Polymorf (kristallografie)

Polymorf, van het Grieks: veelvormig, is een begrip in de kristallografie, waarvan de definitie ervan afhangt dat die over één stof of over twee verschillende stoffen gaat, die met elkaar worden vergeleken.

Polymorfie ten aanzien van een enkele enkelvoudige of samengestelde stof in de vaste aggregatietoestand duidt op de eigenschap dat die stof zich in fasen kan voordoen, die in kristalstructuur van elkaar verschillen.^[1] Kwarts komt zowel met een trigonaal als met een hexagonaal kristalstelsel voor, dus is een polymorf mineraal.
Polymorfie voor twee verschillende stoffen betekent dat zij dezelfde molecuulformule hebben, maar dat zij erin verschillen dat zij een verschillende kristalstructuur hebben of dat een van de twee een kristalstructuur heeft en de ander amorf is. Chalcedoon en opaal zijn polymorf. Ze hebben allebei de molecuulformule SiO₂·nH₂O, dus zijn allebei een siliciumdioxide. Chalcedoon heeft een trigonaal kristalstelsel, maar opaal is amorf.

Verschillende kristalstructuren

De kristallijne structuur van een gegeven stof in de vaste aggregatietoestand hangt in de eerste plaats af van de chemische binding die de betreffende stof kenmerkt: een atomaire, moleculaire, ionaire of een metaalbinding. De kristalstructuur van een gegeven kristallijne stof verandert daarnaast door wijzigingen van temperatuur en druk. Van een kristallijne stof die uit dezelfde enkelvoudige of samengestelde stof is opgebouwd kunnen zo tot tientallen vormen voorkomen, die in natuurkundig en macroscopisch opzicht zeer van elkaar verschillen, terwijl zij toch dezelfde molecuulformule hebben.^[1]

Iedere polymorfe vorm van een gegeven stof heeft een bepaalde thermodynamische stabiliteit. Welke fase van de gegeven stof stabiel is bij een bepaalde temperatuur en druk is af te lezen in het fasediagram van de bewuste stof. De thermodynamisch stabiele polymorfe vorm heeft bij gegeven temperatuur en druk de energetisch gunstigste oriëntatie van de moleculen, ionen of atomen ten opzichte van elkaar, dus komt veel meer dan de metastabiele vormen voor.

Met verschillende analysetechnieken zoals DDC, poederdiffractie en röntgenkristallografie kunnen verschillende kristalstructuren worden bepaald.

Allotropie

Een voorbeeld van twee polymorfe vormen van koolstof zijn grafiet en diamant. Diamant heeft een kubisch kristalstelsel en grafiet een hexagonaal kristalstelsel. In dit specifieke geval wordt ook wel van allotropie gesproken, omdat het hier polymorfe vormen van een enkelvoudige stof betreft. Allotropie is dus een soort polymorfie.^[1]

Siliciumdioxide

Een voorbeeld van polymorfie bij een samengestelde stof is siliciumdioxide of silica, dat in de natuur voorkomt als bijvoorbeeld coesiet, cristobaliet, keatiet, kwarts en tridymiet. Deze natuurlijk voorkomende mineralen hebben ieder op macroscopisch niveau een verschillende kristalvorm en ze verschillen ook in fysische eigenschappen als hardheid van elkaar. Ze bestaan daarentegen in chemisch opzicht allemaal uit silicium en zuurstof: SiO₂.^[1]