Tiefcristobalit

Cristobalit
Cristobalit-Kristalle (weiß) in Obsidian („Schneeflocken-Obsidian“)
Chemische Formel	SiO2
Mineralklasse	Oxide 4.DA.15 (8. Aufl. IV/D.01-30) (nach Strunz) 75.1.1.1 (nach Dana)
Kristallsystem	tetragonal (α-Cristobalit) kubisch (β-Cristobalit)
Kristallklasse	tetragonal-trapezoedrisch, $4\ 2\ 2\,$ kubisch-hexakisoktaedrisch, $4/m\ \bar 3\ 2/m$
Farbe	farblos, weiß, zum Teil gelblich; farblos im Dünnschliff
Strichfarbe	weiß
Mohshärte	6,5
Dichte (g/cm³)	2,33
Glanz	Glasglanz
Transparenz	durchscheinend bis undurchsichtig
Bruch	muschelig
Spaltbarkeit	keine
Habitus	häufig kugelförmige Aggregate aus kleinen Kristallen; zum Teil oktaedrische Einkristalle
Häufige Kristallflächen	{111}
Zwillingsbildung	häufig, Durchdringungszwillinge nach dem Spinell-Gesetz; Verwachsungsebene (111)
Kristalloptik
Brechzahl	n = 1,485 - 1,487
Doppelbrechung (optische Orientierung)	Δn = 0,003 ; negativ (α-Cristobalit)
Winkel/Dispersion der optischen Achsen	2vz ~ k. A.
Pleochroismus	nicht bekannt
Weitere Eigenschaften
Phasenumwandlungen	Stabil oberhalb 1470 °C, α-Cristobalit metastabil bei Standardbedingungen bis 275 °C, danach Übergang in β-Cristobalit; Unterhalb 1470 °C Übergang in Tridymit oder Hochquarz (druckabhängig)
Schmelzpunkt	1713 °C
Chemisches Verhalten	Unlöslich in Wasser und Säuren, Ausnahme: Flusssäure (HF) Gut löslich in Natriumcarbonat-Schmelzen (Na2CO3)
Ähnliche Minerale	Quarz, Tridymit, Coesit
Radioaktivität	nicht radioaktiv
Magnetismus	nicht magnetisch
Besondere Kennzeichen	keine

Cristobalit ist ein eher selten vorkommendes Mineral und eine natürlich auftretende Hochtemperatur-Modifikation des Siliciumdioxids (SiO₂). Chemisch betrachtet ist es damit eine kristalline Form des Anhydrids der Kieselsäure. Cristobalit selbst existiert in zwei Modifikationen, tetragonaler α-Cristobalit (Tiefcristobalit) und kubischer β-Cristobalit (Hochcristobalit), die strukturell sehr eng miteinander verwandt sind. Letztere kristallisiert in einer vom Diamant abgeleiteten Struktur und ist damit auch vergleichbar mit der Kristallstruktur der Zinkblende (ZnS).

Etymologie und Geschichte

Die Erstbeschreibung von Cristobalit geht auf Gerhard vom Rath aus dem Jahr 1884 zurück. Der Name leitet sich von der Typlokalität, in der Nähe von San Cristóbal (Chiapas, Mexiko), ab.^[1] Die erste Strukturaufklärung von Cristobalit mit Hilfe der Röntgenbeugung erfolgte 1925.^[2]

Klassifikation

Nach der Strunz'schen Systematik, die die Minerale nach ihrer chemischen Zusammensetzung ordnet, wird Cristobalit in der Mineralklasse der Oxide mit einem Stoffmengenverhältnis Metall:Sauerstoff=1:2 eingeordnet und ist dort zusammen mit Coesit, Melanophlogit, Moganit, Opal, Quarz, Stishovit und Tridymit Mitglied der Quarzgruppe.

Die Systematik von Dana ordnet die Minerale nach ihrer Kristallstruktur und da beide Cristolbalit-Modifikationen aus über alle vier Ecken verknüpften [SiO₄]-Tetraedern aufgebaut sind, bei der sich für Silicium eine Koordinationszahl von 4 und für Sauerstoff von 2 ergibt, werden diese nach der Systematik von Dana den Gerüstsilikaten zugeordnet.

Modifikationen und Varietäten

Cristobalit existiert in zwei Modifikationen, dem tetragonalen α-Cristobalit (Tiefcristobalit) und dem kubischen β-Cristobalit (Hochcristobalit). Beide Strukturen bestehen aus eckenverknüpften [SiO₄]-Tetraedern, die sich nur darin unterscheiden, dass die Tetraeder leicht unterschiedlich zueinander verdreht sind. Die kristallographischen Daten beider Modifikationen sind in der Tabelle angegeben.

Kristallographische Daten für Cristobalit
Name	α-Cristobalit[3] Tiefcristobalit	β-Cristobalit[4] Hochcristobalit
Kristallsystem	tetragonal	kubisch
Kristallklasse	$4\ 2\ 2\,$	$4/m\ \bar 3\ 2/m$
Raumgruppe	$P\ 4_1 2_1 2\,$	$F\ 4_1/d\ \bar3\ 2/m$
Gitterparameter (Elementarzelle)	a = 497,8 pm c = 694,8 pm	a = 716,6 pm
Formeleinheiten in der Elementarzelle	4	8

Als einzige bisher bekannte Varietät wird der knollig-traubig bis faserig entwickelte Lussatit genannt. ^[5] [6]

Struktur

Cristobalit bildet sich bei Temperaturen oberhalb von 1470 °C und liegt bei Standardbedingungen als metastabiler α-Cristobalit vor. Die Tieftemperaturform α-Cristobalit (Tiefcristobalit) wandelt sich bei Temperaturen von ca. 240 °C-275 °C (abhängig von der Reinheit) in die Hochtemperaturform β-Cristobalit (Hochcristobalit) um. Die höhere Symmetrie des β-Cristobalit kommt dabei durch eine gekoppelte Drehschwingung der [SiO₄]-Tetraeder zustande, wodurch sich der Bindungswinkel der Si-O-Si-Bindungen von 147° im tetragonalen α-Cristobalit in 180° ändert. Streng genommen ist die höhere Symmetrie nur eine Momentaufnahme der fortdauernden Schwingungen der Tetraeder, die gemittelt die kubische Symmetrie ergibt. Unterhalb von ca. 240 °C frieren die Schwingungen ein und die niedrigere tetragonale Symmetrie ist beobachtbar.

Kristallstruktur des tetragonalen α-Cristobalits mit Blick entlang der a-Achse

Kristallstruktur des kubischen β-Cristobalits. Die [SiO4]-Tetraeder sind verglichen mit α-Cristobalit anders zueinander verdreht, wodurch die höhere Symmetrie entsteht.

Idealisierte Elementarzelle des β-Cristobalits. Die [SiO4]-Tetraeder führen in Wirklichkeit fortdauernde Schwingungen aus.

Synthetische Herstellung

Cristobalit wird technisch aus reinem Quarzsand bei hohen Temperaturen hergestellt.

Verwendung

Verwendung als Schmuckstein: Schneeflockenobsidian

Cristobalit zeichnet sich durch seine hohe Weiße aus, durch die starke Reflexion hat es als Pigment eine sehr hohe Farbsättigung. Es ist nicht so reinweiß wie Titandioxid (Titanweiß), jedoch weitaus leuchtkräftiger.

Es wird vor allem in verschiedener Korngrößen als Pigment und Füllstoff verwendet, Feinmehle <<0,1 mm und Feinstmehle 8–12 µ in Farbmitteln, Grobmehle und Körnung für Wandputz. Da es chemisch praktisch inert (reaktionsträge) ist, lässt es sich besonders im Außenbereich anwenden und ist das typische Pigment der Fahrbahnmarkierungen. Hierbei wird auch die hohe mechanische Stabilität und die Unbedenklichkeit aus Sicht des Umweltschutzes geschätzt. ^[1] Cristobalitmehle finden weiterhin in Dentalkeramiken und Dichtstoffen Verwendung.

Obsidiane (vulkanisches Glas) mit eingeschlossenen Cristobalit-Kristallen finden häufig unter dem Handelsnamen Schneeflockenobsidian als Schmucksteine oder in Form kleiner Skulpturen Verwendung.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Füllstoffe, Kremer Pigmente
2. ↑ R. W. G.Wyckoff: The crystal structure of the high temperature form of cristobalite. In: American Journal of Science. Serie 5, Nr. 9, 1925, S. 448-459.
3. ↑ W. A. Dollase: Reinvestigation of the structure of low Cristobalite. In: Zeitschrift fuer Kristallographie, Kristallgeometrie, Kristallphysik, Kristallchemie. Nr. 121, 1965, S. 369-377
4. ↑ D. R. Peacor: High-temperature single-crystal study of the cristobalite inversion. In: Zeitschrift fuer Kristallographie, Kristallgeometrie, Kristallphysik, Kristallchemie. Nr. 138, 1973, S. 127-220
5. ↑ Stefan Weiß: Das große Lapis Mineralienverzeichnis. 4. Auflage. Christian Weise Verlag, München 2002, ISBN 3-921656-17-6
6. ↑ Edition Dörfler: Mineralien Enzyklopädie. Nebel Verlag, ISBN 3-89555-076-0

Literatur

• W. A. Deer, R. A. Howie, J. Zussman: An Introduction to the Rock Forming Minerals. Prentice Hall, Harlow 1992, ISBN 0582300940, S. 457 f. (englisch)
• U. Müller: Anorganische Strukturchemie. 5. Aufl., Teubner, Stuttgart 2006, ISBN 3-8351-0107-2, S. 184 f.
• M. Okrusch, S. Matthes: Mineralogie. Springer, Berlin 2005, ISBN 3540238123

Weblinks

• Mineralienatlas:Cristobalit (Wiki)
• Cristobalit auf webmineral.com
• Silicatchemie: Gestopfter Cristobalit