Techn. Uni Chemnitz - Geschichte]
- [http://www.kupfer-institut.de/front_frame/frameset.php3?client=1&lang=1&idcat=27&parent=14 Kupfer-Institut - Kupfer]
- [http://www.rheinzink.de/127.aspx Rheinzink - Geschichte des Zink]
- [http://www.formteile.ch/eisen.