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 (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 November 2019 216032 Einträge. Knapp 76 % der Einträge werden in rund 9400 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 Verbindungen, 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 20 häufigsten Strukturtypen sind: NaCl (Kochsalz), Spinell (MgAl₂O₄), GdFeO₃ (symmetrieerniedrigter Perowskit), Cu₂Mg (kubische Laves-Phase), CaTiO₃ (kubischer Perowskit), CeAl₂Ga₂ (auch BaGa₄), CsCl, Cu (kubisch dichte Kugelpackung), ZnS (Sphalerit), AuCu₃ (Auricuprid, geordnet besetzter Cu-Typ), LaAlO₃ (ein anderer Perowskit), CaF₂ (Fluorit), MgZn₂ (hexagonale Laves-Phase), Heusler-AlCu₂Mn, CuFeO₂ (Delafossit), bcc-W (kubisch innenzentriert), CaCu₅, TiNiSi/MgSrSi, hcp-Mg (hexagonal dichte Kugelpackung) und ZnNiAl/Fe₂P. Diese 20 Typen haben in ICSD alle über 1000 Vertreter und repräsentieren damit etwa 18 % aller Einträge.

Nomenklatur

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 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 werden 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: >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.

Ausgewählte Strukturtypen

Bezeichnung in den Strukturberichten	Strukturtyp, Hauptvertreter (Prototyp)	Raumgruppe	Pearson- Symbol	weitere Beispiele	Anzahl in ICSD (März 2020)
A
A_h	α-Polonium, Po kubisch primitives Gitter (sc)	Pm3m (Nr. 221)Vorlage:Raumgruppe/221	cP1		43
A1	Kupfer, Cu kubisch flächenzentriertes Gitter (fcc) kubisch dichteste Kugelpackung (ccp)	Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225	cF4	γ-Eisen, Gold	1728
A2	Wolfram, W kubisch raumzentriertes Gitter (bcc)	Im3m (Nr. 229)Vorlage:Raumgruppe/229	cI2	Vanadium, V α-Eisen	1146
A3	Magnesium, Mg hexagonal dichteste Kugelpackung (hcp)	P6₃/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194	hP2	Cobalt, Co	1049
A3'	α-Lanthan, La dhcp-Struktur	P6₃/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194	hP4	Nd, Cf	81
A4	Diamant, C	Fd3m (Nr. 227)Vorlage:Raumgruppe/227	cF8	Silicium, Si	156
A5	β-Zinn, Sn	I4₁/amd (Nr. 141)Vorlage:Raumgruppe/141	tI4	NbRu	105
A6	Indium, In	I4/mmm (Nr. 139)Vorlage:Raumgruppe/139	tI2	MnNi	81
A7	Arsen, As	R3m (Nr. 166)Vorlage:Raumgruppe/166	hR2	Bi, AsSb	105
A8	γ-Selen, Se	P3₁21 (Nr. 152)Vorlage:Raumgruppe/152	hP3	Te	45
A9	Graphit, C	P6₃/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194	hP4	BN	14
A12	α-Mangan, Mn	I43m (Nr. 217)Vorlage:Raumgruppe/217	cI58	Er₅Mg₂₄, Al₁₂Mg₁₇	126
A13	β-Mangan, Mn	P4₁32 (Nr. 213)Vorlage:Raumgruppe/213	cP20	Fe₂Re₃, Mg₃Ru₂	53
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	655
B
B1	Natriumchlorid (NaCl)	Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225	cF8	FeO, PbS	4798
B2	Caesiumchlorid (CsCl)	Pm3m (Nr. 221)Vorlage:Raumgruppe/221	cP2	FeAl, NiAl	1734
B3	Sphalerit-Typ (ZnS)	F43m (Nr. 216)Vorlage:Raumgruppe/216	cF8	BP, InAs, CuI	1595
B4	Wurtzit-Typ (ZnS)	P6₃mc (Nr. 186)Vorlage:Raumgruppe/186	hP4	GaN	713
B8	Nickelarsenid (NiAs) (Nickelin)	P6₃/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194	hP4	PdTe, FeSe	680
C
C1	Fluorit (CaF₂)	Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225	cF12	SrCl₂, Li₂O	1301
C2	Pyrit (FeS₂)	Pa3 (Nr. 205)Vorlage:Raumgruppe/205	cP12	PtP₂, SiP₂	337
C3	Cuprit (Cu₂O)	Pn3m (Nr. 224)Vorlage:Raumgruppe/224	cP6	Pb₂O, Ag₂O	42
C4	Rutil (TiO₂)	P4₂/mnm (Nr. 136)Vorlage:Raumgruppe/136	tP6	MgF₂	752
C5	Anatas (TiO₂)	I4₁/amd (Nr. 141)Vorlage:Raumgruppe/141	tI12	TiNF	63
C6	Cadmiumiodid (CdI₂)	P3m1 (Nr. 164)Vorlage:Raumgruppe/164	hP3	VCl₂, Ti₂O, SnS₂	261
C7	Molybdänit (MoS₂(4H))	P6₃/mmc (Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194	hP6	Pt₂B, TaReSe₄	81
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		75
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, HoMg₂	1251
C15	Cu₂Mg kubische Laves-Phase	Fd3m (Nr. 227)Vorlage:Raumgruppe/227	cF24	Al₂Ca, CsBi₂	2704
C18	Markasit (FeS₂)	Pnnm (Nr. 58)Vorlage:Raumgruppe/58	oP6	RuP₂, RuAs₂	199
C19	Cadmiumchlorid (CdCl₂)	R3m (Nr. 166)Vorlage:Raumgruppe/166	hR3	Ho₂C anti-Typ	45
C21	Brookit (TiO₂)	Pbca (Nr. 61)Vorlage:Raumgruppe/61	oP24	HfO₂	24
D
D0₂	Skutterudit (CoAs₃)	Im3 (Nr. 204)Vorlage:Raumgruppe/204	cI32	NiP₃, ReO₃	126
D5₁	Korund (Al₂O₃)	R3c (Nr. 167)Vorlage:Raumgruppe/167	hR10	Ti₂O₃	398
D5₈	Stibnit (Antimonit, Sb₂S₃)	Pnma (Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62	oP20	Sc₂As₃, Sc₃P₂	167
E
E1₁	Chalkopyrit (CuFeS₂)	I42d (Nr. 122)Vorlage:Raumgruppe/122	tI16	ZnGeP₂, ZnSiP₂	612
E2₁	Perowskit (ideal) (CaTiO₃)	Pm3m (Nr. 221)Vorlage:Raumgruppe/221	cP5	CsHgF₃, KCoF₃	2685
E2₂	Ilmenit (FeTiO₃)	R3 (Nr. 148)Vorlage:Raumgruppe/148	hR10	LiNbO₃, NaMnCl₃	268
F
F5₁	Delafossit (CuFeO₂)	R3m (Nr. 166)Vorlage:Raumgruppe/166	hR4	RbHoO₂, NaCrS₂	1147
G
G0₁	Calcit (CaCO₃)	R3c (Nr. 167)Vorlage:Raumgruppe/167	hR10	LuBO₃, NaNO₃	312
G0₂	Aragonit (CaCO₃)	Pnma (Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62	oP20	KNO₃	125
H
H1₁	Spinell (MgAl₂O₄)	Fd3m (Nr. 227)Vorlage:Raumgruppe/227	cF56	Fe₃O₄, MgCr₂S₄	4148
H2	Baryt (BaSO₄)	Pnma (Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62	oP24	CsGaBr₄, KBF₄	172
L
L1₁	AuCu	P4/mmm (Nr. 123)Vorlage:Raumgruppe/123	tP2	LiBi, HgPd	133
L1₂	Auricuprid (Cu₃Au)	Pm3m (Nr. 221)Vorlage:Raumgruppe/221	cP4	NpSi₃, In₃Lu	1522
L2₁	Heusler-Phase (AlCu₂Mn)	Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225	cF16	Li₃Sb	1203
S
S1₁	Zirkon (ZrSiO₄)	I4₁/amd (Nr. 141)Vorlage:Raumgruppe/141	tI24	LuVO₄, LuPO₄	386
S1₂	Forsterit (Mg₂SiO₄, siehe auch Olivingruppe)	Pnma (Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62	oP28	NaCdPO₄, Na₂BaF₄	867
S1₄	Granat, Grossular (Al₂Ca₃Si₃O₁₂)	Ia3d (Nr. 230)Vorlage:Raumgruppe/230	cI160	Fe₅Tb₃O₁₃	737
S2₁	Thortveitit (Sc₂Si₂O₇)	C2/m (Nr. 12)Vorlage:Raumgruppe/12	mS22	Mg₂As₂O₇	67
S6	Analcim (NaAlSi₂O6H₂O)	I43d (Nr. 220)Vorlage:Raumgruppe/220	cI208	NaGaSi₂O₆H₂O	22
S6₂	Sodalith (Na₈Al₆Si₆O₂₄Cl₂)	P43n (Nr. 218)Vorlage:Raumgruppe/218	cP46	Mg₃(BeSiO₄)₂S	365
*) Die Anzahl enthält auch Mehrfachbestimmungen

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 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 oder auch isostrukturell[4] (von altgriechisch ἴσος ísos "gleich", und altgriechisch τύπος týpos "Wesen, Charakter") werden Substanzen bezeichnet, die zum selben Strukturtyp gehören. Der Gegensatz ist Heterotypie.[5]

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 Tidy[6]).

Siehe auch

Polymorphie

Literatur

Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm, Detlef Klimm: Einführung in die Kristallographie. 19. Auflage. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München 2010, ISBN 978-3-486-59075-3.
J. Lima-de-Faria, E. Hellner, F. Liebau, E. Makovicky, E. Parthé (1990). Nomenclature of inorganic structure types. Acta Cryst. A46, 1–11. doi:10.1107/S0108767389008834.

Weblinks

Commons: Strukturbericht – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

Hartmut Bärnighausen: Group-Subgroup Relations between Space Groups: A Useful Tool in Crystal Chemistry, "MATCH", Communication in Mathematical Chemistry 1980, 9, 139–175.
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.
Die ehemalige Bezeichnung dieser Raumgruppe lautete Ccma.
Michael Szönyi (Hrsg.): Studienlexikon Geowissenschaften. vdf Hochschulverlag, Zürich 2006, ISBN 978-3-8252-2812-5, S. 82 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
Stichwort Isotypie, Spektrum Lexikon Chemie
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.

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[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.

[RG_ehem_''Ccma''-3] Die ehemalige Bezeichnung dieser Raumgruppe lautete Ccma.

[4] Michael Szönyi (Hrsg.): Studienlexikon Geowissenschaften. vdf Hochschulverlag, Zürich 2006, ISBN 978-3-8252-2812-5, S. 82 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

[5] Stichwort Isotypie, Spektrum Lexikon Chemie

[6] 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.