多形

多形（ポリモーフィズム）の概要

多形とは、ある化学物質が同じ化学組成にもかかわらず、異なる結晶形を持つ現象を指します。この現象は同質異像とも呼ばれ、特に化学、物質科学、材料科学の分野で重要な概念です。医薬品、農薬、色素、染料、食品、爆薬など、さまざまな物質において多形の性質は大きな影響を与えるため、その理解が必要とされています。

命名方法

多形を区別するために、いくつかの命名法が採用されています。例えば、米国や英国では低温相をα、多温相をβと名付ける一方、ドイツではその逆の命名が使われることもあります。また、結晶形に数字を用い、I、II、IIIと表示する方法も一般的です。さらに、特定の転移温度に基づいて「quartz-573」などと命名されることもあります。低温型石英はLow Quartz、高温型石英はHigh Quartzと呼ばれます。

ポリタイプの理解

ポリタイプとは、同じ構成単位を持ちながら、原子の配列が異なる物質を指します。多くの場合、これらは層状の構造を持ち、各層の結晶性が異なるため、どの層がどのような結晶性を示すのかを明示する必要があります。たとえば、2層目が単斜晶系の多形であれば、接頭語として2Mが付加され、六方晶系であれば2Hが使われます。

結晶形の例

多形性を持つ物質がどのような結晶形を形成するかは、結晶生成時の条件に依存します。たとえば、炭素はグラファイトとダイヤモンドという全く異なる結晶系を持ちながら、共に炭素元素（C）から成っています。これはそれぞれ六方晶系と等軸晶系に分類されます。

二酸化ケイ素については、温度の変化により、α-石英から始まり、573℃でβ-石英へ、870℃でβ-トリディマイト、最終的に1470℃でβ-クリストバライトへと変化していきます。圧力によっては、コーサイトやスティショバイトといった異なる多形が形成されます。

炭酸カルシウムにおいては、方解石（カルサイト）β-CaCO3（中晶系）やアラゴナイト（λ-CaCO3・斜方晶系）、ヴァテライト（μ-CaCO3・六方晶系）など、異なる結晶形を持つことが知られています。金属の例としては、二硫化鉄の黄鉄鉱（等軸晶系）と白鉄鉱（斜方晶系）が挙げられます。

ポリタイプの具体例

ポリタイプの具体例としては、炭化ケイ素（α-SiC-1H、α-SiC-2M、β-SiC3Hなど）や黒雲母（biotite-1Tなど）が挙げられます。これらは同じ元素から成り立ちながら、それぞれ異なる晶系を持っています。

歴史的背景

多形の存在が最初に確認されたのは1832年、フリードリヒ・ヴェーラーとユストゥス・フォン・リービッヒによるベンズアミドの研究でした。彼らは、ベンズアミドの冷却過程で徐々に針状結晶から菱形結晶に変化する姿を観察しました。現在、ベンズアミドは3種類の多形を持つことが知られています。このように、多形は科学の発展とともに重要なテーマとなってきました。

多形に関する研究は、化学分野のみならず、あらゆる材料の特性や機能性を理解する上で欠かせない要素です。

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