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 (Form der Elementarzelle) verlangt. Kristalline Substanzen, die zum gleichen Strukturtyp gehören, nennt man isotyp.
Die Stöchiometrie isotyper Substanzen muss übereinstimmen; die Art der Atome, der Charakter der Bindungen 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 unüberschaubar viele Verbindungen zu bringen. Darüber hinaus lassen sich über Strukturtypen und ihre zugehörige Symmetrie Verwandtschaftsverhältnisse aufzeigen.Hartmut Bärnighausen: Group-Subgroup Relations between Space Groups: A Useful Tool in Crystal Chemistry, "MATCH", Communication in Mathematical Chemistry 1980, 9, 139–175.
Mit Strukturtypen lassen sich Kristallstrukturen klassifizieren, die aus Ionen, Atomen und Atomgruppen, wie z. B. die Sulfatgruppe SO42−, aufgebaut sind. Dagegen sind Strukturtypen für Molekülstrukturen, wie sie bei den meisten organischen Verbindungen auftreten, weniger geeignet.
So ist der Strukturtyp als ein Hilfsmittel zu einer solchen Ordnungsfindung in der Datenbank anorganischer Kristallstrukturen ICSD dokumentiert.Rudolf Allmann, Roland Hinek: The introduction of structure types into the Inorganic Crystal structure Database ICSD, Acta Cryst. A63, 2007, 412–417. . Diese enthielt im November 2019 216.032 Einträge, von denen knapp 76 % in rund 9.400 Strukturtypen zusammengefasst sind.
Von hochsymmetrischen Strukturtypen leiten sich durch Symmetrieabbau häufig weitere Typen ab. Bei einigen Typen existieren ganze Stammbäume (z. B. in der Perowskit-Supergruppe). Der höchstsymmetrische Typ ist dann der Aristotyp.
Häufigste Strukturtypen Die 20 häufigsten Strukturtypen haben in der ICSD jeweils über 1000 Vertreter und repräsentieren damit etwa 18 % aller Einträge. Es sind: NaCl (Kochsalz); zum Natriumchlorid-Typ gehören daneben noch Magnesiumoxid, Bleisulfid und rund 800 meist ionische Verbindungen, aber auch Verbindungen und Mischkristalle mit stark kovalentem Bindungsanteil. Spinell (MgAl2O4) GdFeO3 (symmetrieerniedrigter Perowskit) Cu2Mg (kubische Laves-Phase) CaTiO3 (Perowskit-Struktur) CeAl2Ga2 (auch BaGa4) CsCl Cu (kubisch dichteste Kugelpackung) ZnS (Sphalerit, Zinkblende-Struktur) AuCu3 (Auricuprid, geordnet besetzter Cu-Typ) LaAlO3 (ein anderer Perowskit) CaF2 (Fluoritstruktur) MgZn2 (hexagonale Laves-Phase) Heusler-AlCu2Mn CuFeO2 (Delafossit) bcc-W (kubisch innenzentriert) CaCu5 TiNiSi/MgSrSi hcp-Mg (hexagonal dichteste Kugelpackung) ZnNiAl/Fe2P.
Nomenklatur Die Strukturtypen werden üblicherweise nach einer Substanz (Element, Verbindung oder Mineral) benannt.
Strukturbericht-Bezeichnungen 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 häufig benutzt.
Die Nomenklatur der Strukturberichte teilt die Strukturtypen nach der Zusammensetzung 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 wurden 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: mehr als 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 Verbindungen S: Silikate.
Pearson-Symbole 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 suchen. Für eine weitere Abgrenzung müssen dann weitere Kriterien herangezogen werden wie Achsenverhältnisse, beta-Winkel, ANX-Formeln, nötige und ausgeschlossenen chemische Elemente.
Ausgewählte Strukturtypen Bezeichnung in den Strukturberichten Strukturtyp, Hauptvertreter (Prototyp) Raumgruppe Pearson- Symbol Weitere Beispiele Anzahl in der ICSD (März 2020) A Ah α-Polonium, Po kubisch primitives Gitter (sc) cP1 43 A1 Kupfer, Cu kubisch flächenzentriertes Gitter (fcc) kubisch dichteste Kugelpackung (ccp) cF4 γ-Eisen, Gold 1728 A2 Wolfram, W kubisch raumzentriertes Gitter (bcc) cI2 Vanadium, V α-Eisen 1146 A3 Magnesium, Mg hexagonal dichteste Kugelpackung (hcp) hP2 Cobalt, Co 1049 A3' α-Lanthan, La dhcp-Struktur hP4 Nd, Cf 81 A4 Diamant, C cF8 Silicium, Si 156 A5 β-Zinn, Sn tI4 NbRu 105 A6 Indium, In tI2 MnNi 81 A7 Arsen, As hR2 Bi, AsSb 105 A8 Graues Selen, Se oder hP3 α-Tellur, Te 45 A9 Graphit, C hP4 BN 14 A12 α-Mangan, Mn cI58 Er5Mg24, Al12Mg17 126 A13 β-Mangan, Mn cP20 Fe2Re3, Mg3Ru2 53 A14 Iod, I2 oS8 Br2 26 A15 Cr3Si cP8 V3Si, Nb3Sn, Nb3Ge 655 B B1 Natriumchlorid (NaCl) cF8 FeO, PbS 4798 B2 Caesiumchlorid (CsCl) cP2 FeAl, NiAl 1734 B3 Sphalerit-Typ (ZnS) cF8 BP, InAs, CuI 1595 B4 Wurtzit-Typ (ZnS) hP4 GaN 713 B8 Nickelarsenid (NiAs) (Nickelin) hP4 PdTe, FeSe 680 C C1 Fluorit (CaF2) cF12 SrCl2, Li2O 1301 C2 Pyrit (FeS2) cP12 PtP2, SiP2 337 C3 Cuprit (Cu2O) cP6 Pb2O, Ag2O 42 C4 Rutil (TiO2) tP6 MgF2 752 C5 Anatas (TiO2) tI12 TiNF 63 C6 Cadmiumiodid (CdI2) hP3 VCl2, Ti2O, SnS2 261 C7 Molybdänit (MoS2(4H)) hP6 Pt2B, TaReSe4 81 C8 β-Quarz (SiO2) (Hochquarz, >846 K) hP9 BeF2 24 C8a α-Quarz (SiO2) (Tiefquarz, <846 K) hP9 GrO2 176 C9 Cristobalit (SiO2)HT cF24 75 C10 Tridymit (SiO2)HT hP12 9 C14 MgZn2 hexagonale Laves-Phase hP12 Np5Si3U4, HoMg2 1251 C15 Cu2Mg kubische Laves-Phase cF24 Al2Ca, CsBi2 2704 C18 Markasit (FeS2) oP6 RuP2, RuAs2 199 C19 Cadmiumchlorid (CdCl2) hR3 Ho2C anti-Typ 45 C21 Brookit (TiO2) oP24 HfO2 24 D D02 Skutterudit (CoAs3) cI32 NiP3, ReO3 126 D51 Korund (Al2O3) hR10 Ti2O3 398 D58 Stibnit (Antimonit, Sb2S3) oP20 Sc2As3, Sc3P2 167 E E11 Chalkopyrit (CuFeS2) tI16 ZnGeP2, ZnSiP2 612 E21 Perowskit (ideal) (CaTiO3) cP5 CsHgF3, KCoF3 2685 E22 Ilmenit (FeTiO3) hR10 LiNbO3, NaMnCl3 268 F F51 Delafossit (CuFeO2) hR4 RbHoO2, NaCrS2 1147 G G01 Calcit (CaCO3) hR10 LuBO3, NaNO3 312 G02 Aragonit (CaCO3) oP20 KNO3 125 H H11 Spinell (MgAl2O4) cF56 Fe3O4, MgCr2S4 4148 H2 Baryt (BaSO4) oP24 CsGaBr4, KBF4 172 L L11 AuCu tP2 LiBi, HgPd 133 L12 Auricuprid (Cu3Au) cP4 NpSi3, In3Lu 1522 L21 Heusler-Phase (AlCu2Mn) cF16 Li3Sb 1203 S S11 Zirkon (ZrSiO4) tI24 LuVO4, LuPO4 386 S12 Forsterit (Mg2SiO4, siehe auch Olivingruppe) oP28 NaCdPO4, Na2BaF4 867 S14 Granat, Grossular (Al2Ca3Si3O12) cI160 Fe5Tb3O13 737 S21 Thortveitit (Sc2Si2O7) mS22 Mg2As2O7 67 S6 Analcim (NaAlSi2O6H2O) cI208 NaGaSi2O6H2O 22 S62 Sodalith (Na8Al6Si6O24Cl2) cP46 Mg3(BeSiO4)2S 365
Zugehörige Begriffe
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 gilt der Cu-Typ als der Aristotyp des AuCu3-Typs oder der CaTiO3-Typ als der des GdFeO3-Typs.
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 oder auch isostrukturell (von ísos "gleich", und týpos "Wesen, Charakter") werden Substanzen bezeichnet, die zum selben Strukturtyp gehören. Der Gegensatz ist Heterotypie.Stichwort Isotypie, Spektrum Lexikon Chemie
Polytypie Bezeichnet zum einen das Phänomen, dass eine Substanz in verschiedenen Stapelfolgen schichtartiger Struktureinheiten auftreten kann, wie z. B. beim ZnS. Zum anderen kann dieselbe Substanz in verschiedenen Strukturtypen auftreten, verursacht durch Druck- oder Temperaturänderung. So ist die Hochdruckform von Kohlenstoff der Diamant, während bei Normaldruck der Graphit stabil ist.
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 TidyL. M. Gelato, E. Parthé (1987). STRUCTURE TIDY - a computer program to standardize crystal structure data. J. Appl. Cryst. 20, 139–143. .).
Siehe auch Polymorphie
Literatur
J. Lima-de-Faria, E. Hellner, F. Liebau, E. Makovicky, E. Parthé (1990). Nomenclature of inorganic structure types. Acta Cryst. A46, 1–11. .
Weblinks
Einzelnachweise
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