Kristallografie in der Schule

Kristallografie in der Schule

Vor einigen Tagen habe ich über meine ersten Versuche geschrieben, Kristalle zu züchten. Abseits des Hobbys bietet sich hierbei auch die Möglichkeit, dies in der Schule mit Kindern gemeinsam zu gestalten. Einige Anregungen und Hinweise dazu möchte ich dazu geben.

ZeitaufwandArbeitszeit: 30 MinutenWartezeit: 12-24 Stunden
Schwierigkeit** leichte Ausführung
MaterialJe 2 Gefäße, destilliertes Wasser, Löffel, Alufolie, Handtücher, gutlösliches SalzAufbewahrungsschale für Kristalle
SicherheitshinweiseNur bei Verwendung von Kupfersulfat-pentahydrat
GesundheitsschädlichUmweltgefährlich
Gesundheits-
schädlich
Umweltgefährlich

Zunächst einmal zu den Zutaten und den damit verbundenen Kosten. Man benötigt:

  • Am besten destilliertes Wasser. Dieses erhält man in jedem Edeka in 5 Liter Kanistern für 1,98 €.
  • Zwei unterschiedlich große Gefäße, am besten Bechergläser. Das kleinere sollte gut in das größere passen.
  • Ein gutlösliches Salz. Kaliumalaun, Kupfersulfat oder einfach Kochsalz.
  • Eine Heizplatte oder einen Wasserkocher.
  • Einen Löffel und eine Waage
  1. Man wiege die gewünschte Menge Salz ab, die man benötigt, pro 100ml Lösung:
    Kochsalz40g/100ml Wasser
    Kaliumalaun95g/100ml Wasser
    Kupfersulfat80g/100ml Wasser

  2. Das große Gefäß wird in Alufolie eingewickelt und mit Handtüchern isoliert und an einen erschütterungsfreien Ort gestellt.
  3. Man bringe Wasser zum kochen und gieße es in das große Gefäß.
  4. In das kleine Gefäß gibt man die gewünschte Menge Salz und die dazu passende Menge kochendes Wasser (auf 80g Kochsalz z.B. gibt man 200ml Wasser) und rühre solange um, bis sich das Gesamte Salz gelöst hat.
  5. Anschließend stellt man das kleine in das Wasserbad im großen Gefäß und deckt dieses mit einem warmen, nassen Tuch zu.
  6. Nach ca. 12-24 Stunden sollten sich auf dem Boden des kleinen Gefäßes Kristalle gebildet haben.

Empfehlungen und Hinweise:

  • Als Gefäße eignen sich am besten Bechergläser.
  • Die Größe der Kristalle hängt von der Geschwindigkeit der Abkühlung ab. Je besser das Wasserbad isoliert ist, desto größer und schöner werden die Kristalle ( Züchtung von wirklich großen Kristallen durch die “Verdunstungsmethode” in einem späteren Blogeintrag).
  • Je nach Art und Verunreinigung des Salzes kann trotz langen Rührens ein Bodensatz bleiben. In diesem Fall sollte die Lösung in ein anderes Becherglas dekantiert werden.

Die Wahl des richtigen Salzes

Je nach dem was man mit den Kristallen machen möchte ist die Wahl des Salzes entscheidend.

Kochsalz(NaCl) eignet sich sehr gut, um kubische, farblose Kristalle zu erhalten. Die Kosten für Kochsalz belaufen sich auf ein paar Cent.

Kaliumalaun (Aluminiumkaliumsulfat-Dodecahydrat) bildet oktaedrische Kristalle (oft auch pyramidale und kubische). Bei der Zugabe von 1%tiger Natron- oder Kalilauge bilden sich kubische Kristalle. Es ist das meist verwendetste Salz zur Kristallzüchtung. 1000g kosten ca. 7 Euro. 5000g 25 Euro.

Kupfersulfat-pentahydrat bildet wunderschöne dunkelblaue Kristalle, die parallelogrammartig kristallisieren. Kupfersulfat ist umweltschädlich und gesundheitsgefährlich, bildet aber die schönsten Kristalle der hier aufgezählten. 1000g erhält man schon für ca. 9 Euro.

Ein paar Anregungen für die praktische Umsetzung:

Hausgebrauch: Dieser Versuch ist schnell und einfach nachzumachen und es macht riesigen Spaß, den Kristallen beim Wachsen zuzusehen. Sie können auch Haushaltsübliche Utensilien benutzen. Ich verspreche euch, das ihr Erfolg haben werdet. Anschließend kann man sich die schönen Kristalle unter der Lupe oder dem Lichtmikroskop anschauen, oder einfach als Dekoration ins Regal stellen. In einem weiteren Eintrag werde ich eine Methode erläutern, mit der man sich einen riesigen Kristall züchten kann. 🙂

Mathematikunterricht: Mit den entstandenen Kristallen kann man Schülern sehr gut Grundlagen der Geometrie praktisch nahe bringen. Seitenlängen können gemessen, Flächen und Volumina der Kristalle können berechnet werden. Gerade bei „quadratischen“ oder parallelogrammartigen Kristallen funktioniert dies ausgezeichnet. Die individuelle Größe der Kristalle lässt Schüler über Zusammenhänge zwischen Kantenlängen, Flächen und Volumina nachdenken und kreiert eine praktische Anwendung dieses Zweigs der Mathematik. Leider lässt sich hier mit Winkeln nicht viel anfangen, da die Kristalle oft verwachsen sind und somit eine Winkelberechnung schwierig werden könnte. Trotzdem kann man, bei gleichmäßig gewachsenen Kristallen, Winkelberechnungen anstellen, indem man die Schüler Skizzen von der Kristallfläche malen und anschließend die Winkel bestimmen lässt. Ein Vergleich aller Ergebnisse kann dazu dienen, Gemeinsamkeiten bei allen Kristallen festzustellen.

Chemieunterricht: Mit diesem Versuch lässt sich sehr schön das Verhältnis Wachstums- und Keimbildungsgeschwindigkeit darstellen und deren Abhängigkeit von der Abkühlungsgeschwindigkeit und die Temperaturabhängige Löslichkeit von Salzen. Zum Vergleich sollte man den selben Versuch wiederholen, ohne das Wasserbad, sondern mit einem Eisbad. Natürlich ist diese Reaktion schon nach wenigen sekunden beendet. Durch die unterschiedlich Großen Kristalle, die beim sofortigen Abkühlen und langsamen Abkühlen entstehen, kann man so Rückschlüsse auf Wachstums- und Keimbildungsgeschwindigkeit ziehen. Um die temperaturabhängige Löslichkeit von Salzen zu demonstrieren, kann man einfach die gleiche Menge Salz in kochendem und in raumtemperiertem Wasser lösen. Schnell werden die Schüler erkennen, dass sich die meisten Salze in heißem Wasser besser lösen als in kaltem. Natürlich lassen sich auch hier geometrische Lerninhalte vermitteln. So wäre es möglich auf Kristallsysteme überzuführen oder die kubische Kristallisation von Kochsalz anhand der Koordination der Liganden zu besprechen.

3 Replies to “Kristallografie in der Schule”

  1. Die blauen Kristalle sehen ja schick aus da bekomme ich Lust, das auch mal auszuprobieren. Ein paar Fragen bleiben mir aber: Was macht man denn mit der übrig gebliebenen Kupfersulfatlösung, wenn man sie nicht für spätere Züchtungen aufheben will?

    Laut Wikipedia hat Kupfersulfat bei 20°C noch eine Löslichkeit von 203g/l in Wasser. Bekommt man dann bei einem Liter Lösung einen fast 600g schweren Kristall? Wie groß wird denn ein Kristall aus einem Liter Lösung?

    Kann man statt der Bechergläser auch eine Thermoskanne nehmen oder haben die typischerweise einen zu geringen Durchmesser?

    1. Die Kupfersulfatlösung sollte normalerweise in den Abfall für Schwermetalle. Viele Umweltservice-Unternehmen nehmen diese Abfälle kostenlos entgegen, zum Beispiel die Firma Lindenschmidt in Eichen bei Kreuztal. In der Schule sollte so ein Schwermetallkanister vorhanden sein.

      Von einer Thermoskanne rate ich ab. Natürlich lassen sich auch darin Kristalle züchten, aber die runde Form der Innenflasche beeinflusst die Kristallform stark.
      Die Kristalle werden ungleichmäßig wachsen und unnatürlich rund.

      Die größe der Kristalle hängt einzig und allein von der gelösten Menge Salz ab. Theoretisch kann man aus 600g gelöstem Salz auch einen 600g schweren Kristall züchten.
      Um einen solchen Einkristall zu züchten ist diese Methode aber ungeeignet.
      Die Züchtung eines Einkristalls ist mit sehr viel Geduld verbunden und unglaublich Zeitaufwendig.

      Wenn du eine ausführliche Anleitung möchtest, um einen Einkristall zu züchten kannst du mir ja nee Mail schreiben 🙂

      Liebe Grüße

  2. Hallo Nils
    vielen Dank für die spannende Seite. Ich sammle seit einigen Jahren Mineralien, aber nur in kristalliner Form. Nun werde ich versuchen, selbst welche zu züchten.
    Könntest du mir bitte eine Anleitung mailen zum Züchten eines Einkristalls? Herzlichen Dank!

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