Kristallpolymorphie

Kristallpolymorphie bezeichnet das Phänomen, dass eine chemische Verbindung unter bestimmten Bedingungen mehr als eine kristalline, feste Phase ausbilden kann. Die verschiedenen Phasen, sogenannte Polymorphien, besitzen dieselbe chemische Zusammensetzung, unterscheiden sich jedoch in der Anordnung der Moleküle oder Ionen im Kristallgitter, in der Symmetrie und in den gitterbaulichen Parametern. Polymorphie gilt für anorganische Verbindungen, organische Substanzen und Materialien gleichermaßen und ist von der Allotropie bei Elementen zu unterscheiden.

Ursachen und Entstehung: Ob eine bestimmte Polymorphie entsteht, hängt von thermodynamischen Kriterien (Stabilität der Phase) und kinetischen Faktoren (Nukleations- und Wachstumsprozesse) ab. Temperatur, Druck, Lösungsmittel, Verunreinigungen und die Geschwindigkeit der Kristallisation können die Bildung einer bestimmten Form begünstigen. Unter bestimmten Umständen bilden sich metastabile Polymorphien, die später in die stabilere Form übergehen können. Lösungsmittel, Verdunstungsraten und mechanische Behandlung können Transformationspfade beeinflussen und zu solvatisierten Formen oder zu Umstrukturierungen im Kristall führen.

Eigenschaften und Auswirkungen: Die Polymorphe unterscheiden sich in Dichte, Schmelzpunkt, Stabilität, Zersetzungsverhalten und Löslichkeit. Deshalb können mechanische Eigenschaften, Verarbeitung, Langzeitstabilität und Lösbarkeit stark variieren. In der Pharmazie und Pharmazeutische Chemie sind polymorphe Formen von Arzneistoffen von besonderer Bedeutung, da sie Löslichkeit, Bioverfügbarkeit und Freisetzungsprofile beeinflussen. In der Materialwissenschaft beeinflussen Polymorphien oft optische Eigenschaften, Festigkeit, Leitfähigkeit und Reaktionskinetik.

Beispiele: Calciumcarbonat kann als Calcit oder Aragonit kristallisieren und zeigt unterschiedliche Kristallstrukturen trotz gleicher Zusammensetzung. Titandioxid kann in den Polymorphen Anatase und Rutile auftreten, die sich in Struktur und Eigenschaften unterscheiden. Das Spektrum der Polymorphien reicht von Mineralien bis hin zu synthetischen Verbindungen; die systematische Steuerung der Polymorphie ist ein zentrales Forschungsfeld in der Kristallchemie.