Cristobalit ( / krɪˈstoʊbəlaɪt / krist- OH - bə - lyte ) ist ein Mineralpolymorph des Siliciumdioxids , das bei sehr hohen Temperaturen entsteht. Es besitzt dieselbe chemische Formel wie Quarz , SiO₂ , jedoch eine deutlich andere Kristallstruktur. Sowohl Quarz als auch Cristobalit sind Polymorphe aller Mitglieder der Quarzgruppe, zu der auch Coesit , Tridymit und Stishovit gehören. Benannt ist es nach dem Cerro San Cristóbal in der Gemeinde Pachuca , Provinz Hidalgo , Mexiko .

Es wird in der Zahnmedizin als Bestandteil von Alginat- Abformmaterialien sowie zur Herstellung von Zahnmodellen verwendet. [ 7 ]

Eigenschaften

Metastabilität

Cristobalit ist nur oberhalb von 1470 °C stabil, kann aber bei niedrigeren Temperaturen kristallisieren und metastabil bestehen bleiben . Die Beständigkeit von Cristobalit außerhalb seines thermodynamischen Stabilitätsbereichs beruht darauf, dass der Übergang von Cristobalit zu Quarz oder Tridymit „rekonstruktiv“ ist und das Aufbrechen und Neubilden des Siliciumdioxid- Gerüsts erfordert. Diese Gerüste bestehen aus SiO₄ - Tetraedern , in denen jedes Sauerstoffatom mit einem benachbarten Tetraeder geteilt wird, sodass die chemische Formel von Siliciumdioxid SiO₂ lautet . Das Aufbrechen dieser Bindungen, das für die Umwandlung von Cristobalit in Tridymit und Quarz notwendig ist, erfordert eine beträchtliche Aktivierungsenergie und kann bei Raumtemperatur nicht innerhalb eines für den Menschen erfassbaren Zeitraums erfolgen. Gerüstsilikate werden auch als Tektosilikate bezeichnet .

Bei der Entglasung von Siliciumdioxid bildet sich üblicherweise zuerst Cristobalit, selbst weit außerhalb seines thermodynamischen Stabilitätsbereichs. Dies ist ein Beispiel für die Ostwaldsche Stufenregel . Die dynamisch ungeordnete Natur der β-Phase trägt mit zur niedrigen Schmelzenthalpie von Siliciumdioxid bei.

PT-Diagramm für SiO₂

Strukturen

Es gibt mehrere Formen des Cristobalit-Gerüsts. Bei hohen Temperaturen wird die Struktur als β-Cristobalit bezeichnet. Sie kristallisiert im kubischen System mit der Raumgruppe Fd3m (Nr. 227 , Pearson-Symbol cF104 ). [ 8 ] Sie besitzt die Diamantstruktur , besteht aber anstelle von Kohlenstoffatomen wie im Diamanten aus verknüpften Silicium- und Sauerstofftetraedern. Eine chirale tetragonale Form, α-Cristobalit genannt (Raumgruppe entweder P4₁212 , Nr . 92 , [ 9 ] oder P4₃212 , Nr. 96, zufällig ausgewählt) , tritt beim Abkühlen unter etwa 250 °C bei Umgebungsdruck auf und ist mit der kubischen Form durch statische Verkippung der Siliciumtetraeder im Gerüst verwandt. Dieser Übergang wird unterschiedlich als Niedrig-Hoch- Übergang oder als „displaziver“ Übergang bezeichnet. Das heißt, es ist im Allgemeinen nicht möglich, die Umwandlung der kubischen β-Form in die tetragonale durch schnelles Abkühlen zu verhindern. Unter seltenen Umständen kann die kubische Form erhalten bleiben, wenn das Kristallkorn in einer Matrix eingebettet ist, die die beträchtliche spontane Dehnung, die mit dem Phasenübergang einhergeht und eine Formänderung des Kristalls verursacht, nicht zulässt. Dieser Übergang ist stark diskontinuierlich. Der Übergang von der α- zur β-Form führt zu einer Volumenzunahme von 3 [ 10 ] bzw. 4 [ 11 ] Prozent. Die genaue Übergangstemperatur hängt von der Kristallinität der Cristobalitprobe ab, welche wiederum von Faktoren wie der Dauer des Glühens bei einer bestimmten Temperatur beeinflusst wird.

Die kubische β-Phase besteht aus dynamisch ungeordneten Siliciumdioxid-Tetraedern. Die Tetraeder bleiben relativ regelmäßig und werden durch die Einwirkung einer Klasse niederfrequenter Phononen , den sogenannten starren Einheitsmoden, aus ihrer idealen statischen Orientierung verschoben . Das „Einfrieren“ einer dieser starren Einheitsmoden ist die weiche Mode für den α-β-Übergang.

In β-Cristobalit existieren rechts- und linksdrehende Helices aus Tetraedern (bzw. Siliciumatomen), die parallel zu allen drei Achsen verlaufen. Beim α-β-Phasenübergang bleibt jedoch nur die rechts- oder linksdrehende Helix in einer Richtung erhalten (die andere wird zu einer zweizähligen Schraubenachse). Daher behält nur eine der drei entarteten kubischen kristallographischen Achsen in der tetragonalen Form eine vierzählige Drehachse (genauer gesagt eine Schraubenachse ). (Diese Achse wird zur c-Achse, und die neuen a-Achsen sind um 45° gegenüber den beiden anderen alten Achsen gedreht. Der neue a-Gitterparameter ist um etwa die Quadratwurzel aus 2² kürzer , sodass die α-Elementarzelle nur noch 4 statt 8 Siliciumatome enthält.) Die Wahl der Achse ist beliebig, sodass sich innerhalb desselben Korns verschiedene Zwillingsstrukturen bilden können. Diese unterschiedlichen Zwillingsorientierungen in Verbindung mit der diskontinuierlichen Natur des Übergangs (Volumen- und geringfügige Formänderung) können erhebliche mechanische Schäden an Materialien verursachen, in denen Cristobalit vorhanden ist und die wiederholt die Übergangstemperatur durchlaufen, wie z. B. feuerfeste Ziegel.

  • Ein idealisiertes Modell von β-Cristobalit zeigt eckenverknüpfte SiO₄-Tetraeder. In der Mitte der Hälfte der weißen Quadrate befindet sich eine rechtsdrehende vierzählige Schraubenachse, in der Mitte der anderen Hälfte eine linksdrehende. In dieser Projektion sind Gleitebenen parallel zu den Achsen und Spiegelungen an den Diagonalen sichtbar. In Wirklichkeit befinden sich die Tetraeder in einer ständigen Taumelbewegung.
    Ein idealisiertes Modell von β-Cristobalit zeigt eckenverknüpfte SiO₄ - Tetraeder. In der Mitte der Hälfte der weißen Quadrate befindet sich eine rechtsdrehende vierzählige Schraubenachse, in der Mitte der anderen Hälfte eine linksdrehende. In dieser Projektion sind Gleitebenen parallel zu den Achsen und Spiegelungen an den Diagonalen sichtbar. In Wirklichkeit befinden sich die Tetraeder in einer ständigen Taumelbewegung.
  • β-Cristobalit, betrachtet entlang der (101)-Richtung
    β-Cristobalit, betrachtet entlang der (101)-Richtung
  • Das verknitterte Gerüst von α-Cristobalit, das durch statische Verkippung der Tetraeder mit der β-Form verwandt ist. Diese Ansicht entspricht der Ansicht entlang der (101)-Richtung der vorherigen Abbildung, mit dem Unterschied, dass die „b“-Achse jener Abbildung nun horizontal verläuft. Die zweizähligen Schraubenachsen erscheinen hier als zweizählige Drehachsen, die durch die Mitte der weißen Bereiche und zwischen den Paaren nahezu übereinanderliegender Sauerstoffatome verlaufen.
    Das verknitterte Gerüst von α-Cristobalit, das durch statische Verkippung der Tetraeder mit der β-Form verwandt ist. Diese Ansicht entspricht der Ansicht entlang der (101)-Richtung der vorherigen Abbildung, mit dem Unterschied, dass die „b“-Achse jener Abbildung nun horizontal verläuft. Die zweizähligen Schraubenachsen erscheinen hier als zweizählige Drehachsen, die durch die Mitte der weißen Bereiche und zwischen den Paaren nahezu übereinanderliegender Sauerstoffatome verlaufen.
  • Elementarzelle von α-Cristobalit; rote Kugeln stellen Sauerstoffatome dar. Fünf Siliciumatome bilden eine Helix (das erste und das letzte Atom sind im Kristallgitter äquivalent), die in c-Richtung (in die Bildebene hinein) verläuft. Die horizontale und vertikale Achse entsprechen der a-Achse.
    Elementarzelle von α-Cristobalit; rote Kugeln stellen Sauerstoffatome dar. Fünf Siliciumatome bilden eine Helix (das erste und das letzte Atom sind im Kristallgitter äquivalent), die in c-Richtung (in die Bildebene hinein) verläuft. Die horizontale und vertikale Achse entsprechen der a-Achse.
  • Elementarzelle von β-Cristobalit; rote Kugeln stellen Sauerstoffatome dar.
    Elementarzelle von β-Cristobalit; rote Kugeln stellen Sauerstoffatome dar.

Auftreten

Cristobalit kommt als weiße Oktaeder oder Sphärulite in sauren vulkanischen Gesteinen und in umgewandelten Kieselalgenablagerungen in der Monterey-Formation des US-Bundesstaates Kalifornien und ähnlichen Gebieten vor.

Die mikrometergroßen Kügelchen, aus denen Edelopal besteht, weisen zwar Röntgenbeugungsmuster auf, die denen von Cristobalit ähneln, jedoch fehlt ihnen jegliche Fernordnung, weshalb sie nicht als echter Cristobalit gelten. Darüber hinaus lässt das Vorhandensein von Strukturwasser im Opal Zweifel daran aufkommen, ob Opal aus Cristobalit besteht. [ 12 ] [ 13 ]

Cristobalit ist als weiße Einschlüsse im Schneeflockenobsidian , einem vulkanischen Glas, sichtbar.

Referenzen

  1. ^ Warr, LN (2021). „IMA–CNMNC-genehmigte Mineraliensymbole“ . Mineralogical Magazine . 85 (3): 291–320 . Bibcode : 2021MinM...85..291W . doi : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID  235729616 .
  2. ^ Deer, WA; Howie, RA; Zussman, J. (1966). Einführung in die gesteinsbildenden Minerale . Longman . S.  340–355 . ISBN 0-582-44210-9Die
  3. ^ Mineralienatlas .
  4. ^ Cristobalit. Archiviert am 15.07.2010 in der Wayback Machine . Handbuch der Mineralogie.
  5. ^ Cristobalite . Mindat.
  6. ^ „Cristobalit-Mineraldaten“ . Webmineral .
  7. ^ Anusavice, Kenneth J. (2013). Phillips' Science of Dental Materials . Elsevier/Saunders. ISBN 978-1-4377-2418-9OCLC  934359978 .​
  8. ^ Wright AF, Leadbetter AJ (1975). „Die Strukturen der β-Cristobalit-Phasen von SiO₂ und AlPO₄ “ . Philosophical Magazine . 31 (6): 1391–1401 . Bibcode : 1975PMag...31.1391W . doi : 10.1080/00318087508228690 .
  9. ^ Downs RT, Palmer DC (1994). „Das Druckverhalten eines Cristobalits“ (PDF) . American Mineralogist . 79 : 9–14 . Archiviert vom Original (PDF) am 15.05.2019 . Abgerufen am 15.12.2009 .
  10. ^ RE Smallman & RJ Bishop (1999). „2“. Moderne physikalische Metallurgie und Werkstofftechnik (6. Aufl.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-4564-5Die
  11. ^ AJ Leadbetter & AF Wright (1976). „Der α-β-Übergang in den Cristobalitphasen von SiO₂ und AlPO₄ I. Röntgenuntersuchungen“. The Philosophical Magazine . 33 (1): 105–112 . Bibcode : 1976PMag...33..105L . doi : 10.1080/14786437608221095 .
  12. ^ Deane K. Smith (1998). „Opal, Cristobalit und Tridymit: Nichtkristallinität versus Kristallinität, Nomenklatur der Silikatminerale und Bibliographie“ . Powder Diffraction . 13 (1): 2–19 . Bibcode : 1998PDiff..13....2S . doi : 10.1017/S0885715600009696 . S2CID 97394861 . 
  13. ^ „Kristallines Siliciumdioxid – Übersicht | Arbeitsschutzbehörde (OSHA)“ (PDF) . www.osha.gov . Archiviert vom Original (PDF) am 4. März 2016.

Weiterführende Literatur

  • Wörterbuch geologischer Begriffe des Amerikanischen Geologischen Instituts .
  • Durham, DL, „Monterey-Formation: Diagenese“. In: Uran in der Monterey-Formation von Kalifornien . US Geological Survey Bulletin 1581-A, 1987.
  • Reviews in Mineralogy and Geochemistry , Bd. 29, Silica: behavior, geochemistry and physical applications . Mineralogical Society of America, 1994.
  • RB Sosman, Die Phasen von Siliciumdioxid . (Rutgers University Press, 1965)