Die atomareStrukturkristalliner Festkörper wird durch die beiden BegriffeGitter undBasis beschrieben: das Punktgitter ist eintranslationssymmetrisches mathematisches Konstrukt, in dem jedem Punkt die Basis zugeordnet wird. Die Basis kann aus einem oder mehrerenAtomen, aber auch ausMolekülen bestehen.[1]
DasKristallgitter, auchPunktgitter genannt, ist eine regelmäßige dreidimensionale Anordnung von (mathematischen) Punkten. Untereinheit des Gitters ist dieElementarzelle; sie enthält alle Informationen, die zum Beschreiben des Kristalls notwendig sind. Das Gitter entsteht durch lückenlosestranslationssymmetrisches Aneinanderfügen der gleichen Elementarzelle in allen drei Dimensionen des Raums. Die 14 Bravais-Gitter beschreiben alle Möglichkeiten hierfür.
Das Kristallgitter ist nur aus Punkten aufgebaut und daher immerzentrosymmetrisch.
Die Gitterkonstante beschreibt den Abstand zwischen den mathematischen Punktenauf dem Gitter (davon gibt es genau einen pro Elementarzelle) undnicht den Abstand zwischen einzelnen Atomen oder Teilen der Basis (davon kann es mehrere pro Elementarzelle geben). In nebenstehender Abbildung eines NaCl-Gitters beschreibt die Gitterkonstante also z. B. den Abstand zwischen zwei grün dargestellten Natriumionen bzw. zwischen zwei rot dargestellten Chloridionen, jeweils entlang einer schwarz dargestellten Gitterachse, undnicht den Abstand zwischen einem Natriumion und einem Chloridion.
Die Gitterkonstante kann in den verschiedenen Dimensionen aus unterschiedlichen Längen und Richtungen / Winkeln bestehen (siehe auchGitterparameter). Diese werden durch die Grund- / Basis- /Gittervektoren beschrieben (in2D: zwei Stück,3D: drei Stück).
DieBasis einer Kristallstruktur besteht ausAtomen,Ionen oderMolekülen. Sie stellt die kleinste Gruppe dieser Elemente dar, die sichperiodisch im dreidimensionalen Raumdeckungsgleich wiederholt. Die Basis besteht mindestens aus einem Atom, kann aber auch einige tausend Atome umfassen (Proteinkristalle). BeiNatriumchlorid besteht die Basis z. B. aus einem Na+- und einem Cl−-Ion. Jedem Bezugspunkt auf dem Gitter wird die Basis zugewiesen.
Das von den Grundvektoren aufgespannteParallelepiped heißt Einheits- oderElementarzelle. Diese hat an ihren Ecken demnach je einen Gitterpunkt. Sie muss nicht zwischen direkt benachbarten Punkten gezogen, sondern kann beliebig groß gewählt werden. Der Abstand eines Elementes der Einheitszelle von seinem entsprechenden Nachbarn in der nächsten Einheitszelle beträgt genau einen Grundvektor.
Die zweidimensionale Entsprechung der Elementarzelle ist dieElementarmasche.
In der Literatur wird oft vomStrukturtyp oder von der Gitterstruktur gesprochen. Man spricht dann vomNatriumchloridgitter,Caesiumchloridgitter usw. Weil aber das Kristallgitter nur Punkte enthält und keine Ionen, ist diese Ausdrucksweise irreführend. Präziser heißt esNatriumchlorid-,Caesiumchlorid-,Diamant- oder auchZinkblende-Struktur. Diese Strukturen werden für die Typisierung einer Reihe anderer Verbindungen genutzt, die in Bezug auf die Kristallstruktur mit den Beispielen übereinstimmen. Man kann also auch die BegriffeNatriumchloridstrukturtyp,Cäsiumchloridstrukturtyp usw. verwenden.
Chemisch identischeFeststoffe können gleichwohl in verschiedenen Kristallmodifikationen auftreten, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden, z. B. unterschiedlicheSchmelzpunkte besitzen. Das nennt man Polymorphie.
Zur Untersuchung der Polymorphie, die in derPharmazie zur Charakterisierung einigerArzneistoffe eine besondere Bedeutung besitzt, wird häufig dieDifferential-Thermoanalyse (DTA) eingesetzt. Sie erlaubt, dieses komplexe Phänomen zu erkennen und zu interpretieren, insbesondere wenn dieAnalysenprobe eine Mischung mehrerer Kristallmodifikationen ist.[2]
Die Strukturen für metallische Elemente beiStandardbedingungen sind farbcodiert dargestellt,[3] mit dem flüssigenQuecksilber als Ausnahme, bei der die Tieftemperaturform angegeben ist.
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