„Kubisches Kristallsystem“ – Versionsunterschied

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→‎Darstellung durch primitive Gitter: gemaess Formel fuer die reziproken Gittervektoren nicht korrekt: bi = 2\pi (aj x ak)/V d.h. Vorfaktor der bcc-reziproken Gittervekt. sollte pi/a sein
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[[Datei:Pyrite_from_Ampliación_a_Victoria_MinePyrite from Ampliación a Victoria Mine,_Navajún Navajún,_La_Rioja La Rioja,_Spain_2 Spain 2.jpg|miniatur|Würfelförmiger [[Pyrit]], Navajún, La Rioja, Spanien]]
[[Datei:Sphalerite-221270.jpg|miniatur|[[Sphalerit]]stufe (Größe: 2,3 × 2,3 × 1,2 cm) aus der Idarado Mine, Colorado, USA]]
Das '''kubische Kristallsystem''' gehört zu den sieben [[Kristallsystem]]en in der [[Kristallographie]].
Das '''kubische Kristallsystem''' gehört zu den sieben [[Kristallsystem]]en in der [[Kristallographie]]. Es umfasst alle [[Punktgruppe]]n, die in vier unterschiedlichen Richtungen jeweils eine [[Radiärsymmetrie|dreizählige]] Dreh- oder Drehinversionsachse besitzen. Diese vier dreizähligen Achsen verlaufen in kubischen Kristallen entlang der vier Raumdiagonalen der [[Elementarzelle]]n, deren Gestalt einem [[Würfel (Geometrie)|Würfel]] entspricht. Oft werden auch (drei) vierzählige Drehachsen als Eigenschaft des kubischen Kristallsystems angegeben. Dies stimmt für das Achsensystem und die abstrakten kubischen Gitter, aber nicht allgemein für Kristallstrukturen, da es kubische Punktgruppen gibt, die keine vierzählige Symmetrie besitzen.
 
Es umfasst alle [[Punktgruppe]]n, die in vier unterschiedlichen Richtungen jeweils eine drei[[Symmetrie (Geometrie) #Rotationssymmetrie / Drehsymmetrie|zählige]] Dreh- oder [[Drehinversion]]s<nowiki></nowiki>achse besitzen. Diese vier dreizähligen Achsen verlaufen in kubischen Kristallen entlang der vier [[Diagonale (Geometrie) #Diagonalen in der Raumgeometrie|Raumdiagonalen]] der [[Elementarzelle]]n, deren Gestalt einem [[Würfel (Geometrie)|Würfel]] entspricht.
== Punktgruppen ==
 
Das kubische Kristallsystem umfasst die Punktgruppen <math> \ 2 3, \, m \bar 3, \, 4 3 2,\, \bar 4 3 m </math> und <math> m \bar 3 m </math>. Sie bilden die kubische [[Kristallfamilie]] und können mit dem kubischen [[Holoedrie#Holoedrien im dreidimensionalen Raum|Gittersystem]] beschrieben werden.
Oft werden auch drei vierzählige Drehachsen als Eigenschaft des kubischen Kristallsystems angegeben. Dies stimmt für das Achsensystem und die abstrakten kubischen Gitter, aber nicht allgemein für [[Kristallstruktur]]en, da es kubische Punktgruppen gibt, die ''keine'' vierzählige Symmetrie besitzen.
 
== Gittersystem ==
Das kubische Gittersystem hat die [[Holoedrie]] <math> m \bar 3 m </math>. Es gibt nur eine Möglichkeit dafür, dass in einem Gitter unterschiedliche dreizähligedrei[[Symmetrie (Geometrie) #Rotationssymmetrie / Drehsymmetrie|zählige]] Achsen existieren können: als Raumdiagonalen[[Diagonale (Geometrie) #Diagonalen in der Raumgeometrie|Raumdiagonale]]n eines Würfels. Daher hat das kubische Gitter drei [[rechter Winkel|rechte Winkel]] und auch drei gleich lange Achsen.:
* <math>a = b = c</math>
Es ergeben sich also folgende Bedingungen:
* <math>a\ = b\ = c\ </math>
* <math>\alpha\ = \beta\ = \gamma\ = 90^\circ</math>
Die Aufstellung erfolgt im Allgemeinen gemäß dem in den [[International Tables for Crystallography]] vorgegebenen Standard.
Das kubische Gittersystem wird abgekürzt mit &nbsp;c (en:&nbsp;''cubic'') abgekürzt.
 
== {{Anker|Bravaisgitter}} Bravais-Gitter ==
[[FileDatei:Elementarzelle einer Kubisch primitiven Elementarzelle.png|thumbmini|[[Elementarzelle]] einer Kubisch primitiven Kristallstruktur]]
[[FileDatei:Elementarzelle einer kubisch raumzentrierten Elementarzelle.png|thumbmini|Elementarzelle einer kubisch raumzentrierten Kristallstruktur]]
[[FileDatei:Elementarzelle einer kubisch flächenzentrierten Kristallstruktur.png|thumbmini|Elementarzelle einer kubisch flächenzentrierten Kristallstruktur]]
<gallery>
Lattic_simple_cubic.svg|Kubisch primitives Gitter: ([[Pearson-Symbolik|Pearson-Symbol]]&nbsp;cP)
Lattice_body_centered_cubic.svg|Kubisch innenzentriertesraumzentriertes Gitter: (Pearson-Symbol&nbsp;cI)
Lattice_face_centered_cubic.svg|Kubisch flächenzentriertes Gitter: (Pearson-Symbol&nbsp;cF)
</gallery>
 
Im Kubischen gibt es drei [[Bravais-Gitter]], die in der Literatur auch oft mit ihrer englischen Abkürzung bezeichnet werden:
* das primitive Gitter (sc für ''simple cubic''),
* das innenzentrierteraum- oder raumzentrierteinnenzentrierte Gitter (krz bzw. bcc für ''body centered cubic'') und
* das flächenzentrierte Gitter (kfz bzw. fcc für ''face centered cubic'') Gitter.
 
=== Anmerkungen zur Verwendung des Begriffs Gitter ===
Die Kristallstruktur wird durch ein Gitter und eine Basis beschrieben. Das Gitter (auch [[Raumgitter]] oder Translationsgitter genannt) ist die Menge aller Translationsvektoren[[Parallelverschiebung|Translation]]s<nowiki></nowiki>vektoren, die einen Kristall in sich selbst überführen. Die Lage der Atome wird durch die Basis beschrieben. Kristallstrukturen, die nicht nur dasselbe Kristallgitter besitzen, sondern bei denen auch dieselben [[Punktlage|Lagen]] (allerdings mit unterschiedlichen Atomen) besetzt sind, bilden einen [[Strukturtyp]].
Außerhalb der Fachliteratur wird dieser Unterschied zwischen Gitter und Strukturtyp allerdings nicht immer beachtet.
In dem Fall, dass es in der Elementarzelle nur ein Atom gibt, das auf der Lage (0,0,0) liegt, spricht man auch von einem kubisch primitiven (bzw. raumzentrierten oder flächenzentrierten) Gitter als Strukturtyp. Enthält die Basis mehrere Atome, spricht man auch von ineinandergestellten kubischen Gittern.
 
Kristallstrukturen, die nicht nur dasselbe Kristallgitter besitzen, sondern bei denen auch dieselben [[Punktlage|Lagen]] besetzt sind (allerdings mit unterschiedlichen Atomen), bilden einen [[Strukturtyp]]. Außerhalb der Fachliteratur wird dieser Unterschied zwischen Gitter und Strukturtyp nicht immer beachtet.
Während diese Begriffsverwendung noch vernünftig ist, so gibt es, insbesondere im Internet, auch Begriffe und damit verbundene Vorstellungen, die definitiv falsch sind.
 
* Die Punkte, die zur Darstellung von Bravais-Gittern verwendet werden, stellen keine Atome dar. Es gibt Strukturtypen, bei denen im Ursprung des Gitters kein Atom liegt. (Der bekannteste Strukturtyp mit dieser Eigenschaft ist die hexagonal dichteste Kugelpackung (hcp))
*Wenn Eses in der Elementarzelle nur ein Atom auf der Lage&nbsp;(0,0,0) gibt, spricht man auch von keineeinem kubisch- primitiven (-innenzentrierten bzw. -raumzentrierten oder flächenzentrierten) KristallsystemeGitter als Strukturtyp. DerEnthält Begriffdie derBasis Zentrierungmehrere beziehtAtome, sichso einzigspricht undman alleineauch aufvon einineinandergestellten Gitterkubischen Gittern.
 
* Die Begriffe hcp (hexagonal closed packed) und ccp (cubic closed packed) stehen für [[Dichteste Kugelpackung|Kugelpackungen]]. Diese entsprechen Strukturtypen. Die Angaben zu Koordinationszahlen und Packungsdichte beziehen sich auch nur auf diese Strukturtypen. Es sind aber keine Gitter. Insbesondere ist fcc nicht gleich ccp! Es gibt viele weitere Strukturen, die ein kubisch flächenzentriertes Gitter besitzen. Einzig richtig ist, dass die kubisch dichteste Kugelpackung mit einem kubisch flächenzentrierten Gitter beschrieben werden kann.
Während diese Begriffsverwendung noch vernünftig ist, so gibt es – insbesondere im Internet – auch Begriffe und damit verbundene Vorstellungen, die definitiv falsch sind.
* Die Punkte, die zur Darstellung von Bravais-Gittern verwendet werden, stellen ''keine'' Atome dar. Es gibt nämlich Strukturtypen, bei denen im Ursprung des Gitters kein Atom liegt. (Der bekannteste Strukturtyp mit dieser Eigenschaft ist die [[Hexagonales Kristallsystem#Hexagonal dichteste Kugelpackung|hexagonal dichteste Kugelpackung]]&nbsp;(hcp).)
* Es gibt keine kubisch-primitiven (-raumzentrierten bzw. -flächenzentrierten) Kristallsysteme; der Begriff der Zentrierung bezieht sich einzig und alleine auf ein Gitter.
* Die Begriffe hcp (''hexagonal closed packed'') und ccp (''cubic closed packed'') stehen für [[Dichteste Kugelpackung|Kugelpackung]]en, diese entsprechen Strukturtypen. Die Angaben zu [[Koordinationszahl]]en und [[Packungsdichte]] beziehen sich auch nur auf diese Strukturtypen. Es sind aber keine Gitter.<br />Insbesondere ist fcc nicht gleich ccp! Es gibt nämlich viele weitere Strukturen, die ein kubisch flächenzentriertes Gitter besitzen. Einzig richtig ist, dass die kubisch dichteste Kugelpackung mit einem kubisch flächenzentrierten Gitter beschrieben werden kann.
 
=== Darstellung durch primitive Gitter ===
Die zentrierten kubischen Gitter können auch durch primitive (allerdings nicht-kubische) Gitter beschrieben werden. Der Zusammenhang zwischen den primitiven und nicht-primitiven Gittervektoren wird in folgender Tabelle zusammengestellt.
Dabei ist <math>a</math> jeweils die [[Gitterkonstante]] und ''nicht'' zwangsläufig die Länge des Vektors <math>\vec{a}</math>. Die Formel zur Berechnung findet man im Artikel zum [[Reziprokes Gitter|Reziproken Gitter]]
 
{| class="wikitable"
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! Gittertyp !! Gittervektoren des realen Gitters !! Gittervektoren des reziproken Gitters
|-
| sc-Gitter || <math> \vec{a} = a \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} , \vec{b} = a \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} , \vec{c} = a \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} </math> || <math> \vec{a'}' = \frac{2 \pi}{a}\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} , \vec{b'}' =\frac{2 \pi}{a}\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} , \vec{c'}' = \frac{2 \pi}{a}\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} </math>
|-
| bcc-Gitter || <math> \vec{a} = \frac{a}{2} \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} , \vec{b} = \frac{a}{2} \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix} , \vec{c} = \frac{a}{2} \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix} </math> || <math> \vec{a'}' = \frac{2\pi}{a} \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} , \vec{b'}' = \frac{2\pi}{a} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} , \vec{c'}' = \frac{2\pi}{a} \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} </math>
|-
| fcc-Gitter || <math> \vec{a} = \frac{a}{2} \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} , \vec{b} =\frac{a}{2} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} , \vec{c} = \frac{a}{2} \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} </math> || <math> \vec{a'}' =\frac{2\pi}{a} \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} , \vec{b'}' = \frac{2\pi}{a} \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix} , \vec{c'}' =\frac{ 2\pi}{a} \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix} </math>
|}
Das reziproke Gitter eines sc-Gitters ist also wieder ein sc-Gitter. Das reziproke Gitter eines fcc-Gitters ist ein bcc-Gitter und umgekehrt.
 
Das reziproke Gitter eines fcc-Gitters ist ein bcc-Gitter und umgekehrt.
== Beschreibung und physikalische Eigenschaften der kubischen Punktgruppen ==
Zur Beschreibung der kubischen Kristallklassen in [[Hermann-Mauguin-Symbolik]] werden die Symmetrieoperationen bezüglich vorgegebener Richtungen (Blickrichtungen) im Gitter-System angegeben.
Die Blickrichtung des 1. Symbols ist die ''a''-Achse (<100>), des 2. Symbols die Raumdiagonale (<111>) und des 3. Symbols die Flächendiagonale (<110>).
 
== Punktgruppen und ihre physikalischen Eigenschaften ==
Charakteristisch für die kubischen Raumgruppen ist eine 3 ({{overline|3}}) an der 2. Stelle des Raumgruppensymbols.
Das kubische Kristallsystem umfasst die Punktgruppen <math>2 3, \, m \bar 3, \, 4 3 2,\, \bar 4 3 m</math> und <math>m \bar 3 m</math>. Sie bilden die kubische [[Kristallfamilie]] und können mit dem kubischen [[Holoedrie#Holoedrien im dreidimensionalen Raum|Gittersystem]] beschrieben werden.
 
Zur Beschreibung der kubischen Kristallklassen in [[Hermann-Mauguin-Symbolik]] werden die Symmetrieoperationen bezüglich vorgegebener Richtungen (Blickrichtungen) im Gitter-System angegeben:
{| class="wikitable centered" style="text-align:center"
* die Blickrichtung des 1.&nbsp;Symbols ist die ''a''-Achse&nbsp;<100>
|+ Kristallklassen im kubischen Kristallsystem
* die Blickrichtung des 2.&nbsp;Symbols die Raumdiagonale&nbsp;<111>
|- class="hintergrundfarbe6"
* die Blickrichtung des 3.&nbsp;Symbols die Flächendiagonale&nbsp;<110>.
! colspan=6 | Kristallklasse
 
! colspan=4 | Physikalische Eigenschaften
Charakteristisch für die kubischen Raumgruppen ist eine&nbsp;3 (bzw.&nbsp;{{Oberstrich|3}}) an 2.&nbsp;Stelle des Symbols.
! rowspan=2 | Beispiele
 
|-class="hintergrundfarbe6"
{| class="wikitable" style="text-align:center"
! [[Laueklasse]]
|- class="hintergrundfarbe5"
! Allgemeine Form
! colspan=8 | Punktgruppe (Kristallklasse)
! [[Schoenflies-Symbolik|Schoenflies-Symbol]]
! colspan=4 | Physikalische Eigenschaften<ref group="Anm." name="Hinweise" />
! [[Hermann-Mauguin-Symbolik|Hermann-Mauguin-Symbol]]
! rowspan=3 | Beispiele
! Hermann/Mauguin-Kurzsymbol
|- class="hintergrundfarbe5"
! Raumgruppennummern
! rowspan=2 | Nr.
! Enantiomorph
! rowspan=2 | [[Kristallsystem|Kristall&shy;system]]
! Optische Aktivität
! rowspan=2 | Name
! Pyroelektrizität
! rowspan=2 | [[Schoenflies-Symbolik|Schoenflies-Symbol]]
! Piezoelektrizität
! colspan=2 | Internationales Symbol<br />([[Hermann-Mauguin-Symbolik|Hermann-Mauguin]])
! rowspan=2 | [[Lauegruppe|Laue&shy;klasse]]
! rowspan=2 | Zugehörige<br />[[Raumgruppe|Raum&shy;gruppen]] (Nr.)
! rowspan=2 | [[Chiralität (Chemie)|Enantio&shy;morphie]]
! rowspan=2 | [[Optische Aktivität]]
! rowspan=2 | [[Pyroelektrizität|Pyro&shy;elektrizität]]
! rowspan=2 | [[Piezoelektrizität|Piezo&shy;elektrizität]]; [[Frequenzverdopplung|SHG-Effekt]]
|- class="hintergrundfarbe5"
! Voll
! Kurz
|-
| 28
| rowspan = 2 | <math> 2/m \, \bar{3} \, </math>
| rowspan="5" | kubisch
| tetraedrisch-pentagondodekaedrisch
| align="left" | [[tetraeder|tetraedrisch]]-[[Pentagondodekaeder|pentagondodekaedrisch]]
| <math>T</math>
| ''T''
| <math>\ 2 \, 3 \,</math>
| 23
| <math>\ 2 3 \,</math>
| 23
| rowspan="2" | ''m''{{Oberstrich|3}}
| 195–199
| +
| +
|
| +
| [[Ullmannit]]<br />[[Natriumbromat]]
| [[Changchengit]], [[Langbeinit]], [[Maghemit]], [[Ullmannit]]
|-
| 29
| disdodekaedrisch
| align="left" | disdodekaedrisch
| <math>T_h</math>,<math> S_6</math>
| ''T''<sub>''h''</sub>
| <math>2/m \, \bar{3} \,</math>
| 2/''m''{{Oberstrich|3}}
| <math>m \bar 3 \,</math>
| ''m''{{Oberstrich|3}}
| 200–206
|
|
|
|
| [[HaueritPyrit]],<br />[[Kruťait]],Alaune [[Pyrit]], [[Sperrylith#Kalialaun|Kalialaun]]
|-
| 30
| rowspan = "3" | <math>4/m \, \bar 3 \, 2/m</math>
| align="left" | [[Pentagonikositetraeder|pentagon-ikositetraedrisch]]
| ''O''
| <math>O</math>
| 432
| <math>\ 4 \, 3 \, 2 \,</math>
| 432
| <math>\ 4 3 2 \,</math>
| rowspan="3" | ''m''{{Oberstrich|3}}''m''
| 207–214
| +
| +
|
|
| [[PetzitMaghemit]],<br /> [[Ye’elimit]]
|-
| 31
| hexakistetraedrisch
| align="left" | hexakistetraedrisch
| <math>T_d</math>
| ''T''<sub>''d''</sub>
| <math>\bar 4 \, 3 \, m \,</math>
| {{Oberstrich|4}}3''m''
| <math>\bar 4 3 m \,</math>
| {{Oberstrich|4}}3''m''
| 215–220
|
|
|
| +
| [[Pharmakosiderit]], [[Sphalerit]], [[Tennantit]],<br />[[TetraedritSodalith]]
|-
| 32
| hexakisoktaedrisch
| align="left" | hexakisoktaedrisch
| <math>O_h</math>
| ''O''<sub>''h''</sub>
| <math>4/m \, \bar 3 \, 2/m</math>
| 4/''m''{{Oberstrich|3}}2/''m''
| <math>m \bar 3 m \,</math>
| ''m''{{Oberstrich|3}}''m''
| 221–230
|
|
|
|
| [[Diamant]]<br />[[Kupfer]]
| [[Cuprit]], [[Fluorit]], [[Galenit]], die meisten [[Granatgruppe|Granate]]
|- class="hintergrundfarbe1"
| colspan="13" align="left" |
<references group="Anm.">
<ref group="Anm." name="Hinweise">Bei den Angaben zu den physikalischen Eigenschaften bedeutet:
:„'''−'''“ aufgrund der Symmetrie verboten
:„'''+'''“ erlaubt.
Über die Größenordnung der optischen Aktivität, Pyro- und Piezoelektrizität sowie des SHG-Effekts kann rein aufgrund der Symmetrie keine Aussage getroffen werden. Man kann aber davon ausgehen, dass stets eine zumindest schwache Ausprägung der Eigenschaft vorhanden ist.</ref>
</references>
|}
 
Bei den Angaben zu den physikalischen Eigenschaften bedeutet „−“ aufgrund der Symmetrie verboten und „+“ erlaubt. Über die Größenordnung des Effektes kann aufgrund der Symmetrie keine Aussage getroffen werden, man kann aber davon ausgehen, dass dieser Effekt nie exakt verschwinden wird.
 
Weitere kubisch kristallisierende, chemische Stoffe siehe [[:Kategorie:Kubisches Kristallsystem]]
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* [http://gastein-im-bild.info/stein/s_krikub.html kubisches Kristallsystem]
* [http://www.chemieunterricht.de/dc2/kristalle/kubisch2.htm kubische Kristalle einbeschrieben in einen Hexaeder]
* [http://www.ifg.uni-kiel.de/kubische_Formen alle kubische Kristallklassen, ihre Formen und deren stereographische Projektionen (interaktives Java -Applet)]
* [https://lp.uni-goettingen.de/get/text/6652 Berechnung von Packungsdichten verschiedener kubischer Kristalle]
* [http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_5/vlu/metallkristalle.vlu/Page/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_5/kap5_8/reinmetalle/kap58_6.vscml.html Berechnungen der Packungsdichten im kubisch raumzentrierten und kubisch flächenzentrierten Kristallgitter – ChemgaPedia], FIZ CHEMIE Berlin
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{{Navigationsleiste Kristallsysteme}}
 
{{Normdaten|TYP=s|GND=4314776-8}}
 
[[Kategorie:Kubisches Kristallsystem| ]]