Strukturtyp

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.<ref>Hartmut Bärnighausen: Group-Subgroup Relations between Space Groups: A Useful Tool in Crystal Chemistry, "MATCH", Communication in Mathematical Chemistry 1980, 9, 139–175.</ref>

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.<ref>Rudolf Allmann, Roland Hinek: The introduction of structure types into the Inorganic Crystal structure Database ICSD, Acta Cryst. A63, 2007, 412–417. {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}.</ref> 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: A_mB_n-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	0 \| span \| sup}} class="fussnoten-marke" data-annotationpair-m="{{#invoke:URLutil\|anchorencode\|1=a)\|2=1}}">{{#invoke:TemplUtl\|nowiki1\|a)}}</{{#ifeq: \| 0 \| span \| sup}}>{{#switch:0\|10\|11=\|#default={{#invoke:TemplatePar\|match	1=1=+	2=SUP=n	3=gruppe=*	template=Vorlage:FN	cat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Fußnoten }}{{#switch: ERROR	{{#switch: Vorlage:Str match \|[\|] = ERROR \|(Direkteingabe der Klammern)}}	{{#switch: Vorlage:Str match \|91\|93 = ERROR \|(HTML-Entität dezimal)}}	{{#switch: Vorlage:Str match \|5b\|5d = ERROR \|(HTML-Entität hexadezimal)}}	{{#switch: Vorlage:Str match \|lbrack\|rbrack = ERROR \|(benannte HTML-Entität)}} =Vorlage:FN, Fehler in Parameter 1: Keine eckigen Klammern verwenden, das führt sonst zu Verwechslungen mit dem offiziellen MediaWiki-Belegsystem. }}}} (März 2020)
A
A_h	α-Polonium, Po kubisch primitives Gitter (sc)	Vorlage:Raumgruppe	cP1		43
A1	Kupfer, Cu kubisch flächenzentriertes Gitter (fcc) kubisch dichteste Kugelpackung (ccp)	Vorlage:Raumgruppe	cF4	γ-Eisen, Gold	1728
A2	Wolfram, W kubisch raumzentriertes Gitter (bcc)	Vorlage:Raumgruppe	cI2	Vanadium, V α-Eisen	1146
A3	Magnesium, Mg hexagonal dichteste Kugelpackung (hcp)	Vorlage:Raumgruppe	hP2	Cobalt, Co	1049
A3'	α-Lanthan, La dhcp-Struktur	Vorlage:Raumgruppe	hP4	Nd, Cf	81
A4	Diamant, C	Vorlage:Raumgruppe	cF8	Silicium, Si	156
A5	β-Zinn, Sn	Vorlage:Raumgruppe	tI4	NbRu	105
A6	Indium, In	Vorlage:Raumgruppe	tI2	MnNi	81
A7	Arsen, As	Vorlage:Raumgruppe	hR2	Bi, AsSb	105
A8	Graues Selen, Se	Vorlage:Raumgruppe oder Vorlage:Raumgruppe	hP3	α-Tellur, Te	45
A9	Graphit, C	Vorlage:Raumgruppe	hP4	BN	14
A12	α-Mangan, Mn	Vorlage:Raumgruppe	cI58	Er₅Mg₂₄, Al₁₂Mg₁₇	126
A13	β-Mangan, Mn	Vorlage:Raumgruppe	cP20	Fe₂Re₃, Mg₃Ru₂	53
A14	Iod, I₂	Vorlage:Raumgruppe	oS8	Br₂	26
A15	Cr₃Si	Vorlage:Raumgruppe	cP8	V₃Si, Nb₃Sn, Nb₃Ge	655
B
B1	Natriumchlorid (NaCl)	Vorlage:Raumgruppe	cF8	FeO, PbS	4798
B2	Caesiumchlorid (CsCl)	Vorlage:Raumgruppe	cP2	FeAl, NiAl	1734
B3	Sphalerit-Typ (ZnS)	Vorlage:Raumgruppe	cF8	BP, InAs, CuI	1595
B4	Wurtzit-Typ (ZnS)	Vorlage:Raumgruppe	hP4	GaN	713
B8	Nickelarsenid (NiAs) (Nickelin)	Vorlage:Raumgruppe	hP4	PdTe, FeSe	680
C
C1	Fluorit (CaF₂)	Vorlage:Raumgruppe	cF12	SrCl₂, Li₂O	1301
C2	Pyrit (FeS₂)	Vorlage:Raumgruppe	cP12	PtP₂, SiP₂	337
C3	Cuprit (Cu₂O)	Vorlage:Raumgruppe	cP6	Pb₂O, Ag₂O	42
C4	Rutil (TiO₂)	Vorlage:Raumgruppe	tP6	MgF₂	752
C5	Anatas (TiO₂)	Vorlage:Raumgruppe	tI12	TiNF	63
C6	Cadmiumiodid (CdI₂)	Vorlage:Raumgruppe	hP3	VCl₂, Ti₂O, SnS₂	261
C7	Molybdänit (MoS₂(4H))	Vorlage:Raumgruppe	hP6	Pt₂B, TaReSe₄	81
C8	β-Quarz (SiO₂) (Hochquarz, >846 K)	Vorlage:Raumgruppe	hP9	BeF₂	24
C8a	α-Quarz (SiO₂) (Tiefquarz, <846 K)	Vorlage:Raumgruppe	hP9	GrO₂	176
C9	Cristobalit (SiO₂)HT	Vorlage:Raumgruppe	cF24		75
C10	Tridymit (SiO₂)HT	Vorlage:Raumgruppe	hP12		9
C14	MgZn₂ hexagonale Laves-Phase	Vorlage:Raumgruppe	hP12	Np₅Si₃U₄, HoMg₂	1251
C15	Cu₂Mg kubische Laves-Phase	Vorlage:Raumgruppe	cF24	Al₂Ca, CsBi₂	2704
C18	Markasit (FeS₂)	Vorlage:Raumgruppe	oP6	RuP₂, RuAs₂	199
C19	Cadmiumchlorid (CdCl₂)	Vorlage:Raumgruppe	hR3	Ho₂C anti-Typ	45
C21	Brookit (TiO₂)	Vorlage:Raumgruppe	oP24	HfO₂	24
D
D0₂	Skutterudit (CoAs₃)	Vorlage:Raumgruppe	cI32	NiP₃, ReO₃	126
D5₁	Korund (Al₂O₃)	Vorlage:Raumgruppe	hR10	Ti₂O₃	398
D5₈	Stibnit (Antimonit, Sb₂S₃)	Vorlage:Raumgruppe	oP20	Sc₂As₃, Sc₃P₂	167
E
E1₁	Chalkopyrit (CuFeS₂)	Vorlage:Raumgruppe	tI16	ZnGeP₂, ZnSiP₂	612
E2₁	Perowskit (ideal) (CaTiO₃)	Vorlage:Raumgruppe	cP5	CsHgF₃, KCoF₃	2685
E2₂	Ilmenit (FeTiO₃)	Vorlage:Raumgruppe	hR10	LiNbO₃, NaMnCl₃	268
F
F5₁	Delafossit (CuFeO₂)	Vorlage:Raumgruppe	hR4	RbHoO₂, NaCrS₂	1147
G
G0₁	Calcit (CaCO₃)	Vorlage:Raumgruppe	hR10	LuBO₃, NaNO₃	312
G0₂	Aragonit (CaCO₃)	Vorlage:Raumgruppe	oP20	KNO₃	125
H
H1₁	Spinell (MgAl₂O₄)	Vorlage:Raumgruppe	cF56	Fe₃O₄, MgCr₂S₄	4148
H2	Baryt (BaSO₄)	Vorlage:Raumgruppe	oP24	CsGaBr₄, KBF₄	172
L
L1₁	AuCu	Vorlage:Raumgruppe	tP2	LiBi, HgPd	133
L1₂	Auricuprid (Cu₃Au)	Vorlage:Raumgruppe	cP4	NpSi₃, In₃Lu	1522
L2₁	Heusler-Phase (AlCu₂Mn)	Vorlage:Raumgruppe	cF16	Li₃Sb	1203
S
S1₁	Zirkon (ZrSiO₄)	Vorlage:Raumgruppe	tI24	LuVO₄, LuPO₄	386
S1₂	Forsterit (Mg₂SiO₄, siehe auch Olivingruppe)	Vorlage:Raumgruppe	oP28	NaCdPO₄, Na₂BaF₄	867
S1₄	Granat, Grossular (Al₂Ca₃Si₃O₁₂)	Vorlage:Raumgruppe	cI160	Fe₅Tb₃O₁₃	737
S2₁	Thortveitit (Sc₂Si₂O₇)	Vorlage:Raumgruppe	mS22	Mg₂As₂O₇	67
S6	Analcim (NaAlSi₂O6H₂O)	Vorlage:Raumgruppe	cI208	NaGaSi₂O₆H₂O	22
S6₂	Sodalith (Na₈Al₆Si₆O₂₄Cl₂)	Vorlage:Raumgruppe	cP46	Mg₃(BeSiO₄)₂S	365
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Zugehörige Begriffe

{{#invoke: Vorlage:Anker|f |errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Anker |errHide=1}}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

{{#invoke: Vorlage:Anker|f |errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Anker |errHide=1}}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.

{{#invoke: Vorlage:Anker|f |errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Anker |errHide=1}}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.

{{#invoke: Vorlage:Anker|f |errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Anker |errHide=1}}Isopointal: Als isopointal werden zwei Strukturen bezeichnet, die in Pearson-Symbol und Wyckoff-Sequenz übereinstimmen. Trotzdem können sie zu verschiedenen Strukturtypen gehören.

{{#invoke: Vorlage:Anker|f |errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Anker |errHide=1}}Isotypie: Als isotyp oder auch isostrukturell<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> (von Vorlage:GrcS ísos "gleich", und Vorlage:GrcS týpos "Wesen, Charakter") werden Substanzen bezeichnet, die zum selben Strukturtyp gehören. Der Gegensatz ist Heterotypie.<ref>Stichwort Isotypie, Spektrum Lexikon Chemie</ref>

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.

{{#invoke: Vorlage:Anker|f |errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Anker |errHide=1}}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<ref>L. M. Gelato, E. Parthé (1987). STRUCTURE TIDY - a computer program to standardize crystal structure data. J. Appl. Cryst. 20, 139–143. {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}.</ref>).

Siehe auch

Polymorphie

Literatur

{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}
J. Lima-de-Faria, E. Hellner, F. Liebau, E. Makovicky, E. Parthé (1990). Nomenclature of inorganic structure types. Acta Cryst. A46, 1–11. {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}.

Weblinks

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Einzelnachweise