7.4.3. Der Fluorit–Strukturtyp
Der Fluorit–Strukturtyp ist ein übersichtlicher, recht einfach aufgebauter Strukturtyp, und er ist sehr häufig. Er ist benannt nach einem der wichtigsten Vertreter, dem Mineral Fluorit mit der chemischen Zusammensetzung Calciumfluorid (CaF2).
Bild 1 : Fluorit–Strukturtyp
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Ansehen : Starten Sie die JSmol–Visualisierung durch Anklicken des Links in der Legende von Bild 1. Die violetten Kugeln stehen für Calciumionen, die hellblauen für Fluorionen.
Beschreibung
Bild 2 : Gitter der Calciumionen, allein betrachtet
Bild 3 : Gitter der Fluorionen, allein betrachtet
Die Calciumionen bilden eine kubisch dichteste Kugelpackung (=kubisch flächenzentrierte Packung), und die Fluorionen besetzen die Tetraederlücken. Bild 2 zeigt die Packung der Calciumionen.
Die Fluorionen, für sich gesehen, bilden also eine kubisch primitive Packung. Das ist eine Packung, bei der an jeder Ecke eines Würfels eine Kugel (ein Fluorion) sitzt, jedoch keine Kugeln auf den Kanten oder Flächen des Würfels. Die Kantenlänge dieses Würfels beträgt die Hälfte der Kante der Elementarzelle, sein Volumen ein Achtel des Volumens der Elementarzelle (Bild 3).
Da der Fluorittyp auf einer kubischen Packung basiert, ist die Elementarzelle würfelförmig. Sie enthält 4 Calciumionen und 8 Fluorionen. Bild 2 und 3 zeigen jeweils 2 Elementarzellen.
- mehr über die Tetraederlücken : Beschreibung mit Bildern oder lieber mit etwas Mathematik und Bildern
Koordination
Bild 4 : Je ein Calciumion und ein Fluorion sind mit einer Umgebung ausgestattet. Die tetraedrische Umgebung des Fluorions (links) und die würfelförmige Umgebung des Calciumions (mitte) sind hervorgehoben.
Die Calciumionen sind von 8 Fluorionen würfelförmig umgeben. Sie sitzen also in der Mitte eines Würfels aus 8 Fluorionen. Bild 4 zeigt im rechten Teil ein Calciumion, das von 8 (hellblau gezeichneten) Fluorionen würfelförmig umgeben ist.
Die Fluorionen sind von 4 Calciumionen tetraedrisch umgeben. Sie sitzen also im Schwerpunkt eines Tetraeders aus 4 Calciumionen. Bild 4 zeigt im linken Teil ein Fluorion, das von 4 (violett gezeichneten) Calciumionen umgeben ist.
Die Calciumionen haben demnach die Koordinationszahl 8, die Fluorionen 4.
Wie sieht die weitere Nachbarschaft aus ? Jedes Calciumion ist, wenn man über die Fluorionen hinaussieht, von 12 Calciumionen umgeben, und jedes Fluorion von 6 weiteren Fluorionen.
Vorkommen
Der Fluorit–Strukturtyp ist der geometrische günstigste, wenn für das Verhältnis der Ionenradien gilt : rKation/rAnion > 0,732. Für die Beispiele ist diese Bedingung erfüllt.
| Stoff | Radius des Kations in Picometern (pm) |
Radius des Anions in Picometern (pm) |
Quotient der Radien |
|---|---|---|---|
| CaF2 | 112 | 131 | 0,855 |
| SrCl2 | 126 | 167 | 0,754 |
| CeH2 | 114 | 128 | 0,891 |
| Li2O | 138 (O2––Ion) | 92 (Li+–Ion) | 1,500 |
| α–KLaF4 | 151 (K+–Ion) 116 (La3+–Ion) |
131 | 1,153 bzw. 0,885 |
Beispiele
Es gibt unzählige Stoffe, die im Fluorittyp kristallisieren. 5 Beispiele will ich vorstellen.
Bild 5 : Calciumfluorid (Fluorit)
Calciumfluorid (Fluorit) und andere Beispiele interaktiv untersuchen
Calciumfluorid (CaF2)
Fluorit ist ein Mineral, das als Hauptbestandteil Calciumfluorid enthält. Calciumfluorid ist die Hauptquelle für Fluor und Fluorverbindungen. Da die ergiebigen Vorkommen des Fluorits alle außerhalb Europas liegen, hat die EU ein Projekt zum Recycling von Calciumfluorid entwickelt. Calciumfluorid ist durchlässig für UV– und IR–Strahlung. Daher benutzt man es für Linsen und Prismen bei der Untersuchung solcher Strahlung.
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mehr über Fluorit -
mehr über Calciumfluorid
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mehr über ein EU–Projekt zum Recycling von
Calciumfluorid (01–2014)
Fluorit bildet schöne Kristalle. Völlig reiner Fluorit ist weiß. Die rote Farbe des ersten Kristalls in Bild 6 rührt von Y3+–Ionen her, die grüne des zweiten von Sm2+–Ionen, die als geringe Verunreinigung enthalten sind.
physikalische Eigenschaften
- Schmelzpunkt : 1392 °C
- Dichte bei 20 °C : 3,18 g/cm3
- Löslichkeit bei 26 °C : 0,017 g/l
- CAS-Nr. : 7789–75–5
Bild 6 : Der rote oktaederförmige Fluoritkristall ist vom Gletscher des Montblanc –
Bildbreite 2,2 cm.
Der schwach hellgrüne Fluoritkristall mit den würfelförmigen Einheiten stammt aus China –
Bildbreite 7 cm.
Strontiumchlorid (SrCl2)
Die Halogenide von relativ großen, zweiwertigen Metallionen kristallisieren, von wenigen Ausnahmen abgesehen, im Fluorittyp. Calciumfluorid und Strontiumchlorid sind 2 prominente Beispiele. In Bild 7 stehen die blauen Kugeln für Strontiumionen (Sr2+) und die grünen Kugeln für Chloridionen (Cl–).
Die wichtigste Anwendung von Strontiumchlorid ist die Pyrotechnik. Es färbt Feuerwerk rot. Auf Bild 8 können Sie die Freisetzung verschiedener Strontiumverbindungen im nördlichen Brieselang zu Jahresbeginn bewundern.
physikalische Eigenschaften
- Schmelzpunkt : 872 °C
- Dichte bei 20 °C : 3,05 g/cm3
- Löslichkeit bei 0 °C : 1062 g/l
- CAS-Nr. : 10476–85–4
Bild 9 : Cer–II–hydrid
Cer–II–hydrid interaktiv untersuchen
Cer–II–hydrid (CeH2)
Über Cer–II–hydrid ist sehr wenig bekannt. Man könnte es als Wasserstoffspeicher benutzen, denn in einem Kubikzentimeter enthält es 0,076 g Wasserstoff. Das ist mehr als in flüssigem Wasserstoff (er hat eine Dichte von 0,07 g/cm3). Es ist aber zu schwierig, den Wasserstoff in diesen „Speicher” zu füllen und ihn daraus wieder zu entnehmen. Andere Stoffe eignen sich da besser.
In Bild 9 stehen die mattblauen Kugeln für Cerionen (Ce2+) und die weißen Kugeln für Hydridionen (negativ geladene Wasserstoffionen, H–).
Bild 10 : Lithiumoxid
Lithiumoxid interaktiv untersuchen
Einer muss alles auf den Kopf stellen –
Der Antifluorit–Strukturtyp und Lithiumoxid (Li2O)
Oft wird der Antifluorit–Strukturtyp als eigener Typ angesehen, aber eigentlich ist er das gar nicht. Der einzige Unterschied zum Fluorittyp ist, dass die Plätze der Kationen und der Anionen vertauscht sind. In Bild 10 stehen die roten Kugeln für Sauerstoffionen. Sie sind dort, wo vorher Calcium–, Strontium– oder Cerionen waren. Die blauen Kugeln stehen für die Lithiumionen.
Der Antifluorittyp tritt oft bei den Oxiden und Sulfiden der Alkalimetalle auf. Dort liegen große Anionen vor, und pro Anion 2 kleine Kationen, die die Tetraederlücken besetzen können.
physikalische Eigenschaften
- Schmelzpunkt : 1570 °C, jedoch findet man auch andere Angaben
- Dichte bei 20 °C : 2,01 g/cm3
- CAS-Nr. : 12057–24–8
Bild 11 : α–Kalium–Lanthan–fluorid
α–Kalium–Lanthan–fluorid interaktiv untersuchen
Einer spielt Lotto –
alpha–Kalium–Lanthan–fluorid (α–KLaF4)
Wer denkt, die eine Art von Gitterplätzen wird immer von einer Ionensorte besetzt, die andere Art von der anderen Ionensorte, der hat die Vielfalt der Natur unterschätzt. Im alpha–Kalium–Lanthan–fluorid kommt auf 4 Fluorionen je ein Kaliumion und ein Lanthanion, und diese beiden besetzen die Plätze der dichtesten Kugelpackung zufällig.
In Bild 11 stehen die türkisfarbenen Kugeln für Fluorionen, die die Tetraederlücken besetzen. Auf den Kationenplätzen sind Kaliumionen (violett, recht groß) und Lanthanionen (mattblau, die kleinsten der drei) zufällig (statistisch) verteilt. Sehen Sie sich die JSmol–Visualisierung an, und Sie erhalten jedesmal eine andere Verteilung der beiden Arten von Metallionen.
physikalische Eigenschaften
- Schmelzpunkt : 770 °C
- Dichte bei 20 °C : 4,06 g/cm3
- Mehr über ähnliche Strukturen, bei denen Ionen zufällig auf bestimmte Plätze verteilt sind, erfahren Sie in Kapitel xx über Überstrukturen.
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