Erdzwerge erklären: Calcit und seine Geschwister EarthCache

Ein EarthCache für Entdecker und Kristallfans

Willkommen bei den Erdzwergen!

Du hast einen EarthCache entdeckt – und nicht irgendeinen, sondern einen mit Zwergenmagie!
Denn Geologie ist nicht nur was für Leute mit Hammer und Lupe – sie ist ein Abenteuer unter deinen Füßen! Unser Erdzwerg Sandringli versucht für euch die Geologie aus ihrem "staubigen Dasein" zu befreien und sie mit Leben, Witz und Entdeckerfreude zu füllen.

Was dich nun erwartet!

Taucht mit Sandringli in die faszinierende Welt der Formen und Farben ein und findet glitzernde Schätze!
Ein EarthCache, der auch für Kinder, Familien und neugierige Einsteiger geeignet ist,
keine Angst vor Fachbegriffen – hier wird alles verständlich erklärt.

Bitte beachtet die Öffnungszeiten des Museumsparks und dass ein Eintrittsgeld zu entrichten ist.

Die Mineralien der Calcitgruppe

Die Calcitgruppe ist eine Untergruppe der "wasserfreien Carbonate ohne fremde Anionen" und umfasst eine Reihe von Mineralien, die strukturell und chemisch eng verwandt sind.
Was heißt das?
Die chemische Verwandtschaft besteht darin, dass es sich bei allen Mineralien um Carbonat-Verbindungen handelt, das bedeutet ein Teil der Verbindung ist immer das 2fach negativ geladene Carbonat-Ion CO₃^2-. Der andere Teil ist ein 2fach positiv geladenes Metall-Ion, z.B. Calcium (Ca²⁺) beim am häufigsten vorkommenden Calcit, Magnesium (Mg²⁺) beim Magnesit, Eisen (Fe²⁺) beim Siderit und bilden dann entsprechend CaCO₃, MgCO₃ bzw. FeCO₃ als mineralische Verbindung. Dieses sind die wichtigsten Mitglieder der Calcit-Familie:

• Calcit (CaCO₃)
• Magnesit (MgCO₃)
• Siderit (FeCO₃)
• Rhodochrosit (MnCO₃)
• Smithsonit (ZnCO₃)
• Sphärocobaltit (CoCO₃)
• Otavit (CdCO₃)
• Gaspéit (NiCO₃, ggf. noch mit Anteilen von Mg und Fe)

Gemeinsame und unterschiedliche Merkmale

Durch das Carbonat-Ion (in der Grafik unten rot/schwarz dargestellt), welches die gemeinsame chemische Einheit der Mitglieder der Calcit-Gruppe darstellt, werden viele der gemeinsamen Eigenschaften der Minerale bestimmt. Dieses Ion hat eine flache, dreieckige Struktur und ist in paralleler Position im Kristall angeordnet, das heißt die Carbonat-Ionen bilden Schichten parallel zur Basisfläche, bei denen immer die Sauerstoffatome (rot in der Grafik dargestellt) immer zur Seite zeigen und nicht nach oben oder unten.

Elementarzelle Calcit (die Carbonat-Ionen sind rot/schwarz dargestellt, grün das Metall-Ion wie z.B. Calcium) - Quelle: Wikipedia

Diese spezifische Anordnung verursacht eine starke Doppelbrechung, die bei Mineralien der Calcitgruppe beobachtet wird. Doppelbrechung heißt, dass Licht, welches durch das Mineral tritt, in zwei Strahlen aufgeteilt wird, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in leicht unterschiedliche Richtungen durch den Kristall bewegen. So sieht man ein Bild „doppelt“, wenn man es durch Calcit betrachtet.

Doppelbrechung von Calcit - Quelle: Uni Hannover

Die oben genannten Vertreter der Calcit-Gruppe kristallisieren alle im trigonalen Kristallsystem (dazu später mehr). Die Mohshärte ist mit 3 - 5 (mit Kupfermünze oder Taschenmesser ritzbar) relativ gering. Wie viele Carbonate sind diese auch leicht durch Säuren angreifbar und lösen sich unter Entwicklung von Kohlendioxid.
Die Mineralien der Calcit-Gruppe haben zum Teil sehr unterschiedliche Farben. Das liegt an den verschiedenen Metall-Ionen, die auf unterschiedliche Weise mit Licht interagieren und so als sogenannter Chromophor (farbgebendes Element) fungieren. Charakteristische Farben gehen von farblos/weiß bis gelb und braun, aber auch rosa, rote, grüne und blaue Farbtöne treten auf.

Entstehung

Viele Mineralien der Calcitgruppe bilden sich durch Ausfällung aus wässrigen Lösungen, als Beispiel für Calcit nach dem folgenden chemischen Gleichgewicht:

    Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ ← → CaCO₃ + H₂O + CO₂

Das heißt wir haben Wasser in dem einerseits gelöstes Calcium (Ca²⁺), andererseits gelöstes Hydrogencarbonat (HCO₃⁻, das entsteht z. B. durch Kohlendioxid aus der Luft, das sich in Wasser löst) schwimmt. Es hat aber nur eine bestimmte Menge an gelösten Ionen im Wasser Platz, wenn die Konzentration der gelösten Stoffe im Wasser zu groß wird, bildet sich dann fester Calcit oder andersartige Kalksteine mit der Zusammensetzung CaCO₃.

Kristallformen

Wie entstehen eigentlich Kristalle? Calcit hat mit CaCO₃ die gleiche chemische Zusammensetzung wie Kalk, der z. B. auch als Belag im Wasserkocher entsteht. Im Wasserkocher wird man aber keine schöne große Kristalle bekommen. Kristalle sind sehr geordnete Strukturen und entstehen, wenn sich Moleküle immer wieder in gleicher Weise und Position aneinanderlagern. Dieser Prozess braucht entsprechende Bedingungen, dass dieses möglich ist, und auch seine Zeit. Beim Kalk im Wasserkocher können auch kleine Kristalle entstehen. Durch die Bedingungen dort kommt es aber immer wieder vor, dass sich Moleküle in „falscher“ Position anlagern und so das Kristallgefüge dann unterbrechen, das dann in anderer Ausrichtung weiter wächst. Dieses kann man sich vielleicht bildlich veranschaulichen, wenn ich Löffel in eine Schublade sortieren will. Wenn ich diese einfach nacheinander in die Schublade rein werfe, können auch mal ein paar Löffel schön nebeneinander liegen, in Summe ist es aber ein relativ ungeordneter Haufen (wie Kalk beim Wasserkocher). Wenn die Löffel aber fein säuberlich Rücken an Rücken einsortiert werden, kann man eine große geordnete Struktur schaffen (wie bei einem Kristall).

Die Mitglieder der Calcit-Gruppe kristallisieren im trigonalen Kristallsystem. Dieses ist eines von sieben Hauptkristallsystemen und ist durch eine einzige, dreizählige Drehachse gekennzeichnet. Das heißt, dass der Kristall um eine Symmetrieachse (c-Achse) gedreht werden kann und sich die Form des Kristalls nach einer Drittel Umdrehung (sprich 120°) wiederholt.

Trigonales Kristallsystem - Symmetrieachsen

Typische Kristallformen sind z.B. trigonale Pyramiden, Rhomboeder, trigonale und hexagonale Prismen oder Skalenoeder. Diese können in vielfältiger Weise kombiniert werden und Hunderte von unterschiedlichen Kristallformen bilden (um die 800 sind bekannt). Beispielhaft hier eine kleine Auswahl von Kristallformen des Calcits:

z.B. A: trigonale Pyramide, B: Rhomboeder; E: Skalenoeder; F: hexagonales Prisma mit Rhomboedern G: parallele Anordnung flacher Rhomboeder 

Logbedingungen:

Geht ins Otto-Torell-Haus (s. Wegpunkt) - ganz hinten sind zwei Vitrinen mit einigen Ausstellungsstücken (s. Bild)

1. Ihr findet in der Vitrine je einen Siderit, Rhodochrosit (hier an der unteren Seite des Steins schauen!) und Smithsonit. Beschreibt diese drei: jeweils Beschaffenheit des Grundgesteins, Farbe des Minerals, Kristallgröße und (wenn erkennbar!) Kristallform

2. Welche Vertreter der Calcitgruppe außer Calcit selbst und den drei Mineralien aus Frage 1 findet ihr noch. Beschreibt deren Größe und Farbe.

3. Findet in der Vitrine (obere zwei Etagen) die Ausstellungsstücke "101 Calcit Doppelspat", "109 Calcit auf Dolomit, Erzgebirge" und "104 Kalkstein" (nicht verwirren lassen, die Nummern kommen in der Vitrine mehrfach vor - die Namensgebung dazu muss passen). Beschreibt die Kristalle: Farbe, Größe und Kristallform. Könnt ihr Formen (A - G) aus dem Bild im Listing wiedererkennen?

4. Mache ein  Foto von dir oder einem persönlichen Gegenstand von dir vor dem Otto Torell Haus und füge dieses Deinem Log hinzu.

Quellen:

Wikipedia (u.a. https://de.wikipedia.org/wiki/Calcit, https://de.wikipedia.org/wiki/Kristallmorphologie)

National History Museum of Utah: https://nhmu.utah.edu/articles/2023/09/what-is-calcite

Geosciences LibreTexts: https://geo.libretexts.org/Bookshelves/Geology/Mineralogy_(Perkins_et_al.)/14%3A_Mineral_Descriptions/14.07%3A_Carbonates_and_Nitrates/14.7.01%3A_Calcite_Group_Minerals

Mindat.org (u.a. https://www.mindat.org/min-29161.html)

https://www.smorf.nl/

https://www.mineralienatlas.de/ (u.a. https://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/MineralData?mineral=Calcit-Gruppe)

https://www.itp.uni-hannover.de/fileadmin/itp/emeritus/zawischa/static_html/calkal.html