Kristallchemische Strukturformel

Grundidee und Zweck

Die kristallchemische Strukturformel ist eine besondere Schreibweise chemischer Formeln in der Mineralogie. Sie gibt nicht nur das stöchiometrische Verhältnis der Bestandteile an, sondern stellt zusätzlich dar, wie die chemischen Bestandteile in der Bindungsstruktur eines Minerals angeordnet sind. Dadurch lässt sich die Kristallstruktur genauer beschreiben als mit einer reinen Summenformel.

Entwickelt wurde diese Schreibweise vom deutschen Mineralogen Karl Hugo Strunz. Sie wird besonders bei Mineralen verwendet, die komplexe Mischkristalle bilden. Auf einer Gitterposition können dabei verschiedene Ionen, Atome, Moleküle oder Leerstellen vorkommen.

Allgemeiner Aufbau

Die allgemeine Schreibweise lautet:

• A_{u}B_{v}C_{w}[(O,OH,F){x}|(RO{3}){y}]·nH{2}O für Carbonate, Nitrate und zum Teil auch Borate
• A_{u}B_{v}C_{w}[(O,OH,F){x}|(RO{4}){y}]·nH{2}O für Sulfate, Phosphate und Silikate

Vor der eckigen Klammer stehen die Kationen A, B und C. Sie sind nach abnehmendem Ionenradius geordnet. Innerhalb der eckigen Klammer steht der gesamte Anionenverband. Zuerst werden die komplexfremden Anionen O, OH und F angegeben. Der senkrechte Strich trennt sie vom komplexen Anion RO_{3} beziehungsweise RO_{4}.

Die Anordnung macht sichtbar, welche Anionen nur mit den Kationen verbunden sind und welche zusätzlich zu einem komplexen Anion gehören. Das angehängte ·nH_{2}O kennzeichnet gegebenenfalls Kristallwasser.

Typische Beispiele

Beim Carbonat Dundasit PbAl_{2}[(OH){2}|CO{3}]{2}·H{2}O ist das komplexfremde Anion OH⁻ allein an Blei und Aluminium gebunden. Das O²⁻ im Carbonatkomplex [CO_{3}]²⁻ ist dagegen sowohl mit diesen Kationen als auch mit dem zentralen Kohlenstoff verbunden. Deshalb stehen die komplexfremden Anionen innerhalb der eckigen Klammer an erster Stelle und näher bei den Kationen.

Beim Phosphat Fluorapatit Ca_{5}[F|(PO_{4})_{3}] ist das komplexfremde Fluor nur mit Calcium verbunden. Der Sauerstoff des Phosphatkomplexes ist hingegen mit den Kationen und dem Phosphor verbunden.

Das Silikatmineral Titanit besitzt die Formel CaTi[O|SiO_{4}]. Das vom SiO_{4}-Tetraeder getrennte O²⁻ ist allein an Ca²⁺ und Ti⁴⁺ gebunden. Das O²⁻ der SiO_{4}-Tetraeder ist sowohl an diese Kationen als auch an Silicium gebunden.

Ergänzende Strukturangaben

Wenn es für das Verständnis der Struktur oder zur Unterscheidung mehrwertiger Elemente nötig ist, kann die Wertigkeit der Kationen oder ihre Koordinationszahl angegeben werden. Beispiele sind Magnetit Fe²⁺(Fe³⁺)₂O₄ und Åkermanit Ca₂Mg^[4][Si₂O₇].

Nicht vollständig besetzte Strukturplätze werden durch ein kleines Quadrat ◻ gekennzeichnet. Beim Glaukophan lautet die Formel beispielsweise ◻Na₂(Mg,Fe)₃Al₂[(OH)₂|Si₈O₂₂]. Das Quadrat steht für eine Leerstelle im Kristallgitter.

Empirische und vereinfachte Mineralformeln

Minerale können je nach Fragestellung unterschiedlich genau beschrieben werden. Die empirische Mineralformel charakterisiert meist ein bestimmtes Mineral von einem bestimmten Fundort. Sie gibt die vollständige gemessene Zusammensetzung an und ordnet alle Elemente den Gitterpositionen zu. Dafür müssen teilweise Annahmen über die Ladung von Übergangsmetallionen und über die bevorzugten Positionen einzelner Spezies getroffen werden. Wenn möglich, beruht die Zuordnung auf Kristallstrukturanalysen; ähnliche Positionen können zusammengefasst werden.

Beispiele sind Thermaerogenit (Spinellgruppe): (Cu²⁺₀,₆₁₉Zn₀,₄₂₂)(Al₁,₅₂₃Fe³⁺₀,₄₄₃Cr³⁺₀,₀₀₇)O₄, und Bosiit (Turmalingruppe): ^{[X]}(Na₀,₇₃Ca₀,₂₃◻₀,₀₄)^{[Y]}(Fe³⁺₁,₄₇Al₀,₁₃Mg²⁺₀,₈₀Fe²⁺₀,₅₉Ti⁴⁺₀,₀₇)^{[Z]}(Al₃,₂₃Fe³⁺₁,₈₈Mg²⁺₀,₈₉) ^{[T]}(Si₅,₉₂Al₀,₀₈)O₁₈₃ ^{[V]}(OH)₃^{[W]}[O₀,₈₅(OH)₀,₁₅].

Eine vereinfachte Mineralformel wird verwendet, wenn die vollständige Zusammensetzung nicht nötig oder nicht möglich ist. Sie nennt nur die Hauptbestandteile jeder Gitterposition. Die Spezies werden nach absteigender Konzentration geordnet, während ihre absoluten Konzentrationswerte meist entfallen. Für Thermaerogenit lautet sie (Cu, Zn)(Al, Fe³⁺)₂O₄, für Bosiit ^{[X]}(Na, Ca)^{[Y]}(Fe³⁺, Mg, Fe²⁺, Al)₃^{[Z]}(Al, Fe³⁺, Mg)₆ ^{[T]}Si₆O₁₈₃ ^{[V]}(OH)₃^{[W]}[O, (OH)].

Endgliedzusammensetzungen

Mischkristallzusammensetzungen können als Summe der Zusammensetzungen der Enden einer Mischungsreihe beschrieben werden. Eine Endgliedzusammensetzung stellt die Zusammensetzung eines reinen Minerals dar und dient zusammen mit der Struktur zur Definition eines Minerals. Sie bezieht sich immer auf eine bestimmte Kristallstruktur und kann nicht in einfachere Strukturformeln zerlegt werden.

Für Endgliedzusammensetzungen gelten vier Bedingungen:

• Elektroneutralität: Die Summe aller positiven und negativen Ladungen ist Null.
• Strukturbezug: Die Formel gibt die Zusammensetzung jeder Strukturposition an, einschließlich Kationen, Anionen, Leerstellen sowie neutraler Teilchen oder Moleküle.
• Invarianz: Für jede Gitterposition müssen feste Zusammensetzungen angegeben werden. Höchstens eine Position darf mit maximal zwei Spezies unterschiedlicher Ladung gemischt besetzt sein. Für beide Spezies müssen feste Mengen angegeben werden, deren Summe der Multiplizität der Position entspricht.
• Geordnete Strukturen: Ordnungs-Unordnungsphänomene werden bei der Angabe ignoriert. Angegeben wird nur eine Endgliedzusammensetzung für die maximal geordnete Verteilung der Spezies.

Beispiele sind für Thermaerogenit (Spinell) CuAl₂O₄ und für Bosiit (Turmalin) ^{[X]}Na^{[Y]}Fe³⁺₃^{[Z]}(Al₄Mg₂)(^{[T]}Si₆O₁₈)(BO₃)₃^{[V]}(OH)₃^{[W]}O.