Kristallstruktur

Quarz

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Das SiO4-Tetraeder

SiO2-Gerüst

Die SiO4-Tetraeder sind untereinander über die Tetraederecken verknüpft, jeder Tetraeder mit vier benachbarten Tetraedern. In Richtung der c-Achse sind sie zu Paaren von spiralförmigen Ketten verknüpft. Diese SiO4-Tetraederhelixpaare, die untereinander nicht verbunden sind, bilden sechsseitige, offene Kanäle in Richtung der c-Achse.

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Die Kristallstruktur des Quartzes ist ein kontinuierliches Netzwerk von SiO4-Si-O-Tetraedern, wobei jedes O-Atom zwischen zwei Tetraedern geteilt wird, was eine chemische Formel SiO2 ergibt.

Warum SiO2 und nicht SiO4 ?

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Siliziumdioxid bildet ein Kristallgitter mit 4 O-Atomen um ein zentrales Si-Atom, sodass die molekulare Formel eigentlich SiO4 lauten müsste. Dies ist jedoch nicht kompatibel mit der Geometrie der Verbindung. Diese Annahme ist ein Missverständnis, inwieweit eine Molekularformel und eine Strukturformel benutzt werden können. (1) Für Verbindungen, welche bestimmte Moleküle bilden, ist es oft nützlich, die Molekularformel so zu schreiben, wie sie zum Verständnis der Molekülstruktur beiträgt. Dies ist jedoch eine Annehmlichkeit und keine Verallgemeinerung, welche bei allen möglichen Verbindungen angewendet werden kann. Dies trifft insbesondere nicht für SiO2 zu, da es kein Siliziumdioxid-Molekül gibt. SiO2, wie viele andere Minerale, ist ein dreidimensionales Netzwerk von Bindungen mit keinen bestimmten molekularen Komponenten. In SiO2 ist jedes Si-Atom an 4 O-Atomen gebunden, aber jedes O-Atom teilt sich mit 2 Si-Atomen. Daher die Formel SiO2. Jedes Si-Atom ist von 4 O-Atomen umgeben, andererseits ist jedes O-Atom von 2 Si-Atomen umgeben. Nimmt man an, dass die Anzahl der Si-O-Bindungen n ist, dann ist die Anzahl der Si-Atome n/4 und die Anzahl der O-Atome n/2. So gelangt man zur Formel SiO2.

Strukturformel, Molekularformel und Kovalente Netwerk-Verbindung

(1) Unterschied zwischen einer Strukturformel und einer Molekularformel.

Eine Strukturformel zeigt, wie Atome in einem Molekül verbunden und im Raum angeordnet sind. Strukturformeln zeigen die kovalenten Bindungen und – teilweise – die chemische Struktur. Die Molekularformel ist die Formel einer chemischen Verbindung, die angibt, wieviel Atome der in dieser Verbindung enthaltenen Elemente das Molekül der Verbindung zusammensetzen (welche Atome in einem Molekül in welcher Menge vorhanden sind). Beispiel: H-O-H (Strukturformel) – H2O (Molekularformel)

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(2) Kovalente Netzwerk-Verbindungen

Ein kovalenter Netzwerk-Feststoff ist eine chemische Verbindung (oder ein Element), in welcher die Atome durch kovalente Bindungen in einem kontinuierlichen Netzwerk gebunden sind, welches sich durch das gesamte Material erstreckt. In einem Netzwerk-Feststoff existieren keine individuellen Moleküle und der gesamte Kristall kann als Makromolekül betrachtet werden. Beispiele für solche Netzwerk-Feststoffe sind der Diamant mit einem kontinuierlichen Netzwerk von C-Atomen sowie Siliziumdioxid, resp. Quarz mit einem kontinuierlichen dreidimensionalen Netzwerk von SiO2-Einheiten.

Phasenumwandlung

Quarz ist nur bei niedriger Temperatur in der trigonalen α-Quarz-Phase stabil. Bei 573°C findet eine Phasenumwandlung in die hexagonale β-Quarz-Phase statt. Die höhere Symmetrie des β-Quarzes führt unter anderem zum Verlust der piezoelektrischen Eigenschaften. Den Übergang von der β-Quarz-Phase zum α-Quarz kann man sich leicht vereinfacht durch Kippen robuster Tetraeder um die {100} – Achse veranschaulichen. Die Kipprichtung entscheidet über die Orientierung des α-Quarzes.

Chiralität (Händigkeit)

Literatur

• Amouri, H., Gruselle,M., 2008; Chirality in Transition Metal Chemistry’, Wiley, Chichester, ISBN 978-0470060544.
• ChemgaPedia: Axiale Chiralität, Helicale Chiralität, Planare Chiralität
• Cintas, P., 2007; Ursprünge und Entwicklung der Begriffe Chiralität und Händigkeit in der chemischen Sprache. Angewandte Chemie 119(22), S. 4090-4099
• Heaney, P.J., 1994; Structure and chemistry of the low-pressure silica polymorphs. In: Reviews in Mineralogy, Volume 29, Silica – Physical behavior, geochemistry and materials applications. Mineralogical Society of America, Washington, D.C.
• Henderson, G.S., Baker, D.R. (Hrsg), 2002; Synchrotron, Earth. Radiation, Environmental, Sciences. Material, Short. Applications, Series. 3. Course, Association. Mineralogical, Canada. The Geochemical News, 113, 13
• Holleman, A.F., Wiberg, E., Wiberg, N., 1995; Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Auflage. de Gruyter, ISBN 3-11-012641-9
• Huggins, M.L., 11922; The Crystal Structure of Quartz; Phys. Rev. 19, 363
• Meierhenrich, U., 2008; Amino Acids and the Asymmetry of Life, Springer-Verlag, Heidelberg, Berlin 2008.
• Will, G., Bellotto, M., Parrish, W., Hart, M., 1988; Crystal structures of quartz and magnesium germanate by profile analysis of synchrotron-radiation high-resolution powder data. In: Journal of Applied Crystallography. 21, Nr. 2, 1988, S. 182-191
• Zelewsky, A. von; 1996; Stereochemistry of Coordination Compounds’, Wiley, Chichester, 1996. ISBN 978-0471955993.

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Nguồn: https://thegioiso.edu.vn
Danh mục: Hóa