クリストバライト

クリストバライト
黒曜石マトリックスの失透により形成されたクリストバライト球晶。米国カリフォルニア州産の標本。サイズ：5.9 cm × 3.8 cm × 3.8 cm（2.3 インチ × 1.5 インチ × 1.5 インチ）。
一般的な
カテゴリ	酸化鉱物、石英グループ
式 （繰り返し単位）	SiO2​
IMAシンボル	Cr [1]
シュトランツ分類	4.DA.15
ダナ分類	75.1.1.1
結晶系	正方晶
クリスタルクラス	台形（422）
空間群	P 4 1 2 1 2、 P 4 3 2 1 2
単位セル	a = 4.9709(1) Å、 c = 6.9278(2) Å; Z  = 4 (αポリタイプ)
構造
ジェイモル（3D）	インタラクティブ画像
識別
色	無色、白
クリスタル習慣	直径数cmまでの八面体または球晶
姉妹都市	{111} に
骨折	貝殻状
粘り強さ	脆い
モース 硬度	6～7
光沢	硝子体
連勝	白
透けて見える	透明
比重	2.32–2.36
光学特性	一軸（−）
屈折率	ω = 1.487 ε = 1.484
複屈折	0.003
多色性	なし
融点	1,713 °C (3,115 °F) (β) [2]
参考文献	[3] [4] [5] [6]

クリストバライト（/ k r ɪ ˈ s t oʊ b ə ˌ l aɪ t /）は、非常に高い温度で形成されるシリカの鉱物多 形です。石英と同じ化学式（Si O _{2 ）を持ちますが、結晶構造が異なります。石英とクリストバライトは両方とも、}コーサイト、トリジマイト、スティショバイトを含む石英グループのすべてのメンバーとの多形です。メキシコ、イダルゴ州パチューカ市のサンクリストバル山にちなんで名付けられました。

歯科ではアルギン酸印象材の成分として、また歯の模型を作るのに使われています。^[7]

クリストバライトは 1470 °C 以上でのみ安定しますが、より低い温度では結晶化して準安定状態を維持できます。クリストバライトが熱力学的安定範囲外で持続するのは、クリストバライトから石英またはトリジマイトへの遷移が「再構築」であり、シリカフレームワークの分解と再形成を必要とするためです。これらのフレームワークは SiO ₄ 四面体で構成されており、すべての酸素原子が隣接する四面体と共有されているため、シリカの化学式は SiO ₂です。クリストバライトをトリジマイトと石英に変換するために必要なこれらの結合の切断には、かなりの活性化エネルギーが必要であり、室温では人間の時間枠では発生しない可能性があります。フレームワークケイ酸塩は、テクトケイ酸塩とも呼ばれます。

シリカが失透すると、熱力学的安定範囲から大きく外れている場合でも、通常はクリストバライトが最初に形成される相です。これはオストワルドのステップ則の一例です。β 相の動的無秩序性は、シリカの融解エンタルピーが低いことに部分的に関係しています。

クリストバライト骨格には複数の形態がある。高温では、構造はβ-クリストバライトと呼ばれる。これは立方晶系、空間群Fd 3 m (No. 227、ピアソン記号 cF104 ) にある。^[8]これはダイヤモンド構造であるが、ダイヤモンドの炭素原子がある場所にケイ素と酸素の連結した四面体がある。α-クリストバライトと呼ばれるキラルな 四面体形態 (空間群は P4 ₁ 2 ₁ 2、No. 92、^[9]または P4 ₃ 2 ₁ 2、No. 96、ランダム) は、常圧で約 250 °C 以下に冷却すると発生し、骨格内のシリカ四面体の静的傾斜によって立方形態に関連付けられる。この遷移は、低-高遷移または遷移とさまざまに呼ばれる。つまり、急速冷却によって立方晶 β 形が正方晶になるのを防ぐことは一般に不可能です。まれな状況では、結晶粒子が、遷移に伴うかなりの自発的歪みを許容しないマトリックスに固定されている場合、立方晶形が保存されることがあります。この歪みは結晶の形状の変化を引き起こします。この遷移は非常に不連続です。α 形から β 形に移行すると、体積が 3 ^[10]または 4 ^[11]パーセント増加します。正確な遷移温度はクリストバライト サンプルの結晶度に依存し、結晶度自体は特定の温度でアニールされた時間などの要因に依存します。 ${\displaystyle \alpha {-}\beta }$

立方晶 β 相は、動的に無秩序なシリカ四面体で構成されています。四面体はほぼ規則的なままで、剛性単位モードと呼ばれる低周波フォノンのクラスの作用により、理想的な静的方向からずれています。これらの剛性単位モードの 1 つが「凍結」すると、α-β 遷移のソフト モードになります。

β-クリストバライトには、3 つの軸すべてに平行な四面体 (またはシリコン原子) の右巻きおよび左巻きのらせんがあります。ただし、α-β 相転移では、1 つの方向の右巻きまたは左巻きのらせんのみが保存されます (もう 1 つは 2 倍のらせん軸になります)。そのため、3 つの縮退した立方結晶軸のうち 1 つだけが、正方晶の形で 4 倍の回転軸 (実際にはらせん軸) を保持します。(その軸は「c」軸になり、新しい「a」軸は他の 2 つの古い軸と比較して 45° 回転します。新しい「a」格子パラメータはおよそ 2 の平方根だけ短いため、α 単位格子には 8 個ではなく 4 個のシリコン原子のみが含まれます。) 軸の選択は任意であるため、同じ粒子内でさまざまな双晶が形成される可能性があります。これらの異なる双晶配向と遷移の不連続性（体積とわずかな形状の変化）が組み合わさると、耐火レンガなど、クリストバライトが存在し、遷移温度を繰り返し通過する材料にかなりの機械的損傷を引き起こす可能性があります。

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  β-クリストバライトの理想化されたモデル。角結合したSi O ₄四面体を示しています。白い正方形の半分の中心には右巻きの 4 倍のねじ軸があり、残りの半分の中心には左巻きのねじ軸があります。この投影では、軸に平行な滑走面と対角線上の鏡像が見られます。実際には、四面体は常に揺れています。
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  101方向から見たβ-クリストバライト
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  α-クリストバライトのしわくちゃの骨格は、四面体の静的傾斜によって β 型と関連しています。この図は、前の図の 101 方向に沿った図に相当しますが、図の「b」軸が水平になっています。2 倍のねじ軸は、ここでは、白い領域の中央とほぼ重なり合った酸素原子のペアの間を通る 2 倍の回転軸として表示されます。
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  α-クリストバライトの単位格子。赤い球は酸素原子です。ここでは、らせん状の 5 つのシリコン原子 (最初と最後は格子内の同等の原子) が「c」方向 (ページ内) に伸びています。水平軸と垂直軸は「a」軸です。
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  β-クリストバライトの単位格子。赤い球は酸素原子です。

クリストバライトは、米国カリフォルニア州の モントレー層や同様の地域の酸性火山岩や転化した珪藻土堆積物中に、白色の八面体または球晶として産出されます。

貴石オパールを構成するマイクロメートルスケールの球体は、クリストバライトに似たX線回折パターンを示すが、長距離秩序がないため、真のクリストバライトとはみなされない。さらに、オパールには構造水が存在するため、オパールがクリストバライトで構成されているかどうかは疑わしい。^{[12] [13]}

クリストバライトは、火山ガラスである 雪片黒曜石の白い含有物として見られます。

• アメリカ地質学会地質学用語辞典。
• Durham, DL、「モントレー層: 続成作用」。『カリフォルニア州モントレー層のウラン』。米国地質調査所紀要 1581-A、1987 年。
• 鉱物学および地球化学のレビュー、第29巻、「シリカ：挙動、地球化学および物理的応用」アメリカ鉱物学会、1994年。
• RB ソスマン『シリカの相』（ラトガース大学出版、1965 年）

• 国際化学物質安全性カード 0809