3D Viewer: Kristallstrukturen von Salzen und Mineralen

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Kristallstrukturen

Ein Kristall ist regelmäßig gebaut: Dieselbe Anordnung wiederholt sich in allen drei Raumrichtungen. Die gezeigten Strukturen stammen aus der Röntgenstrukturanalyse.

Die Elementarzelle

Die Elementarzelle ist der kleinste Ausschnitt, aus dem sich der Kristall durch Aneinanderreihen aufbauen lässt — ein Ausschnitt, kein Baustein. Teilchen auf Ecken, Kanten und Flächen gehören mehreren Zellen gleichzeitig an.

Deshalb zeigt die Darstellung mehr Kugeln, als die Zelle enthält. In der Ansicht „Elementarzelle“ sind beim Halit 27 Kugeln zu sehen, der Zellinhalt beträgt aber Na₄Cl₄: Eine Ecke zählt zu einem Achtel, eine Kante zu einem Viertel, eine Fläche zur Hälfte.

Ionengitter und Atomgitter

Im Ionengitter sitzen geladene Teilchen. Im Halit wechseln sich Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen ab; zwischen ihnen wirkt die Anziehung entgegengesetzter Ladungen nach allen Seiten. Moleküle gibt es nicht — deshalb sind hier keine Bindungsstriche gezeichnet. Die Formel NaCl gibt nur das Zahlenverhältnis an und heißt Verhältnisformel.

Im Atomgitter des Quarzes ist jedes Silicium-Atom über Elektronenpaarbindungen an vier Sauerstoff-Atome gebunden, jedes Sauerstoff-Atom an zwei Silicium-Atome: ein durchgehendes Netz ohne Ionen. Diese Bindungen sind als Striche dargestellt.

Daraus folgen die Eigenschaften. Halit löst sich in Wasser und leitet in der Schmelze den Strom, weil sich die Ionen trennen lassen. Quarz tut beides nicht; dafür müssten Elektronenpaarbindungen brechen.

Zinkblende liegt dazwischen. Sie wird meist als Ionengitter beschrieben, hat aber einen erheblichen Anteil an Elektronenpaarbindung. Die Einteilung ist ein Übergang, keine Grenze.

Die Koordinationszahl

Sie gibt an, von wie vielen nächsten Nachbarn der Gegensorte ein Teilchen umgeben ist. Antippen zeigt sie an.

Maßgeblich sind die Größenverhältnisse. Im Halit ist das Natrium-Ion klein gegenüber dem Chlorid-Ion — sechs Nachbarn passen darum, also 6:6. Das Cäsium-Ion ist größer, um es finden acht Platz, also 8:8. Der Schalter „Teilchen in wahren Größenverhältnissen“ macht das sichtbar.

Bei ungleicher Anzahl fallen die Werte verschieden aus: Im Fluorit umgeben acht Fluorid-Ionen jedes Calcium-Ion, aber nur vier Calcium-Ionen jedes Fluorid-Ion — passend zum Verhältnis 1:2 in CaF₂.

Mehratomige Ionen: Calcit und Forsterit

Calcit besteht aus Calcium-Ionen und Carbonat-Ionen. Das Carbonat-Ion CO₃²⁻ wird selbst durch Elektronenpaarbindungen zusammengehalten; innerhalb des Ions sind deshalb Striche gezeichnet, zwischen den Ionen nicht.

Forsterit gehört zu den Silicaten, der häufigsten Mineralklasse der Erdkruste. Er besteht aus Magnesium-Ionen und Silicat-Ionen SiO₄⁴⁻ — vier Sauerstoff-Atome um ein Silicium-Atom, als Tetraeder. Diese Tetraeder liegen einzeln im Gitter.

Quarz enthält dieselben Bausteine, verknüpft sie aber anders. Der Unterschied lässt sich nachzählen: Tippt man ein Sauerstoff-Atom an, zeigt der Quarz zwei Silicium-Nachbarn, der Forsterit einen. Im Quarz teilen benachbarte Tetraeder also ihre Ecken und bilden ein Netz; im Forsterit gehört jedes Sauerstoff-Atom zu einem Tetraeder, und die Tetraeder tragen vier negative Ladungen, die Magnesium-Ionen ausgleichen. Gleiche Bausteine, verschiedener Zusammenhalt — Quarz ist kein Salz, Forsterit schon.

Mineral und Salz sind zweierlei

Mineral sagt etwas über die Herkunft: natürlich vorkommend, kristallin, von bestimmter Zusammensetzung. Salz sagt etwas über den Bau: aus Ionen aufgebaut.

Halit, Fluorit, Calcit und Forsterit sind beides. Cäsiumchlorid ist ein Salz, kommt aber als Mineral praktisch nicht vor. Quarz ist ein Mineral, aber kein Salz.

Wo verläuft die Grenze?

Ein Mineral muss durch geologische Vorgänge entstanden sein — so legt es die International Mineralogical Association fest. Die Grenze verläuft nicht durch die Chemie, sondern durch die Entstehung: Ob ein Stoff ein Salz ist, entscheidet sein Bau; ob er ein Mineral ist, die Erdgeschichte.

Bei Cäsiumchlorid kommen drei Gründe zusammen. Cäsium ist selten — etwa drei Millionstel der Erdkruste, Natrium dagegen gut zwei Prozent. Cäsium sammelt sich in Silicaten; die wichtigste natürliche Quelle ist Pollucit, ein Alumosilicat. Und Cäsiumchlorid ist sehr gut löslich, würde also wieder fortgeführt. In der Natur findet man es nur in Spuren in anderen Salzmineralen.

Dass es an der Häufigkeit liegt und nicht am Bau, zeigt Kaliumchlorid: ebenfalls ein Salz aus Alkalimetall-Ion und Chlorid-Ion — und als Sylvin ein anerkanntes Mineral.

Was die Darstellung nicht zeigt

Die Kugeln sind ein Modell. Teilchen haben keine scharfe Oberfläche; die Radien sind aus gemessenen Abständen abgeleitete Rechengrößen. In der Voreinstellung sind sie verkleinert, damit die Anordnung erkennbar bleibt.

Reale Kristalle enthalten Fehlstellen und Verunreinigungen. Die Messdaten geben eine gemittelte, ideale Struktur wieder.

Calcit wird in der rhomboedrischen Aufstellung gezeigt. Dieselbe Struktur lässt sich auch in einer größeren, hexagonalen Zelle beschreiben — andere Zahlen, derselbe Kristall.