Dichte von Gestein bestimmen
Die Dichte eines Stoffes entspricht seinem Gewicht pro Volumeneinheit. Üblich ist die Angabe in Gramm pro Kubikzentimeter (= Kilogramm pro Liter = Tonnen pro Kubikmeter).
Wasser hat eine Dichte von 1 und dient als Referenzwert.
Wie dicht ein Gestein ist, hängt von seinen Mineralen ab. Das sind bei einem Granit vor allem Quarz und die Feldspäte. Quarz hat eine Dichte von 2,65 und die Feldspäte liegen bei 2,6 - 2,7. Das ergibt für Granit eine Dichte von etwa 2,6 bis 2,7.
Dieser Wert gilt für alle Gesteine, die überwiegend aus Feldspäten bestehen. Keinesfalls erreichen solche Gesteine eine Dichte von 3 oder höher. Dafür müssen viel Pyroxen, Olivin oder Magnetit enthalten sein.
Die Zehntel nach dem Komma sind bei Gesteinen also wichtig und die Bandbreite ist nicht groß. Selbst ein auffällig schweres Gestein wie Eklogit hat nur eine Dichte von etwa 3,3.
Das dichteste Gestein, das man in Norddeutschland findet, ist die Schlacke aus der Kupfergewinnung der Firma Aurubis, die überwiegend aus Fayalit besteht und laut Hersteller 3,65 g/cm3 wiegt. Meine Messung ergab 3,68, was die Angabe der Firma fast auf den Punkt trifft. Diese Schlacke findet man als Uferbefestigung an Wasserstraßen, auf manchen Verkehrsinseln in Hamburg und in Gabionen.
Dichtebestimmung zu Hause
Um die Dichte eines Gesteins zu bestimmen, müssen wir sein Volumen und sein Gewicht ermitteln.
Zuerst wird der trockene Stein gewogen.
Die Waage muss auf einer ebenen Unterlage stehen und exakt auf „null“ gestellt werden. Das betriffte analoge Waagen wie diese hier ebenso wie eine digitale. Das Gewicht des Steins in Gramm wird notiert.
Um das Volumen zu messen, bietet sich ein passender Messbecher aus der Küche an. Am einfachsten legt man den Stein in den Messbecher und füllt dann mit Wasser auf volle hundert Milliliter auf.
Beim Ablesen genau hinsehen.
Anschließend nimmt man den Stein wieder aus dem Wasser und lässt ihn in den Messbecher abtropfen. Die Differenz zum ersten Wasserspiegel (in ml) entspricht seinem Volumen in cm3.
Hier sind es 175 ml.
Alternativ kann man den Stein in den halb gefüllten Becher eintauchen und den gestiegenen Wasserspiegel ablesen. Das erspart das Herausnehmen und Abtropfen, dafür muss man die Wassermenge so schätzen, dass sie groß genug ist, um den Stein komplett zu bedecken, ohne dass das Wasser oben aus dem Becher läuft. In beiden Fällen ist das Ablesen der Skala an handelsüblichen Messbechern nur mäßig genau.
Ein besseres Verfahren ist die Messung des vom Stein verdrängten Wassers. Da Wasser eine Dichte von 1 hat, entspricht das Gewicht des verdrängten Wassers in Gramm genau dem Volumen des eingetauchten Steins in cm3.
Wir müssen also nur die Gewichtszunahme ermitteln, wenn der Stein im Wasser schwebt, und erhalten unmittelbar sein Volumen.
Die Waage muss auf „Null“ stehen bzw. im Gleichgewicht sein.
Dazu wird der an einer Schnur hängende Stein langsam eingetaucht, ohne dass er die Behälterwand oder den Boden berührt.
ohne dass er Wand oder Boden berührt.
Die Schnur sollte nicht saugfähig und möglichst dünn sein, da sie ebenfalls Wasser verdrängt und so das Ergebnis verfälscht.
Beim Eintauchen wird sich der Stein unvermeidlich drehen. Das macht nichts, solange die Drehung langsam bleibt und der Stein weder die Wand noch den Boden berührt. Wenn man das allein und mit einer mechanischen Waage macht, ist es etwas fummelig. Man muss den Stein in Position halten und gleichzeitig die Gewichte verschieben, bis man das neue Gleichgewicht eingestellt hat.
Diese Methode liefert ein viel genaueres Ergebnis als das Ablesen eines Messbechers.
Nachteilig ist, dass man eine Waage mit ausreichend großem Messbereich braucht. Sie muss den Behälter, das Wasser darin und das vom Stein verdrängte Wasser messen, was sich schnell zu mehreren Kilo addiert.
Sinnvollerweise füllt man am Anfang so viel Wasser ein, dass man einen runden Wert erhält. Hier im Beispiel sind es 2,5 Kilo. Es ist zwar etwas mühsam, das genau abzumessen, aber dafür kann man die anschließende Gewichtszunahme ganz leicht ablesen.
Sollten vom Stein Blasen aufsteigen, dann ist er saugfähig. Das würde die Messung verfälschen, denn die Poren sind Teil des Steins und seiner Dichte. Sollten Blasen aufsteigen, dann brechen wir ab und bringen den Stein in ein anderes Gefäß mit Wasser, damit er sich vollsaugt. Sobald seine Poren voll Wasser sind, beginnen wir wie beschrieben mit der Volumenbestimmung.
Da wir den trockenen Stein schon gewogen haben und jetzt sein Volumen kennen, teilen wir das Gewicht durch das Volumen, also Gramm durch Milliliter (= cm3). Das Ergebnis ist die Dichte. Sie kann für die Bestimmung eines Gesteins nützlich sein.
Dichte einiger gesteinsbildender Minerale
Angaben aus Seim, Rolf: Minerale. Ergänzende Angaben in Klammern aus:
Korbel, Petr; Novak, Milan: Die Enzyklopädie der Mineralien
Ägirin: 3,4 – 3,6 (Korbel: 3,6)
Alkalifeldspat: Sanidin 2,53 - 2,56, Amazonit 2,62, (Korbel: Mikroklin 2,6)
Amphibole/Hornblende: 3,1 - 3,3 (Korbel: 3,4)
Baryt: 4,3 – 4,7
Biotit: 3,02 - 3,12 Muskovit: 2,8 - 3,1
Cancrinit: 2,4
Cassiterit: 6,8 – 7,1
Cordierit: 2,6 – 2,66
Epidot: 3,35 – 3,38
Eudialyt: 2,8 – 3,0
Granate: 3,5 – 4,2 (Korbel: Pyrop 3,5, Almandin 4,3, Spessartin 4,3, Grossular 3,5)
Hämatit: 4,9 – 5,3
Ilmenit: 4,5 - 5,0
Jadeit: 3,2 - 3,4 (Korbel: 3,2)
Kalzit: 2,6 – 2,8 Dolomit: 2,8 – 2,9 Aragonit: 2,9 - 3
Magnetit: 4,9 – 5,2
Omphacit: (Korbel: 3,3)
Olivin: 3,3 – 3,5 (Korbel: 3,3 – 3,6, Forsterit 3,3, Fayalit 4,2)
Plagioklase: 2,61 – 2,76
(Korbel: Albit 2,6, Oligoklas 2,6, Andesin 2,7, Labradorit 2,7, Anorthit 2,8)
Prehnit: 2,8 – 3,0 (Korbel: 2,9)
Pyroxene:
Diopsid: 3,3 – 3,4 (Korbel: 3,3)
Augit: 3,2 – 3,6 (Korbel: 3,6)
Bronzit: 3,2 – 3,5
Enstatit: 3,1 – 3,3 (Korbel: 3,2)
Hedenbergit: 3,5 – 3,6 (Korbel: 3,6)
Hypersthen: 3,3 – 3,5
Quarz: 2,65, Cristobalit 2,2 – 2,3, Tridymit 2,27
Sillimanit: 3,2, Andalusit 3,1 – 3,2, Disthen 3,6 – 3,7
Sodalith: 2,3
Spinell: (Magnesiospinell) 3,5 – 3,7
Titanit: 3,4 – 3,6
Literatur
Seim, Rolf: Minerale Urania-Verlag Leipzig, Jena, Berlin, 2. Auflage 1987,
ISBN 3-332-00122-1
Korbel, Petr; Novak, Milan: Die Enzyklopädie der Mineralien, Komet Verlag, Frechen
ISBN 3-89836-137-3.
Matthias Bräunlich, Mai 2024
The density of rocks
The density of a material reflects its weight per volume. In the metric system, the density is given in grams per cubic centimetre. This is identical with kilograms per litre or tonnes per cubic metre.
Usually only the numerical value is given, since the unit of measurement is always the same.
Water has a density of 1 and serves as a reference value.
How dense a rock is depends on its minerals. In the case of granite, these are quartz and feldspars. Quartz has a density of 2.65 and the feldspars are 2.6 - 2.7. (Feldspars are mixed crystals, therefore only an approximate value.) This also results in a density of about 2.6 to 2.7 for granite, which can still vary slightly if dark minerals are present.
A density of about 2.6 to 2.7 applies to all rocks that consist mainly of feldspars. Under no circumstances do they reach values of 3 or even higher. For this, rocks must contain a lot of pyroxene, olivine or magnetite.
The tenths after the decimal point are important for rocks and the range is not large. Even a remarkably heavy rock such as eclogite has a density of only about 3.3.
The densest rock found in northern Germany is the slag from copper production by the Aurubis company. This slag consists mainly of fayalite and weighs 3.65 g/cm3 according to the manufacturer. My measurement yielded 3.68, which almost hits the mark according to the company. The slag is found as bank reinforcement on waterways and on some roundabouts in Hamburg.
Determining density at home
In order to determine the density of a rock, we have to know its volume and weight. First the dry stone is weighed.
The scale must stand on a flat surface and be set exactly to "zero". The weight of the stone in grams is noted.
To determine the volume, a measuring cup from the kitchen is a good idea if the stone fits in it. The easiest way is to place the stone in the measuring jug and then fill it with water to a full hundred millilitres.
When reading it you should look carefully.
Then take the stone out of the water again and let it drip off into the measuring cup. The difference to the first water level (in ml) corresponds to the volume in cm3.
(Here it is 175 ml.)
Alternatively you can dip the stone into the half-filled cup and then read the increased water level. This saves taking it out and draining it. In both cases reading the scale on measuring cups is only moderately accurate.
A better method is to measure the water displaced by the stone. Since water has a density of 1, the weight of the displaced water in grams corresponds exactly to the volume of the immersed stone in cm3.
So we only need to determine the increase in weight when the stone is floating in the water and we immediately obtain its volume.
We start with a quantity of water in which the stone fits – with some space downwards. And we fill in so much water that we get a round value on the scale.
Then set the scale to "zero" or bring it back into balance.
Then the stone is slowly immersed without touching the wall or the bottom of the container.
without it touching the wall or floor.
Then read the weight increase on the scale.
The string should not be absorbent and should be as thin as possible, as it also displaces water and thus falsifies the result.
When immersed, the stone will inevitably turn. This does not matter as long as the rotation remains slow and the stone does not touch the wall or the floor. If you do this alone and with a mechanical scale, it is a bit fiddly. You have to hold the stone in position and at the same time shift the weights until you have adjusted the new balance.
This method gives a more accurate result than reading a measuring cup.
The disadvantage is that you need a scale with a sufficiently large measuring range. It must measure the container, the water in it and the water displaced by the stone, which quickly adds up to several kilos.
It makes sense to fill in so much water at the beginning that you get a round value. Here in the example it is 2.5 kilos. It is a bit tedious to measure this exactly, but you can easily read the subsequent weight gain.
If bubbles rise from the stone, it is absorbent. This would also falsify the measurement, because the pores are part of the stone and its density. If there are bubbles, we break off and put the stone in another container with water. As soon as its pores are full of water, we begin to determine its volume as described.
Since we have already weighed the dry stone and now know its volume, we divide its weight by its volume, i.e. grams by millilitres (= cm3). The result is the density. It can be decisive for the determination of a stone.
The density of some rock-forming minerals
Data from
Seim, Rolf: Minerale. Additional information in brackets from:
Korbel, Petr; Novak, Milan: Die Enzyklopädie der Mineralien
aegirine: 3.4 - 3.6 (Korbel: 3.6)
alkali feldspar:
sanidine: 2.53 - 2.56, amazonite: 2.62, (Korbel: microcline: 2.6)
amphibole/hornblende: 3.1 - 3.3 (Korbel: 3.4)
baryte: 4,3 - 4,7
biotite: 3.02 - 3.12 muscovite: 2.8 - 3.1
cancrinite: 2,4
cassiterite: 6.8 - 7.1
cordierite: 2.6 - 2.66
epidote: 3.35 - 3.38
eudialyte: 2.8 - 3.0
garnets: 3.5 - 4.2 (Korbel: pyrope: 3.5, almandine: 4.3, spessartine: 4.3, grossular: 3.5)
haematite: 4,9 - 5,3
ilmenite: 4,5 - 5,0
jadeite: 3.2 - 3.4 (Korbel: 3.2)
calcite: 2.6 - 2.8, dolomite: 2.8 - 2.9, aragonite: 2.9 - 3
magnetite: 4.9 - 5.2
omphacite: (Korbel: 3.3)
olivine: 3.3 - 3.5 (Korbel: 3.3 - 3.6, forsterite: 3.3, fayalite: 4.2)
plagioclase: 2.61 - 2.76
(Korbel: albite: 2.6, oligoclase: 2.6, andesine: 2.7, labradorite: 2.7, anorthite: 2.8)
prehnite: 2.8 - 3.0 (Korbel: 2.9)
pyroxene:
diopside: 3.3 - 3.4 (Korbel: 3.3)
augite: 3.2 - 3.6 (Korbel: 3.6)
bronzite: 3,2 - 3,5
enstatite: 3.1 - 3.3 (Korbel: 3.2)
hedenbergite: 3.5 - 3.6 (Korbel: 3.6)
hypersthen: 3.3 - 3.5
quartz: 2.65, cristobalite: 2.2 - 2.3, tridymite: 2.27
sillimanite: 3.2, andalusite: 3.1 - 3.2, disthene: 3.6 - 3.7
sodalite: 2,3
spinel: (magnesiospinel) 3.5 - 3.7
titanite: 3.4 - 3.6
Literature
Seim, Rolf: Minerale Urania-Verlag Leipzig, Jena, Berlin, 2. Auflage 1987,
ISBN 3-332-00122-1
Korbel, Petr; Novak, Milan: Die Enzyklopädie der Mineralien, Komet Verlag, Frechen
ISBN 3-89836-137-3.
Matthias Bräunlich, May 2024