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 im April 2016 184748 Einträge. Knapp 79 % der Einträge werden in rund 9100 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 17 häufigsten Strukturtypen sind: Spinell (Al2MgO4), NaCl (Kochsalz), GdFeO3 (symmetrieerniedrigter Perowskit), Cu2Mg (kubische Laves-Phase), ThCr2Si2, CaTiO3 (kubischer Perowskit), CsCl, Cu (kubisch dichte Kugelpackung), AuCu3 (geordnet besetzter Cu-Typ), NdAlO3, MgZn2 (hexagonale Laves-Phase), ZnNiAl/Fe2P, TiNiSi/MgSrSi, CaF2 (Fluorit), CaCu5, CuFeO2 (Delafossit) und ZnS (Sphalerit). Diese 17 Typen haben in ICSD alle über 1000 Vertreter.

Nomenklatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Liste ausgewählter Strukturtypen
Bezeichnung in den
Strukturberichten
Strukturtyp,
Hauptvertreter (Prototyp)
Raumgruppe Pearson-
Symbol
weitere Beispiele Anzahl in ICSD

(April 2016)+

A
Ah α-Polonium
kubisch primitives Gitter (sc)
Pm3m (Nr. 221)Vorlage:Raumgruppe/221 cP1 34
A1 Kupfer
kubisch flächenzentriertes Gitter (fcc)
kubisch dichteste Kugelpackung (ccp)
Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225 cF4 γ-Eisen, Gold 1225
A2 Wolfram. W
kubisch raumzentriertes Gitter (bcc)
Im3m (Nr. 229)Vorlage:Raumgruppe/229 cI2 Vanadium, V

α-Eisen

781
A3 Magnesium, Mg
hexagonal dichteste Kugelpackung (hcp)
P63/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194 hP2 Cobalt, Co 784
A3' α-Lanthan
dhcp-Struktur
P63/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194 hP4 Cf 71
A4 Diamant, C Fd3m (Nr. 227)Vorlage:Raumgruppe/227 cF8 Si 89
A5 β-Zinn, Sn I4/mmm (Nr. 139)Vorlage:Raumgruppe/139 hP4 AsIn 76
A6 Indium, In I4/mmm (Nr. 139)Vorlage:Raumgruppe/139 tI2 MnTi 79
A7 Arsen, As R3m (Nr. 166)Vorlage:Raumgruppe/166 hR2 Bi 70
A8 γ-Selen, Se P3121 (Nr. 152)Vorlage:Raumgruppe/152 hP3 Te 50
A9 Graphit P63/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194 hP4 BN 9
A12 α-Mangan, Mn I43m (Nr. 217)Vorlage:Raumgruppe/217 cI58 Er5Mg24 141
A13 β-Mangan, Mn P4132 (Nr. 213)Vorlage:Raumgruppe/213 cP20 Fe2Re3 57
A14 Iod, I2 Cmce[3] (Nr. 64)Vorlage:Raumgruppe/64 oS8 Br2 26
A15 Cr3Si Pm3n (Nr. 223)Vorlage:Raumgruppe/223 cP8 V3Si, Nb3Sn, Nb3Ge 601
B
B1 Natriumchlorid (NaCl) Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225 cF8 FeO, PbS 3816
B2 Caesiumchlorid (CsCl) Pm3m (Nr. 221)Vorlage:Raumgruppe/221 cP2 FeAl, NiAl 1386
B3 Sphalerit-Typ (ZnS) F43m (Nr. 216)Vorlage:Raumgruppe/216 cF8 BP 1002
B4 Wurtzit-Typ (ZnS) P63mc (Nr. 186)Vorlage:Raumgruppe/186 hP4 GaN 581
B8 Nickelarsenid (NiAs) (Nickelin) P63/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194 hP4 PdTe 581
C
C1 Fluorit (CaF2) Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225 cF12 SrCl2 1045
C2 Pyrit (FeS2) Pa3 (Nr. 205)Vorlage:Raumgruppe/205 cP12 PtP2 393
C3 Cuprit (Cu2O) Pn3m (Nr. 224)Vorlage:Raumgruppe/224 cP6 Pb2O 34
C4 Rutil (TiO2) P42/mnm (Nr. 136)Vorlage:Raumgruppe/136 tP6 MgF2 672
C5 Anatas (TiO2) I41/amd (Nr. 141)Vorlage:Raumgruppe/141 tI12 TiNF 54
C6 Cadmiumiodid (CdI2) P3m1 (Nr. 164)Vorlage:Raumgruppe/164 hP3 VCl2, Ti2O 220
C7 Molybdänit (MoS2(4H)) P63/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194 hP6 Pt2B 61
C8 β-Quarz (SiO2) (Hochquarz, >846 K) P6222 (Nr. 180)Vorlage:Raumgruppe/180 hP9 BeF2 24
C8a α-Quarz (SiO2) (Tiefquarz, <846 K) P3121 (Nr. 152)Vorlage:Raumgruppe/152 hP9 GrO2 176
C9 Cristobalit (SiO2)HT Fd3m (Nr. 227)Vorlage:Raumgruppe/227 cF24 5
C10 Tridymit (SiO2)HT P63/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194 hP12 9
C14 MgZn2
hexagonale Laves-Phase
P63/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194 hP12 Np5Si3U4 1188
C15 Cu2Mg
kubische Laves-Phase
Fd3m (Nr. 227)Vorlage:Raumgruppe/227 cF24 Al2Ca 2324
C18 Markasit (FeS2) Pnnm (Nr. 58)Vorlage:Raumgruppe/58 oP6 RuP2 209
C19 Cadmiumchlorid (CdCl2) R3m (Nr. 166)Vorlage:Raumgruppe/166 hR3 Ho2C 33
C21 Brookit (TiO2) Pbca (Nr. 61)Vorlage:Raumgruppe/61 oP24 HfO2 25
D
D02 Skutterudit (CoAs3) Im3 (Nr. 204)Vorlage:Raumgruppe/204 cI32 NiP3 107
D51 Korund (Al2O3) R3c (Nr. 167)Vorlage:Raumgruppe/167 hR10 Ti2O3 382
D58 Stibnit (Antimonit, Sb2S3) Pnma (Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62 oP20 Sc2As3 187
E
E11 Chalkopyrit (CuFeS2) I42d (Nr. 122)Vorlage:Raumgruppe/122 tI16 GeZnP2 590
E21 Perowskit (ideal) (CaTiO3) Pm3m (Nr. 221)Vorlage:Raumgruppe/221 cP5 CsHgF3 2041
E22 Ilmenit (FeTiO3) R3 (Nr. 148)Vorlage:Raumgruppe/148 hR10 LiNbO3 282
F
F51 Delafossit (CuFeO2) R3m (Nr. 166)Vorlage:Raumgruppe/166 hR4 RbHoO2 1024
G
G01 Calcit (CaCO3) R3c (Nr. 167)Vorlage:Raumgruppe/167 hR10 LuBO3, NaNO3 238
G02 Aragonit (CaCO3) Pnma (Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62 oP20 KNO3 96
H
H11 Spinell (MgAl2O4) Fd3m (Nr. 227)Vorlage:Raumgruppe/227 cF56 Fe3O4 3859
H2 Baryt (BaSO4) Pnma (Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62 oP24 CsGaBr4 169
L
L11 AuCu P4/mmm (Nr. 123)Vorlage:Raumgruppe/123 tP2 LiBi 162
L12 Auricuprid (Cu3Au) Pm3m (Nr. 221)Vorlage:Raumgruppe/221 cP4 NpSi3 1240
L21 AlCu2Mn (Heusler-Phase) Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225 cF16 Li3Sb 870
S
S11 ZrSiO4 (Zirkon) I41/amd (Nr. 141)Vorlage:Raumgruppe/141 tI24 LuVO4 342
S12 Mg2SiO4 (Olivin) Pnma (Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62 oP28 NaCdPO4 795
S14 Al2Ca3Si3O12 (Granat, Grossular) Ia3d (Nr. 230)Vorlage:Raumgruppe/230 cI160 Fe5Tb3O13 664
S21 Sc2Si2O7 (Thortveitit) C2/m (Nr. 12)Vorlage:Raumgruppe/12 mS22 As2Mg2O7 64
S6 NaAlSi2O6H2O (Analcim) I43d (Nr. 220)Vorlage:Raumgruppe/220 cI208 NaGaSi2O6H2O 21
S62 Na8Al6Si6O24Cl2 (Sodalith) P43n (Nr. 218)Vorlage:Raumgruppe/218 cP46 Mg3(BeSiO4)2S 326
*) 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 | Quelltext 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 altgriechisch ἴσος isos "gleich", und altgriechisch 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 Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, sollten vor einem Vergleich die Strukturen standardisiert werden (z. B. mit dem Programm Structure Tidy[4]).

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Strukturbericht – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext 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. Die ehemalige Bezeichnung dieser Raumgruppe lautete Cmca.
  4. 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.