Festkörper: Kristallgitter, Solvate und Modifikationen
Wie Teilchen in Festkörpern geordnet sind, wie Lösungsmittel in Kristalle gelangt und warum ein Element oder eine Verbindung in mehreren Festkörperformen vorkommen kann.
Das Wichtigste in Kürze
- Im kristallinen Zustand bilden die Teilchen ein Kristallgitter mit Fernordnung, im amorphen Zustand wie bei Glas besteht nur Nahordnung.
- Die Ionen im Kristallgitter schwingen um ihre Gleichgewichtslage, stärker mit steigender Temperatur.
- Ein Tetraeder hat vier Ecken und vier Dreiecksflächen, ein Oktaeder ist eine Doppelpyramide über einem Quadrat mit sechs Ecken.
- Bei der Kristallisation kann Lösungsmittel ins Gitter eingebaut werden, bei Wasser entsteht ein Kristallhydrat wie \(\ce{CuSO4*5H2O}\).
- Allotropie ist das Auftreten eines Elements in mehreren Modifikationen: \(\ce{O2}\) und \(\ce{O3}\), Diamant und Graphit. Bei Verbindungen heißt das Polymorphie.
Worum es geht
Festkörper unterscheiden sich darin, wie regelmäßig ihre Teilchen angeordnet sind. Diese Ordnung bestimmt Schmelzverhalten, Härte und Löslichkeit. In der Pharmazie entscheidet sie mit darüber, wie schnell sich ein Arzneistoff aus einer Tablette löst.
Kristallin und amorph
Im kristallinen Zustand sind die Teilchen streng regelmäßig angeordnet. Das Muster wiederholt sich über viele Teilchenabstände hinweg. Man spricht von Fernordnung. Diese räumlich periodische Anordnung heißt Kristallgitter, die Teilchen darin sind die Gitterbausteine: Atome, Ionen oder Moleküle.
Im amorphen Zustand fehlt die Fernordnung. Jedes Teilchen hat zwar ähnliche direkte Nachbarn, doch schon wenige Abstände weiter ist kein Muster mehr erkennbar. Das nennt man Nahordnung. Glas ist das bekannteste Beispiel. Amorphe Stoffe erweichen über einen Temperaturbereich, Kristalle schmelzen dagegen scharf.
Teilchen im Kristallgitter
Die Gitterbausteine sitzen nicht starr fest. In einem Ionengitter wie dem des Natriumchlorids schwingen die Ionen um ihre Gleichgewichtslage. Mit steigender Temperatur werden die Schwingungen heftiger. Am Schmelzpunkt bricht die Fernordnung zusammen. Die Grundlagen zum Ionengitter stehen bei der Ionenbindung.
Um jedes Teilchen ordnen sich seine nächsten Nachbarn räumlich an. Verbindet man ihre Mittelpunkte, entsteht ein Koordinationspolyeder (mehr dazu bei den Gittertypen). Zwei Formen musst du sicher erkennen. Das Tetraeder ist eine Pyramide mit dreieckiger Grundfläche: vier Ecken und vier dreieckige Flächen. Das Oktaeder ist eine Doppelpyramide aus zwei Pyramiden, die an ihrer quadratischen Grundfläche zusammengesetzt sind.
Am sichersten erkennt man ein Polyeder, indem man die Ecken zählt.
| Polyeder | Ecken | Flächen |
|---|---|---|
| Tetraeder | 4 | 4 Dreiecke |
| quadratische Pyramide | 5 | 4 Dreiecke, 1 Quadrat |
| trigonale Bipyramide | 5 | 6 Dreiecke |
| Oktaeder | 6 | 8 Dreiecke |
| Würfel | 8 | 6 Quadrate |
Auch die trigonale Bipyramide ist eine Doppelpyramide, hat aber nur fünf Ecken. Nur die Doppelpyramide über einem Quadrat mit sechs Ecken ist ein Oktaeder.
Dieselben Formen beschreiben auch den räumlichen Bau von Komplexen.
Kristallhydrate und Solvate
Kristallisiert ein Stoff aus einer Lösung, können Lösungsmittelmoleküle in das Kristallgitter eingebaut werden. Sie werden dann zu festen Gitterbausteinen. Solche Kristalle heißen Solvate. Ist das Lösungsmittel Wasser, spricht man von Kristallwasser und von einem Kristallhydrat.
Ein Beispiel ist blaues Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat, \(\ce{CuSO4*5H2O}\). Beim Erhitzen gibt es sein Kristallwasser ab und wird zum weißen, wasserfreien Salz. Weitere Beispiele stehen bei Kristallwasser und Mischkristallen. In der Pharmazie zählt der Unterschied: Hydrat und wasserfreie Form eines Arzneistoffs haben verschiedene Molmassen und lösen sich oft unterschiedlich schnell.
Allotropie und Polymorphie
Manche Elemente kommen in mehreren Formen vor, die sich in Struktur und Eigenschaften unterscheiden. Jede Form heißt Modifikation, das Phänomen Allotropie.
Die Modifikationen können aus Molekülen unterschiedlicher Atomzahl bestehen. Beim Sauerstoff sind das Disauerstoff \(\ce{O2}\) und Ozon \(\ce{O3}\) (Details bei Disauerstoff und Ozon). Sie können sich aber auch nur im Gitter unterscheiden. Elementarer Kohlenstoff tritt kristallin als Diamant und als Graphit auf. Im Diamant ist jedes C-Atom tetraedrisch von vier Nachbarn umgeben. Graphit besteht aus übereinanderliegenden Schichten aus Sechsecken. Daher ist Diamant extrem hart, Graphit dagegen weich und elektrisch leitend (Diamant und Graphit).
Auch Verbindungen können in mehreren Kristallformen vorkommen. Das heißt Polymorphie. Calciumcarbonat kristallisiert etwa als Calcit oder als Aragonit. Bei Arzneistoffen können Polymorphe verschieden gut löslich sein.
Allotropie gilt für Elemente, Polymorphie für Verbindungen. Ein Solvat ist dagegen keine neue Modifikation, denn es enthält zusätzlich Lösungsmittel im Gitter.
Quiz
Aussage 1
Calcit und Aragonit sind allotrope Modifikationen, weil beide aus Calciumcarbonat bestehen.
Allotropie betrifft nur Elemente. Calcit und Aragonit sind Polymorphe der Verbindung \(\ce{CaCO3}\).
Aussage 2
Eine Doppelpyramide aus zwei an ihrer dreieckigen Grundfläche zusammengesetzten Pyramiden ist ein Oktaeder.
Das ist die trigonale Bipyramide mit fünf Ecken. Ein Oktaeder entsteht aus zwei Pyramiden über einer quadratischen Grundfläche und hat sechs Ecken.
Aussage 3
Bei der Kristallisation aus einer Lösung können Lösungsmittelmoleküle zu Bausteinen des Kristallgitters werden.
So entstehen Solvate, bei Wasser Kristallhydrate wie \(\ce{CuSO4*5H2O}\).
Aussage 4
Die Ionen in einem Ionenkristall schwingen um ihre Gleichgewichtslage.
Gitterbausteine sind nicht starr fixiert. Ihre Schwingungen nehmen mit der Temperatur zu.
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