Die Dichte eines Steins: Definition, Archimedes-Messung und Richtwerttabelle
Die Dichte vergleicht die Masse eines Steins mit der eines gleich großen Volumens Wasser. Sie hilft, Quarz, Glas, Bernstein oder Zirkonia zu unterscheiden, und lässt sich zu Hause mit einer Waage und einem Glas Wasser messen.
Das Wichtigste
| Definition | Relative Dichte: Dichte des Steins geteilt durch die des Wassers (ohne Einheit) |
|---|---|
| Dichte (Masse pro Volumen) | In g/cm³, praktisch gleicher Zahlenwert wie die relative Dichte |
| Richtwerte | Bernstein 1,05-1,10; Quarz 2,65; Diamant 3,52; Korund 4,0; Gold 19,3 |
| Methode | Hydrostatische Wägung (Archimedes) |
| Formel | d = Masse in Luft / (Masse in Luft − Masse in Wasser) |
| Grenze | Wenig zuverlässig unter 3 g, bei porösen Steinen, bei gefassten Schmuckstücken |
Was die Dichte misst
Die Dichte eines Materials ist seine Masse pro Volumeneinheit; bei Mineralen wird sie in Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) angegeben. Die relative Dichte (auch spezifisches Gewicht) ist das Verhältnis dieser Dichte zu der des Wassers: eine Zahl ohne Einheit. Da Wasser bei Raumtemperatur etwa 1 g/cm³ wiegt, sind beide Zahlen praktisch gleich. Quarz mit der relativen Dichte 2,65 bedeutet: Ein Stück Quarz wiegt 2,65-mal so viel wie das gleiche Volumen Wasser.
Die Dichte eines Minerals hängt von zwei Dingen ab: dem Gewicht seiner Atome (Blei ist schwerer als Silicium) und ihrer Packungsdichte (der Art, wie sie angeordnet sind). Diamant und Graphit, beide aus Kohlenstoff, belegen das: etwa 3,52 beim Diamanten, 2,1 bis 2,2 beim Graphit.
Man kann sie aus der Struktur berechnen
Bei einem Kristall lässt sich die Dichte berechnen: d = (Z × M) / (N × V), wobei Z die Anzahl der Formeleinheiten in der Elementarzelle, M die Molmasse, N die Avogadro-Konstante (6,022 × 10²³) und V das Volumen der Elementarzelle ist. Wir haben diese Rechnung aus den veröffentlichten Gitterparametern durchgeführt:
| Mineral | Elementarzelle | Berechnete Dichte | Tabellenwert |
|---|---|---|---|
| Halit NaCl | kubisch, a = 5,640 Å, Z = 4 | 2,16 | 2,16 |
| Quarz SiO2 | a = 4,913 Å, c = 5,405 Å, Z = 3 | 2,65 | 2,65 |
| Calcit CaCO3 | a = 4,989 Å, c = 17,062 Å, Z = 6 | 2,71 | 2,71 |
| Fluorit CaF2 | a = 5,463 Å, Z = 4 | 3,18 | 3,0 bis 3,3 |
| Diamant C | a = 3,567 Å, Z = 8 | 3,52 | 3,52 |
| Korund Al2O3 | a = 4,759 Å, c = 12,991 Å, Z = 6 | 3,99 | 3,9 bis 4,1 |
| Pyrit FeS2 | a = 5,417 Å, Z = 4 | 5,01 | etwa 5,0 |
| Bleiglanz PbS | a = 5,936 Å, Z = 4 | 7,60 | 7,4 bis 7,6 |
Die Werte stimmen überein: Die Dichte ist keine willkürliche Angabe, sie folgt aus dem atomaren Aufbau. Die tatsächlichen Werte einer Probe können etwas niedriger sein (Einschlüsse, Hohlräume) oder mit der Zusammensetzung schwanken.
Richtwerte: eine Dichteskala
| Material | Dichte (ungefähr) |
|---|---|
| Bernstein | 1,05 bis 1,10 |
| Gagat | 1,30 bis 1,35 |
| Opal | 1,9 bis 2,2 |
| Obsidian | 2,35 bis 2,45 |
| Gewöhnliches Glas | 2,4 bis 2,6 |
| Achat, Chalcedon | 2,6 |
| Quarz (Bergkristall, Amethyst) | 2,65 |
| Perle, Koralle | 2,6 bis 2,8 |
| Calcit | 2,71 |
| Bleikristall | 2,9 bis 3,1 |
| Jade (Nephrit / Jadeit) | 2,9 bis 3,1 / 3,3 bis 3,4 |
| Moissanit | 3,22 |
| Topas, Diamant | 3,5 |
| Granate | 3,5 bis 4,3 |
| Korund (Rubin, Saphir) | etwa 4,0 |
| Zirkon | 4,6 bis 4,7 |
| Pyrit | etwa 5,0 |
| Hämatit | etwa 5,2 |
| Zirkonia | 5,6 bis 6,0 |
| Eisen-Nickel-Meteorit | 7,3 bis 7,9 |
| Gediegenes Kupfer | etwa 8,9 |
| Gediegenes Gold (rein) | 19,3 |
Die Werte schwanken je nach Probe um einige Prozent. Siehe Meteorit, Hämatit und Bernstein.
Zu Hause messen: die hydrostatische Wägung
Das Prinzip stammt von Archimedes: Ein in Wasser eingetauchter Körper erfährt einen Auftrieb, der dem Gewicht des verdrängten Wassers entspricht. Der scheinbare Gewichtsverlust liefert also das Volumen. Sie brauchen eine Waage, die auf 0,01 g genau wiegt, einen dünnen Faden, ein Glas Wasser und eine kleine Halterung, um den Stein aufzuhängen.
- Wiegen Sie den trockenen Stein: Notieren Sie P Luft.
- Binden Sie ihn an den Faden, hängen Sie ihn in das Glas Wasser, ohne die Wände oder den Boden zu berühren, möglichst ohne ihn auf die Waage zu legen; notieren Sie P Wasser.
- Berechnen Sie: d = P Luft / (P Luft − P Wasser).
Beispiel. Ein Stein wiegt 12,40 g in Luft und 7,70 g in Wasser. Der Verlust beträgt 4,70 g, also d = 12,40 / 4,70 = 2,64: Das passt zu Quarz (2,65). Prüfen wir die Genauigkeit: Bei einem Messfehler von 0,01 g im Wasser liegt das Ergebnis zwischen 2,63 und 2,64; die Unsicherheit liegt in der Größenordnung von einem Hundertstel. Bei einem Stein von 1,2 g, der im Wasser 0,75 g wiegt, ergibt ein Fehler von 0,02 g dagegen ein Ergebnis zwischen 2,55 und 2,79: unbrauchbar.
Tipps: Entfernen Sie Luftbläschen, die am Stein haften, benetzen Sie ihn mit einem Tropfen Spülmittel, um die Oberflächenspannung zu brechen, arbeiten Sie mit Wasser bei Raumtemperatur und wiederholen Sie die Messung dreimal. Grenzen: Die Methode taugt nichts für einen auf einem Schmuckstück montierten Stein, für einen porösen Stein (Türkis, Hydrophan-Opal), der Wasser aufnimmt, für einen hohlen Gegenstand oder für einen Stein unter 3 g.
Der Bernstein-Test im Salzwasser
Baltischer Bernstein ist sehr leicht (1,05 bis 1,10). Gesättigtes Salzwasser hat eine Dichte von etwa 1,2. Eine Bernsteinperle schwimmt also, während viele Imitationen aus Glas oder Bakelit untergehen. Vorbereitung: Lösen Sie Kochsalz in lauwarmem Wasser, etwa 5 bis 6 Esslöffel auf 250 mL, bis sich nichts mehr löst. Legen Sie das Stück hinein, dann spülen Sie es sofort ab und trocknen es. Dieser Test ist nur ein Hinweis: Kopal (jüngeres Harz) und manche Kunststoffe schwimmen ebenfalls. Verzichten Sie auf den Test bei geklebten, porösen oder zerbrechlichen Stücken. Siehe echten Bernstein erkennen.
Wozu die Dichte bei der Erkennung dient
- Zirkonia gegen Diamant: Zirkonia (5,6 bis 6,0) ist bei gleichem Volumen etwa 1,6-mal so schwer wie Diamant (3,52). Ein Zirkonia von der Größe eines Ein-Karat-Diamanten wiegt fast 1,6 Karat.
- Bergkristall gegen Bleikristall: 2,65 gegen 2,9 bis 3,1: Der Bleikristall liegt deutlich schwerer in der Hand.
- Quarz gegen Glas: 2,65 gegen etwa 2,5: Der Unterschied ist zu gering, um zu entscheiden; es ist ein Hinweis unter anderen.
- Lavastein (Basalt mit Blasen): leicht für seine Größe; Hämatit: erstaunlich schwer in der Hand.
Ein Wort zur Sicherheit. Gemmologen verwenden sehr dichte Flüssigkeiten (Diiodmethan, Bromoform), um Steine zu bestimmen. Diese Stoffe sind giftig: Verwenden Sie sie niemals zu Hause. Siehe echter oder falscher Stein, Unsere Zusagen und, für ein wertvolles Stück, die Zertifikate.
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Dichte und relativer Dichte?
Die Dichte ist die Masse pro Volumeneinheit und wird in g/cm³ angegeben. Die relative Dichte ist das Verhältnis zu Wasser und hat keine Einheit. Die Zahlenwerte sind praktisch gleich.
Wie messe ich die Dichte eines Steins ohne Laborausstattung?
Mit einer Waage, die auf 0,01 g genau wiegt, einem Faden und einem Glas Wasser: d = Masse in Luft geteilt durch den Gewichtsverlust im Wasser. Ab etwa 3 g ist das zuverlässig.
Beweist die Dichte allein, dass ein Stein echt ist?
Nein. Sie liefert einen Hinweis. Mehrere Minerale haben ähnliche Dichten, und Einschlüsse oder Hohlräume verändern den Wert. Nur ein Laborzertifikat ist ein Beweis.
Warum schwimmt Bernstein im Salzwasser?
Weil seine Dichte (etwa 1,08) kleiner ist als die von gesättigtem Salzwasser (etwa 1,2). Der Test ist nur ein Hinweis: Auch andere leichte Stoffe schwimmen.
Ändert sich die Dichte mit der Farbe?
Manchmal ein wenig, wenn die Farbe von einer Änderung der Zusammensetzung herrührt: Eisenreicher Granat ist dichter als magnesiumreicher Granat.
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Die genannten Bedeutungen gehören zu Tradition und Symbolik. Sie sind weder Erfolgsversprechen noch medizinische Ratschläge. Zurück zu Mineralogie für den Einstieg.