化 学 (無機化学)

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 ここでは,無機化学の基本に関連し,【固体の形】【結晶系と格子】【結晶系とフラーベ格子一覧】に項目を分けて紹介する。

 【固体の形】

 化合物が結晶するとき,板状,柱状,針状など様々の特徴ある形を示すことが多い。物体は,原子の集まりで,視認される結晶の形は原子の配列(空間格子)を反映したもの思われがちである。
 しかし,実際には,下図の雪の結晶(六方晶系)と温度・湿度との関係で例示するように,視認される結晶の形は,置かれた環境で結晶がどの方向に発達し易いかに支配され,【金属結晶構造】【イオン結晶構造】で紹介した結晶内部の原子の配列(空間格子)を直接反映するものではないことが分かる。

温度と過飽和度による雪結晶パターン変化

温度と過飽和度による雪結晶パターン変化
出典:北海道大学低温科学研究所

 しかしながら,例えば雲母が薄く剥がれる,石綿(アスベスト)が細かく裂ける,炭素のみで構成されるダイヤモンドと黒鉛(グラファイト)の特性の違いなど,結晶の特性には,空間格子の状況が色濃く反映する。

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 【結晶系と格子】

 結晶系とは,晶系ともいい,結晶を結晶軸の数・長さ・各軸相互間の角度などによって原子の並び方の対称性を分類したものである。
 一般的には,三斜晶系( triclinic system ),単斜晶系( monoclinic system ),斜方晶系(orthorhombic system ),六方晶系( hexagonal system ),三方晶系( trigonal system ),正方晶系( tetragonal system ),立方晶系( cubic system )の 7 種に分けられる。
 なお,三方晶系を菱面体(りょうめんたい)晶系( rhombohedral system ),立方晶系を等軸晶系( isometric system )ともいう。 さらに,三方晶系を六方晶系に含めて 6 晶系とすることもある。
 
 結晶を構成する粒子(原子,イオン,分子)の構造単位で,それらを点で置き換えて理想化した網目状の格子を空間格子( space lattice )という。空間格子の最小の繰り返し単位(平行 6 面体)を単位胞( unit cell ),又は単位格子という。
 単位胞の頂点から伸びる 3 つの稜のベクトル〈a, b, c〉を基本ベクトルと呼び,ベクトルの大きさ〈距離〉と単位ベクトルの成す角,α=∠bc,β=∠ca,γ=∠abは単位胞の格子定数( lattice constant )と呼ばれる。結晶系と格子定数の関係を下図に示す。

単位胞と格子定数

単位胞と格子定数

 ここで紹介する空間格子は,【金属結晶構造】で紹介した最密充填となる配位数 12 のちよう密立方格子,面心立方格子,配位数 8 の体心立方格子とは異なる結晶の表現方法である。
 1850年にフランスのブラベー( Auguste Bravais )が,7 種の結晶系と4種の格子(単純,底心,面心,体心)の組み合わせに対応する14種の空間格子を分類した。これは,ブラベー格子( Bravais lattice )ともよばれる。

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 【参考】

 ここでは,結晶格子とフラベー格子での名称一覧,結晶形の特徴と関連する鉱物の例を紹介する。


結晶系とブラべー格子( 14種)の名称例
  結晶系    単純格子 ( p )    底心格子( C )    面心格子( F )    体心格子( I ) 
  三斜晶    三斜格子    ―    ―    ― 
  単斜晶    単斜格子,単純単斜    単斜底心格子,一面心単斜    ―    ― 
  斜方晶    直方格子,単純斜方    底心直方格子,一面心斜方    面心直方格子,面心斜方    体心直方格子,体心斜方 
  六方晶    六方格子    ―    ―    ― 
  三方晶    菱面体格子,斜方面体    ―    ―    ― 
  正方晶    正方格子    ―    ―    体心正方格子 
  立方晶    立方格子,単純立方    ―    面心立方格子    体心立方格子 

結晶系の特徴と鉱物例
  結晶系    特徴    一般的な結晶形    鉱物例 
  三斜晶    三本の結晶軸の長さはそれぞれ異なり,その三本の結晶軸が互いに直交しない(斜交する)。    側面や裏面に傾きがある柱状で卓面を持ったもの    ラブラドライト,アマゾナイト,薔薇輝石,トルコ石 
  単斜晶    三本の結晶軸の長さはそれぞれ異なり,二本の側軸が直交し,上下軸がこれらの一方に直交し,他の一方に斜交。    柱状および卓面    正長石,月長石 
  斜方晶    三本の結晶軸の長さがそれぞれ異なり,それら三本の結晶軸は互いに直交。    四角柱状,二組の四側面に接続する錘面で構成するバイピラミッド型    黄玉,かんらん石,金緑石,紅柱石 
  六方晶    四本の結晶軸を持ち,三本の結晶軸の長さが等しく,60゚で互いに交わる。四本目の結晶軸は,他の三本の結晶軸に直交し,長さが通常はより長い。    六角柱状    エメラルド,ベリル,アパタイト 
  三方晶    六方晶系と類似し,六方晶系同様に四本の結晶軸を持つ。六方晶系との違いは,対称性が少ないこと。    三角柱状,斜方六面体    電気石,水晶,カルサイト,コランダム 
  正方晶    二本の結晶軸の長さが等しく,三本の結晶軸は互いに直交。    四角柱状で横断面が正方形    ジルコン,スキャポライト 
  立方晶    三本の結晶軸の長さが等しく,結晶軸が互いに直交。    立方体,正八面体,十二面体    方解石,ダイヤモンド,黄鉄鉱,ガーネット 

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