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Untersuchungen der Bildungsprozesse und der Struktur des ...

Untersuchungen der Bildungsprozesse und der Struktur des ...

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3 Grundlagen Abb. 3.2: Projektion der Kristallstruktur von Calcit für drei verschiedene Orientierungen. Dargestellt ist eine Einheitszelle, die mit dem Programm jems (java electron microscope image simulation) simuliert wurde. Abb. 3.3: (a) Geologischer Aragonitkristall. (b) SEM Aufnahme von Aragonitnadelbällen (schwarzer Pfeil), Calcitkristallen (gestrichelter Pfeil) und linsenförmigen Vateritkristallen (Pfeilkopf). Die Kristalle haben sich aus einer CaCO3 - Lösung gebildet. Calcit kann durch ein trigonales Kristallsystem (Abb. 3.2) mit der Raumgruppe R¯3c und den Gitterkonstanten a = b = 0,498 nm und c = 1,702 nm beschrieben werden [41]. Die Dichte beträgt 2,6 g/cm 3 - 2,8 g/cm 3 und ist abhängig von der Verunreinigung des Calcits [39]. Die bevorzugte Spaltfläche ist die (10¯11) 1 - bzw. (211) 2 - Ebene. Von den drei kristallinen wasserfreien Formen des Calciumcarbonats ist Calcit die thermodynamisch stabilste Phase. 3.1.2 Aragonit Aragonit kann ebenso wie Calcit in geologischer und biomineralischer Form in der Natur vorliegen. In geologischer Form hat es sein Vorkommen in vulkanischem Gestein oder entsteht als Ausfällung heißer Quellen. Abb. 3.3 zeigt eine Photographie geologischen Aragonits (a) sowie eine SEM 3 Aufnahme nadelförmiger Aragonitkristalle ((b), schwarzer Pfeil), die sich aus einer CaCO3 - Lösung gebildet haben. Neben dieser für Aragonit typischen Form sind in der SEM Aufnahme außerdem Calcit- (gestrichelter Pfeil) und Vateritkristalle (Pfeilkopf) zu erkennen. Die biomineralische Form des Aragonits ist ein wichtiger Bestandteil der Schalen von Mollusken sowie des Exoskeletts von Steinkorallen. 8 1 Miller Bravais Indizes 2 Miller Indizes 3 Im Englischen: scanning electron microscopy. Im Deutschen: Rasterelektronenmikroskopie.

3.1 Modifikationen des Calciumcarbonats Abb. 3.4: Projektion der Kristallstruktur von Aragonit für drei verschiedene Orientierungen. Dargestellt sind 2 x 2 x 2 Einheitszellen, die mit dem Programm jems simuliert wurden. Die Pfeilköpfe kennzeichnen zwei parallel liegende Schichten aus Carbonationen, die sich zwischen den Schichten der Calciumionen befinden. Außerdem kommt es im Innenohr von Fischen als Gravitationsrezeptor vor [42]. Aragonit wird durch eine orthorhombische Einheitszelle (Abb. 3.4) mit den Gitterkonstanten a = 0,4962 nm, b = 0,7969 nm und c = 0,5743 nm beschrieben [43]. Die zugehörige Raumgruppe ist Pmcn. Die Dichte von Aragonit beträgt ∼2,95 g/cm 3 [41]. Ausgezeichnete Spaltebenen sind nicht vorhanden. Ähnlich wie Calcit ist auch bei Aragonit die Kristallstruktur durch abwechselnde Schichten aus Calcium- und Carbonationen senkrecht zur c - Richtung aufgebaut. Die Molekülebene des Carbonations liegt bei beiden Polymorphen parallel zur a - b - Ebene. Anders als bei Calcit sind einige Carbonationen in Aragonit entlang der c - Richtung verschoben, so dass zwischen den Schichten der Calciumionen eine zweite Schicht aus Carbonationen parallel zu der ersten gebildet wird. Diese beiden Schichten der Carbonationen sind in Abb. 3.4 mit Pfeilköpfen gekennzeichnet. 3.1.3 Vaterit Vaterit ist von den kristallinen wasserfreien Formen des Calciumcarbonats die instabilste Form, kommt in geologischen Gesteinen gar nicht und in biologischen Strukturen selten vor. So kann Vaterit zu kleinen Teilen in den Schalen von Gastropoden (Schnecken) auftreten und ist Teil der Stacheln von Seescheiden (Ascidien) [40]. Eine SEM Aufnahme eines aus einer CaCO3 - Lösung gebildeten blütenförmigen Vateritkristalls ist in Abb. 3.5 gezeigt. Vaterit weist eine hexagonale Einheitszelle (Abb. 3.6) mit den Gitterparametern a = b = 0,413 nm und c = 0,849 nm auf [44]. Die Raumgruppe lautet P63/mmc. Abb. 3.5: SEM Aufnahme eines aus einer CaCO3 - Lösung ausgefallenen blütenförmigen Vateritkristalls. 9

Kapitel 3 Untersuchungen zur Struktur
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