Strukturtyp

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Als Strukturtyp fasst man Kristallstrukturen zusammen, die die gleiche Symmetrie, d. h., die gleiche Raumgruppe haben, und in denen jeweils die gleichen Punktlagen besetzt sind (angegeben in der Wyckoff-Sequenz). Darüber hinaus müssen auch die Atomumgebungen (Koordinationspolyeder) übereinstimmen, was eine ungefähre Gleichheit der Achsenverhältnisse (Zellform) verlangt. Kristalline Substanzen, die zum gleichen Strukturtyp gehören, nennt man isotyp. Die Stöchiometrie isotyper Substanzen muss übereinstimmen; die Art der Atome, der Bindungscharakter und die Atomabstände spielen dagegen für die Klassifizierung keine Rolle. Der Strukturtyp ist im Prinzip eine rein geometrische Angabe. Diese genügt aber, um Ordnung in eine unüberschaubare Anzahl von Verbindungen zu bringen. Darüber hinaus lassen sich über Strukturtypen und deren zugehöriger Symmetrie Verwandtschaftsverhältnisse aufzeigen. [1] Der Strukturtyp ist als ein Hilfsmittel zu einer solchen Ordnungsfindung in der anorganischen Kristallstrukturdatenbank ICSD dokumentiert.[2] Diese Datenbank enthält Ende 2013 rund 166.000 Einträge. Knapp 79 % der Einträge werden in rund 7400 Strukturtypen zusammengefasst.

Mit Strukturtypen lassen sich Kristallstrukturen klassifizieren, die aus Ionen, Atomen und Atomgruppen, wie z. B. die Sulfatgruppe SO42−, aufgebaut sind. Für Molekülstrukturen, wie sie bei den meisten organischen Verbindungen auftreten, sind Strukturtypen weniger geeignet.

Zu den wichtigsten Strukturtypen zählen Elementstrukturen wie die kubisch dichteste Kugelpackung, die hexagonal dichteste Kugelpackung und das kubisch raumzentrierte Gitter. Noch häufiger ist der Natriumchlorid-Typ. Dazu gehören neben Natriumchlorid, Magnesiumoxid und Bleisulfid noch rund 800 meist ionische, aber auch Verbindungen und Mischkristalle mit stark kovalentem Bindungsanteil.

Von hochsymmetrischen Strukturtypen leiten sich durch Symmetrieabbau häufig weitere Typen ab. Bei einigen Typen existieren ganze Stammbäume (z. B. beim Perowskit). Der höchstsymmetrische Typ ist dann der Aristotyp.

Die 13 häufigsten Strukturtypen sind: NaCl, Spinell (Al2MgO4), GdFeO3 (symmetrieerniedrigter Perowskit), Cu2Mg (kubische Laves-Phase), ThCr2Si2, CaTiO3 (kubischer Perowskit), CsCl, Cu (kubisch dichte Kugelpackung), AuCu3 (geordnet besetzter Cu-Typ), MgZn2 (hexagonale Laves-Phase), Fe2P/K2UF6, NdAlO3 und MgSrSi. Diese 13 Typen haben in ICSD alle über 1000 Vertreter.

Nomenklatur[Bearbeiten]

Liste ausgewählter Strukturtypen
Bezeichnung in den
Strukturberichten
Strukturtyp,
Hauptvertreter (Prototyp)
Raumgruppe Pearson-
Symbol
weitere Beispiele Anzahl in ICSD
(Stand: Okt. 2013) *
A
Ah α-Polonium
kubisch primitives Gitter (sc)
Pm3m (Nr. 221) cP1 33
A1 Kupfer
kubisch flächenzentriertes Gitter (fcc)
kubisch dichteste Kugelpackung (ccp)
Fm3m (Nr. 225) cF4 γ-Eisen, Gold 1194
A2 Wolfram
kubisch raumzentriertes Gitter (bcc)
Im3m (Nr. 229) cI2 Vanadium, α-Eisen 726
A3 Magnesium
hexagonal dichteste Kugelpackung (hcp)
P63/mmc (Nr. 194) hP2 Cobalt 746
A3' α-Lanthan
dhcp-Struktur
P63/mmc (Nr. 194) hP4 71
A4 Diamant Fd3m (Nr. 227) cF8 Silizium 77
A5 β-Zinn I4/mmm (Nr. 139) hP4 51
A6 Indium I4/mmm (Nr. 139) tI2 77
A7 Arsen R3m (Nr. 166) hR2 60
A8 γ-Selen P3121 (Nr. 152) hP3 49
A9 Graphit P63/mmc (Nr. 194) hP4 8
A12 α-Mangan I43m (Nr. 217) cI58 117
A13 β-Mangan P4132 (Nr. 213) cP20 49
A14 Iod Cmca (Nr. 64) oS8 25
B
B1 Natriumchlorid (NaCl) Fm3m (Nr. 225) cF8 FeO, PbS 3555
B2 Caesiumchlorid (CsCl) Pm3m (Nr. 221) cP2 FeAl, NiAl 1212
B3 Sphalerit-Typ (ZnS) F43m (Nr. 216) cF8 918
B4 Wurtzit-Typ (ZnS) P63mc (Nr. 186) hP4 513
B8 Nickelarsenid (NiAs) (Nickelin) P63/mmc (Nr. 194) hP4 537
C
C1 Fluorit-Typ (CaF2) Fm3m (Nr. 225) cF12 946
C2 Pyrit (FeS2) Pa3 (Nr. 205) cP12 381
C3 Cuprit (Cu2O) Pn3m (Nr. 224) cP6 34
C4 Rutil (TiO2) P42/mnm (Nr. 136) tP6 643
C5 Anatas (TiO2) I41/amd (Nr. 141) tI12 45
C6 Cadmiumiodid (CdI2) P3m1 (Nr. 164) hP3 215
C7 Molybdänit (MoS2) P63/mmc (Nr. 194) hP6 62
C8 β-Quarz (SiO2) (Hochquarz, >846 K) P6222 (Nr. 180) hP9 24
C8a α-Quarz (SiO2) (Tiefquarz, <846 K) P3121 (Nr. 152) hP9 184
C9 Cristobalit (SiO2) Fd3m (Nr. 227) cF24 5
C10 Tridymit (SiO2) P63/mmc (Nr. 194) hP12 9
C14 MgZn2
hexagonale Laves-Phase
P63/mmc (Nr. 194) hP12 1140
C15 Cu2Mg
kubische Laves-Phase
Fd3m (Nr. 227) cF24 2262
C18 Markasit (FeS2) Pnnm (Nr. 58) oP6 205
C19 Cadmiumchlorid (CdCl2) R3m (Nr. 166) hR3 33
C21 Brookit (TiO2) Pbca (Nr. 61) oP24 20
D
D02 Skutterudit (CoAs3) Im3 (Nr. 204) cI32 91
D51 Korund (Al2O3) R3c (Nr. 167) hR10 382
D58 Stibnit (Antimonit, Sb2S3) Pnma (Nr. 62) oP20 167
E
E11 Chalkopyrit (CuFeS2) I42d (Nr. 122) tI16 534
E21 Perowskit (ideal) (CaTiO3) Pm3m (Nr. 221) cP5 1676
E22 Ilmenit (FeTiO3) R3 (Nr. 148) hR10 246
F
F51 (NaCrS2) R3m (Nr. 166) hR4 900
G
G01 Calcit (CaCO3) R3c (Nr. 167) hR10 184
G02 Aragonit (CaCO3) Pnma (Nr. 62) oP20 92
H
H11 Spinell (MgAl2O4) Fd3m (Nr. 227) cF56 3438
H2 Baryt (BaSO4) Pnma (Nr. 62) oP24 163
L
L11 CuAu P4/mmm (Nr. 123) tP2 156
L12 Cu3Au Pm3m (Nr. 221) cP4 1193
L21 AlCu2Mn Fm3m (Nr. 225) cF16 808
S
S11 ZrSiO4 (Zirkon) I41/amd (Nr. 141) tI24 326
S12 Mg2SiO4 (Olivin) Pnma (Nr. 62) oP28 748
S14 Al2Ca3Si3O12 (Granat, Grossular) Ia3d (Nr. 230) cI160 580
S21 Sc2Si2O7 (Thortveitit) C2/m (Nr. 12) mS22 61
S6 NaAlS2OH2O (Analcim) I43d (Nr. 220) cI208 17
S62 Na8Al6Si6O24Cl2 (Sodalith) P43n (Nr. 218) cP46 320
*) Die Anzahl enthält auch Mehrfachbestimmungen

Die Strukturtypen werden üblicherweise nach einer Substanz (Element, Verbindung oder Mineral) benannt. Eine andere Nomenklatur wird seit 1923 in den Strukturberichten verwendet (bis 1939). Diese Nomenklatur ist international unter dem deutschen Namen gebräuchlich (frz. notation Strukturbericht, engl. Strukturbericht designation) und wird vor allem in der Metallurgie noch viel benutzt.

Die Nomenklatur der Strukturberichte teilt die Strukturtypen nach der Stöchiometrie in Gruppen ein, die durch Großbuchstaben bezeichnet sind. Innerhalb der Gruppen wurden die Strukturtypen nach der Reihenfolge der Entdeckung durchnummeriert. Die Strukturberichte enden 1939. Nach 1945 werden sie als Structure Reports fortgesetzt, aber ohne weitere Namen für Strukturtypen zu vergeben.

  • A: Elemente
  • B: AB-Verbindungen
  • C: AB2-Verbindungen
  • D: AmBn-Verbindungen
  • E: >2 Elemente ohne ausgesprochene Komplexbildung
  • F: mit zwei- oder dreiatomigen Komplexen
  • G: mit vieratomigen Komplexen
  • H: mit fünfatomigen Komplexen
  • L: Legierungen
  • M: Mischkristalle
  • O: organische Verbindung
  • S: Silikate

Eine andere Methode der Beschreibung von Strukturtypen sind die Pearson-Symbole. Sie geben das Bravais-Gitter und die Anzahl der Atome je (standardisierte) Elementarzelle an. Da die Atome aber an verschiedenen Positionen sitzen können, reichen die Pearson-Symbole alleine nicht aus, um Strukturtypen voneinander abzugrenzen. Für eine weitere Unterscheidung wird die Wyckoff-Sequenz benutzt, die die besetzten Punktlagen beschreibt. Strukturen, die die gleiche Wyckoff-Sequenz und das gleiche Pearson-Symbol besitzen, werden isopointal genannt. Isopointale Strukturen lassen sich in der Datenbank ICSD leicht suchen. Für eine weitere Abgrenzung müssen dann weitere Kriterien herangezogen werden wie Achsenverhältnisse, beta-Winkel, ANX-Formeln, nötige und ausgeschlossenen chemische Elemente.

Zugehörige Begriffe[Bearbeiten]

Anisotypie
Neben der Isotypie existiert noch eine Anisotypie. Hierbei sind die Plätze von Kationen und Anionen vertauscht, als Beispiel seien Calciumfluorid (CaF2) und Lithiumoxid (Li2O) genannt. Li2O kristallisiert im Anti-CaF2-Typ
Aristotyp
Ist die idealisierte Stammstruktur, von der sich die gegebene Struktur durch Symmetrieabbau ableitet. So ist der Aristotyp des AuCu3 -Typs der Cu-Typ oder der Aristotyp des GdFeO3 -Typs der CaTiO3 -Typ.
Homöotypie
Im strengen Sinne sind zwei Kristallstrukturen nur bei analoger chemischer Summenformel, gleicher Symmetrie (Raumgruppe) und weitgehender Ähnlichkeit in der Atomanordnung isotyp. Für Kristalle, die dem zwar nicht voll entsprechen, aber trotzdem in ihren Strukturen sehr ähnlich sind, wurde der Begriff Homöotypie geprägt. So sind beispielsweise die Kohlenstoffmodifikation Diamant und Sphalerit (ZnS), Calcit (CaCO3) und Dolomit (CaMg(CO3)2) sowie Quarz (SiO2) und Berlinit (AlPO4) homöotyp.
Isopointal
Als isopointal werden zwei Strukturen bezeichnet, die in Pearson-Symbol und Wyckoff-Sequenz übereinstimmen. Trotzdem können sie zu verschiedenen Strukturtypen gehören.
Isotypie
Als isotyp (von griechisch ἴσος isos "gleich", und griechisch τύπος typos "Wesen, Charakter") werden Substanzen bezeichnet, die zum selben Strukturtyp gehören.
Polytypie
Bezeichnet das Phänomen, dass eine Substanz in zwei oder mehreren verschiedenen Kombinationen schichtartiger Struktureinheiten vorliegt.
Wyckoff-Sequenz
In den International Tables for Crystallography sind u. a. die 230 Raumgruppen mit ihren verschiedenen Punktlagen aufgelistet. Die Punktlagen sind alphabetisch durchnummeriert. Den Buchstaben a bekommt die Lage mit der höchsten Symmetrie, meist im Nullpunkt 0 0 0 der Zelle gelegen. Die allgemeine Lage x y z ohne Eigensymmetrie bekommt den höchsten Buchstaben. In der Wyckoff-Sequenz wird angegeben, welche Lagen wie oft besetzt sind. So hat der NaCl-Typ die Wyckoff-Sequenz "b a". Die Wyckoff-Sequenz ist nicht ganz eindeutig, sondern bei einigen Raumgruppen abhängig von der Nullpunktswahl. So geht die Wyckoff-Sequenz des Spinelltyps "e d a" bei einer Verschiebung um 0.5 0.5 0.5 über in "e c b". Um solche Mehrdeutigkeitem zu vermeiden, sollten vor einem Vergleich die Strukturen standardisiert werden (z. B. mit dem Programm Structure Tidy[3]).

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Strukturbericht – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Hartmut Bärnighausen: Group-Subgroup Relations between Space Groups: A Useful Tool in Crystal Chemistry, "MATCH", Communication in Mathematical Chemistry 1980, 9, 139–175.
  2. Rudolf Allmann, Roland Hinek: The introduction of structure types into the Inorganic Crystal structure Database ICSD, Acta Cryst. A63, 2007, 412–417. doi:10.1107/S0108767307038081.
  3. L. M. Gelato, E. Parthé (1987). STRUCTURE TIDY - a computer program to standardize crystal structure data. J. Appl. Cryst. 20, 139–143. doi:10.1107/S0021889887086965.