Kristallstruktur

Die atomare Struktur von kristallinen Festkörpern wird durch die beiden Begriffe Gitter und Basis beschrieben. Das Punktgitter ist ein translationssymmetrisches mathematisches Konstrukt, in dem jedem Punkt die Basis zugeordnet wird um einen physikalischen Kristall zu beschreiben. Die Basis kann aus einem oder mehreren Atomen aber auch aus Molekülen bestehen.[1]

Gitter

Ausschnitt aus einer NaCl-Kristallstruktur, Koordinationszahl: 6

Das Kristallgitter, auch Punktgitter genannt, ist eine regelmäßige dreidimensionale Anordnung von (mathematischen) Punkten. Untereinheit des Gitters ist die Elementarzelle. Sie enthält alle Informationen, die zum Beschreiben des Kristalls notwendig sind. Das Gitter entsteht durch lückenloses translationssymmetrisches Aneinanderfügen der gleichen Elementarzelle in allen drei Dimensionen des Raums. Die 14 Bravais-Gitter beschreiben alle Möglichkeiten der Translationssymmetrie im dreidimensionalen Raum. Das Kristallgitter ist nur aus Punkten aufgebaut und daher immer zentrosymmetrisch. Die Gitterkonstante beschreibt den Abstand zwischen den mathematischen Punkten auf dem Gitter und nicht den Abstand einzelner Atome oder Teilen der Basis.

Basis

Die Bestandteile der Kristallstruktur

Die Basis einer Kristallstruktur besteht aus Atomen, Ionen oder Molekülen. Sie stellt die kleinste Gruppe dieser Elemente dar, die sich periodisch im dreidimensionalen Raum deckungsgleich wiederholt. Die Basis besteht mindestens aus einem Atom, kann aber auch einige tausend Atome umfassen (Proteinkristalle). Bei Natriumchlorid besteht die Basis zum Beispiel aus einem Na+- und einem Cl-Ion.

Jedem Bezugspunkt auf dem Gitter wird die Basis zugewiesen (in der Illustration die linke obere Ecke der Einheitszelle). Die Kristallstruktur besteht aus dem Gitter, das durch die sogenannten Grundvektoren (in 2D: zwei, 3D: drei Stück) beschrieben wird, und der Basis die jedem Punkt zugeordnet ist. Das von diesen Grundvektoren aufgespannte Parallelepiped heißt Einheits- oder Elementarzelle. Diese hat an ihren Ecken demnach je einen Gitterpunkt, muss aber nicht zwischen direkt benachbarten Punkten gezogen werden, sondern kann beliebig groß gewählt werden. Der Abstand eines Elementes der Einheitszelle ist, von seinem Nachbarn, jeweils ein Grundvektor entfernt.

In der Literatur wird oft vom Strukturtyp oder von der Gitterstruktur gesprochen. Man spricht dann vom Natriumchloridgitter, Caesiumchloridgitter usw. Weil aber das Kristallgitter nur Punkte enthält und keine Ionen, ist diese Ausdrucksweise irreführend. Präziser heißt es Natriumchlorid-, Caesiumchlorid-, Diamant- oder auch Zinkblende-Struktur. Diese Strukturen werden für die Typisierung einer Reihe anderer Verbindungen genutzt, die in Bezug auf die Kristallstruktur mit den Beispielen übereinstimmen. Man kann also auch die Begriffe Natriumchloridstrukturtyp, Cäsiumchloridstrukturtyp usw. verwenden.

Polymorphie

Chemisch identische Feststoffe können gleichwohl in verschiedenen Kristallmodifikationen auftreten, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden, beispielsweise unterschiedliche Schmelzpunkte besitzen. Das nennt man Polymorphie. Zur Untersuchung der Polymorphie, die in der Pharmazie zur Charakterisierung einiger Arzneistoffe eine besondere Bedeutung besitzt, ist die Differential-Thermoanalyse (DTA) eine häufig eingesetzte Methode. Die DTA erlaubt, dieses komplexe Phänomen zu erkennen und zu interpretieren, insbesondere wenn die Analysenprobe eine Mischung mehrerer Kristallmodifikationen ist.[2]

Periodensystem der Elemente

Die Strukturen für metallische Elemente bei Standardbedingungen sind farbcodiert dargestellt[3] mit Quecksilber als einziger Ausnahme, bei der die Tieftemperaturform für das sonst flüssige Element angegeben ist. Nichtmetalle wie Edelgase sind bei Standardbedingungen nicht-kristallin, während andere wie Kohlenstoff verschiedene Allotrope haben können und daher nicht aufgezählt werden.

Gruppe123456789101112131415161718
Periode
1H
 
He
 
2Li
(bcc)
Be
(hcp)
B
 
C
 
N
 
O
 
F
 
Ne
 
3Na
(bcc)
Mg
(hcp)
Al
(fcc)
Si
 
P
 
S
 
Cl
 
Ar
 
4K
(bcc)
Ca
(fcc)
Sc
(hcp)
Ti
(hcp)
V
(bcc)
Cr
(bcc)
Mn
 
Fe
(bcc)
Co
(hcp)
Ni
(fcc)
Cu
(fcc)
Zn
 
Ga
 
Ge
 
As
 
Se
 
Br
 
Kr
 
5Rb
(bcc)
Sr
(fcc)
Y
(hcp)
Zr
(hcp)
Nb
(bcc)
Mo
(bcc)
Tc
(hcp)
Ru
(hcp)
Rh
(fcc)
Pd
(fcc)
Ag
(fcc)
Cd
 
In
 
Sn
 
Sb
 
Te
 
I
 
Xe
 
6Cs
(bcc)
Ba
(bcc)
La*
 
Hf
(hcp)
Ta
(bcc)
W
(bcc)
Re
(hcp)
Os
(hcp)
Ir
(fcc)
Pt
(fcc)
Au
(fcc)
Hg
 
Tl
(hcp)
Pb
(fcc)
Bi
 
Po
 
At
 
Rn
 
7Fr
 
Ra
(bcc)
Ac**
 
Rf
 
Db
 
Sg
 
Bh
 
Hs
 
Mt
 
Ds
 
Rg
 
Cn
 
Nh
 
Fl
 
Mc
 
Lv
 
Ts
 
Og
 
*
 
La
 
Ce
(fcc)
Pr
 
Nd
 
Pm
(hcp)
Sm
 
Eu
(bcc)
Gd
(hcp)
Tb
(hcp)
Dy
(hcp)
Ho
(hcp)
Er
(hcp)
Tm
(hcp)
Yb
(fcc)
Lu
(hcp)
**
 
Ac
(fcc)
Th
(fcc)
Pa
 
U
 
Np
 
Pu
 
Am
(hcp)
Cm
(hcp)
Bk
 
Cf
 
Es
 
Fm
 
Md
 
No
 
Lr
 
Bravais-Gitter
Kubisch raumzentriertes Gitter (bcc)Hexagonal dichteste Kugelpackung (hcp)Kubisch flächenzentriertes Gitter (fcc)ungewöhnlichunbekanntNichtmetall

Siehe auch

Literatur

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Einführung in die Materialwissenschaft I. Abgerufen am 26. September 2020.
  2. Herbert Feltkamp, Peter Fuchs, Heinz Sucker (Hrsg.): Pharmazeutische Qualitätskontrolle. Georg Thieme Verlag, 1983, ISBN 3-13-611501-5, S. 307–319.
  3. Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemistry of the Elements. 2. Auflage. Butterworth-Heinemann, Oxford 1997, ISBN 0-08-037941-9.

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Kristallstruktur (Begriffe).svg
Zusammensetzung der Kristallstruktur aus Gitter und Basis.
NaCl-Ionengitter.svg
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Ionengitter von Natriumchlorid