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Kristallchemie Die κρύσταλλος krýstallos Eis χημεία chemeia Chemie ist eine Teildisziplin der Kristallographie und befas

Kristallchemie

Die Kristallchemie (κρύσταλλος (krýstallos) = Eis; χημεία (chemeia) = Chemie) ist eine Teildisziplin der Kristallographie und befasst sich mit den Zusammenhängen zwischen der chemischen Zusammensetzung kristalliner Stoffe und deren Strukturaufbau sowie den daraus folgenden physikalischen Eigenschaften. Sie ist damit das Verbindungsglied zwischen den Fachgebieten der Kristallographie und Chemie. Ein verwandtes Fachgebiet ist die Strukturchemie, die ein Teilgebiet der physikalischen Chemie ist, und die Festkörperchemie (Teilgebiet der Chemie).

„[Ziel der Kristallchemie ist es, ]…gesetzmäßige Beziehungen zwischen der chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften kristalliner Stoffe festzustellen. Insbesondere ist es Aufgabe der Kristallchemie im engeren Sinne zu finden, in welcher Weise die Kristallstruktur von der chemischen Zusammensetzung abhängt.“

– Victor Moritz Goldschmidt 1926

Geschichte Bearbeiten

Die Kristallchemie hat sich aus der Mineralogie (um 300 v. Chr. Theophrastus: „Über Steine“) und später der Kristallographie (1669 Nicolaus Steno: Winkelkonstanz an Bergkristallen) entwickelt. Im 19. Jahrhundert wurde die Entwicklung durch die Erfindung des Reflexionsgoniometers (William Hyde Wollaston 1809), die Entdeckung der Isomorphie und Polymorphie durch Eilhard Mitscherlich (1819) sowie der Enantiomorphie durch Louis Pasteur (1840) vorangetrieben.

Anfang des 20. Jahrhunderts folgte mit ersten Röntgenbeugungsversuchen an Kristallen (Walter Friedrich, Paul Knipping und Max von Laue 1912) ein wichtiger Schritt zur systematischen Kristallstrukturanalyse. 1923 bis 1926 stellte Goldschmidt, der als Mitbegründer der Kristallchemie gilt, seine Strukturprinzipien für einfache Verbindungen auf. Ihre Hauptregel lautet, wie angegeben in Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente, VII, Seite 9:

Grundlagen Bearbeiten

Goldschmidt und Fritz Laves stellten die Raumfüllungspostulate für den Aufbau von stabilen Kristallstrukturen mit kleinstmöglicher Gitterenergie auf (die Atome/Ionen werden in diesen Postulaten rein geometrisch als starre Kugeln betrachtet):

  • Raumprinzip: Die Atome/Ionen werden möglichst dicht gepackt
  • Symmetrieprinzip: Der Kristall weist eine möglichst hohe Symmetrie auf
  • Wechselwirkungsprinzip: Jedes Atom/Ion umgibt sich mit möglichst vielen Nachbarn.

Darüber hinaus spielt der Atom- oder Ionenradius eine Rolle, der je nach Bindungsart unterschiedlich sein kann. So kann z. B. bei einigen chemischen Verbindungen (etwa beim Mineral Olivin (Mg, Fe)2[SiO4]) der Kristallstrukturaufbau dadurch erklärt werden, dass eine Atomsorte eine dichteste Kugelpackung bildet und die anderen (kleineren) Atomsorten die übrigbleibenden Lücken besetzen.

Die Art der chemischen Bindung in einem Kristall kann sein:

  • homodesmisch (eine Bindungsart vorherrschend) oder
  • heterodesmisch (stabile, isolierte Atomgruppen oder Komplexe, die wiederum in eine größere Einheit eingebettet sind).

Ein Beispiel für eine heterodesmische Verbindung ist der Pyrit FeS2 (kovalent zwischen den Schwefelatomen, ionar zwischen Schwefel und Eisen).

Für Kristalle mit vorwiegend ionischer Bindung (Ionenkristalle) gelten die Paulingschen Verknüpfungsregeln.

Untersuchungsmethoden Bearbeiten

Die wichtigsten Untersuchungsmethoden der Kristallchemie sind

Systematik Bearbeiten

Die Kristallchemie teilt kristalline Verbindungen in Strukturtypen ein, die nach der Art der stöchiometrischen Verbindung und der Reihenfolge ihrer Entdeckung klassifiziert sind. Diese Einteilung geht auf den von Hermann und Ewald entwickelten Strukturbericht zurück. Die Stöchiometrie bzw. Bindungsart ist durch einen Buchstaben gekennzeichnet, die Reihenfolge der Entdeckung durchnummeriert (1, 2,…):

  • A: Elemente (z. B. Au)
  • B: AB-Verbindungen (z. B. NaCl)
  • C: AB2-Verbindungen (z. B. FeS2)
  • D: AnBm-Verbindungen (z. B. Al2O3)
  • E: >2 Elemente ohne ausgesprochene Komplexbildung (z. B. CaTiO3)
  • F: mit zwei- oder dreiatomigen Komplexen (z. B. NaNO2)
  • G: mit vieratomigen Komplexen (z. B. Na2CO3)
  • H: mit fünfatomigen Komplexen (z. B. Na2SO4)
  • L: Legierungen (z. B. Amalgame)
  • M: Mischkristalle (z. B. NaCl/AgCl)
  • S: Silikate (z. B. Al2SiO5)

„C4“ zum Beispiel ist der „Rutil-Typ“ (TiO2), „E2“ ist der „Ilmenit-Typ“ (FeTiO3), der von der α-Al2O3-Struktur durch abwechselndes Ersetzen der Al-Schichten durch Fe und Ti abgeleitet werden kann.

Literatur Bearbeiten

  • Robert C. Evans: Einführung in die Kristallchemie. Gruyter, 1976, ISBN 978-3-11-003976-4.
  • Anthony R. West, Cameron West: Basic Solid State Chemistry. Wiley & Sons, 1999, ISBN 978-0-471-98756-7.
  • Heinz Krebs: Grundzüge der anorganischen Kristallchemie. Enke, 1968.
  • Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm: Einführung in die Kristallographie. Oldenbourg, 1998, ISBN 978-3-341-01205-5.
  • Linus Pauling: Die Natur der chemischen Bindung. Verl. Chemie, 1968.
  • Nathaniel Warren Alcock: Bonding and Structures: Structural Principles in Inorganic and Organic Chemistry. Ellis Horwood, 1990, ISBN 978-0-13-465253-5.
  • IUCR Publikation „50 Years of X-ray Diffraction“ (insbesondere Kapitel 9 und 11)
  • Strukturtypendatenbank der Uni Freiburg

Fachzeitschriften Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Skript Kristallchemie Uni Leipzig (PDF; 6,0 MB).
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Veröffentlichungsdatum:
Die Kristallchemie krystallos krystallos Eis xhmeia chemeia Chemie ist eine Teildisziplin der Kristallographie und befasst sich mit den Zusammenhangen zwischen der chemischen Zusammensetzung kristalliner Stoffe und deren Strukturaufbau sowie den daraus folgenden physikalischen Eigenschaften Sie ist damit das Verbindungsglied zwischen den Fachgebieten der Kristallographie und Chemie Ein verwandtes Fachgebiet ist die Strukturchemie die ein Teilgebiet der physikalischen Chemie ist und die Festkorperchemie Teilgebiet der Chemie Ziel der Kristallchemie ist es gesetzmassige Beziehungen zwischen der chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften kristalliner Stoffe festzustellen Insbesondere ist es Aufgabe der Kristallchemie im engeren Sinne zu finden in welcher Weise die Kristallstruktur von der chemischen Zusammensetzung abhangt Victor Moritz Goldschmidt 1926 Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Grundlagen 3 Untersuchungsmethoden 4 Systematik 5 Literatur 6 Fachzeitschriften 7 EinzelnachweiseGeschichte BearbeitenDie Kristallchemie hat sich aus der Mineralogie um 300 v Chr Theophrastus Uber Steine und spater der Kristallographie 1669 Nicolaus Steno Winkelkonstanz an Bergkristallen entwickelt Im 19 Jahrhundert wurde die Entwicklung durch die Erfindung des Reflexionsgoniometers William Hyde Wollaston 1809 die Entdeckung der Isomorphie und Polymorphie durch Eilhard Mitscherlich 1819 sowie der Enantiomorphie durch Louis Pasteur 1840 vorangetrieben Anfang des 20 Jahrhunderts folgte mit ersten Rontgenbeugungsversuchen an Kristallen Walter Friedrich Paul Knipping und Max von Laue 1912 ein wichtiger Schritt zur systematischen Kristallstrukturanalyse 1923 bis 1926 stellte Goldschmidt der als Mitbegrunder der Kristallchemie gilt seine Strukturprinzipien fur einfache Verbindungen auf Ihre Hauptregel lautet wie angegeben in Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente VII Seite 9 Die Kristallstruktur eines Stoffes ist bedingt durch Grosse und Polarisationseigenschaften seiner Komponenten als Komponenten sind Atome respektive Ionen und Atomgruppen zu bezeichnen Grundlagen BearbeitenGoldschmidt und Fritz Laves stellten die Raumfullungspostulate fur den Aufbau von stabilen Kristallstrukturen mit kleinstmoglicher Gitterenergie auf die Atome Ionen werden in diesen Postulaten rein geometrisch als starre Kugeln betrachtet Raumprinzip Die Atome Ionen werden moglichst dicht gepackt Symmetrieprinzip Der Kristall weist eine moglichst hohe Symmetrie auf Wechselwirkungsprinzip Jedes Atom Ion umgibt sich mit moglichst vielen Nachbarn Daruber hinaus spielt der Atom oder Ionenradius eine Rolle der je nach Bindungsart unterschiedlich sein kann So kann z B bei einigen chemischen Verbindungen etwa beim Mineral Olivin Mg Fe 2 SiO4 der Kristallstrukturaufbau dadurch erklart werden dass eine Atomsorte eine dichteste Kugelpackung bildet und die anderen kleineren Atomsorten die ubrigbleibenden Lucken besetzen Die Art der chemischen Bindung in einem Kristall kann sein homodesmisch eine Bindungsart vorherrschend oder heterodesmisch stabile isolierte Atomgruppen oder Komplexe die wiederum in eine grossere Einheit eingebettet sind Ein Beispiel fur eine heterodesmische Verbindung ist der Pyrit FeS2 kovalent zwischen den Schwefelatomen ionar zwischen Schwefel und Eisen Fur Kristalle mit vorwiegend ionischer Bindung Ionenkristalle gelten die Paulingschen Verknupfungsregeln Untersuchungsmethoden BearbeitenDie wichtigsten Untersuchungsmethoden der Kristallchemie sind Methoden der Strukturanalyse auf Grundlage von z B Rontgen oder Neutronenbeugung Methoden der analytischen Chemie insbesondere die instrumentelle Analytik zu der u a die Spektroskopie gehort Methoden der physikalischen Chemie Bestimmung von Phasendiagrammen und Phasentransformationen Systematik Bearbeiten Hauptartikel Strukturtyp Die Kristallchemie teilt kristalline Verbindungen in Strukturtypen ein die nach der Art der stochiometrischen Verbindung und der Reihenfolge ihrer Entdeckung klassifiziert sind Diese Einteilung geht auf den von Hermann und Ewald entwickelten Strukturbericht zuruck Die Stochiometrie bzw Bindungsart ist durch einen Buchstaben gekennzeichnet die Reihenfolge der Entdeckung durchnummeriert 1 2 A Elemente z B Au B AB Verbindungen z B NaCl C AB2 Verbindungen z B FeS2 D AnBm Verbindungen z B Al2O3 E gt 2 Elemente ohne ausgesprochene Komplexbildung z B CaTiO3 F mit zwei oder dreiatomigen Komplexen z B NaNO2 G mit vieratomigen Komplexen z B Na2CO3 H mit funfatomigen Komplexen z B Na2SO4 L Legierungen z B Amalgame M Mischkristalle z B NaCl AgCl S Silikate z B Al2SiO5 C4 zum Beispiel ist der Rutil Typ TiO2 E2 ist der Ilmenit Typ FeTiO3 der von der a Al2O3 Struktur durch abwechselndes Ersetzen der Al Schichten durch Fe und Ti abgeleitet werden kann 1 Literatur BearbeitenRobert C Evans Einfuhrung in die Kristallchemie Gruyter 1976 ISBN 978 3 11 003976 4 Anthony R West Cameron West Basic Solid State Chemistry Wiley amp Sons 1999 ISBN 978 0 471 98756 7 Heinz Krebs Grundzuge der anorganischen Kristallchemie Enke 1968 Will Kleber Hans Joachim Bautsch Joachim Bohm Einfuhrung in die Kristallographie Oldenbourg 1998 ISBN 978 3 341 01205 5 Linus Pauling Die Natur der chemischen Bindung Verl Chemie 1968 Nathaniel Warren Alcock Bonding and Structures Structural Principles in Inorganic and Organic Chemistry Ellis Horwood 1990 ISBN 978 0 13 465253 5 IUCR Publikation 50 Years of X ray Diffraction insbesondere Kapitel 9 und 11 Strukturtypendatenbank der Uni FreiburgFachzeitschriften BearbeitenJournal of Solid State Chemistry Acta Crystallographica Section B Structural CrystallographyEinzelnachweise Bearbeiten Skript Kristallchemie Uni Leipzig PDF 6 0 MB Normdaten Sachbegriff GND 4165759 7 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Kristallchemie amp oldid 237843634