晶體和晶體的基本性質(zhì)

1、結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué) Crystallography and Mineralogy 課程簡(jiǎn)介：課程簡(jiǎn)介： 結(jié)晶學(xué)：以晶體為研究對(duì)象，主要研究晶體的對(duì)稱規(guī)結(jié)晶學(xué)：以晶體為研究對(duì)象，主要研究晶體的對(duì)稱規(guī) 律。研究的是晶體的共同規(guī)律，不涉及到具體的晶體律。研究的是晶體的共同規(guī)律，不涉及到具體的晶體 種類。種類。 特點(diǎn)：空間性、抽象性、邏輯性、理性、共性特點(diǎn)：空間性、抽象性、邏輯性、理性、共性 礦物學(xué)：以礦物晶體為研究對(duì)象，主要研究各具體礦物學(xué)：以礦物晶體為研究對(duì)象，主要研究各具體 礦物晶體的成分、物理性質(zhì)、成因特點(diǎn)等。礦物晶體的成分、物理性質(zhì)、成因特點(diǎn)等。 特點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)性、具體性、歸納分類性、

2、感性、個(gè)性特點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)性、具體性、歸納分類性、感性、個(gè)性 分支學(xué)科：分支學(xué)科： v幾何結(jié)晶學(xué)研究晶體宏觀形態(tài)幾何規(guī)律，主要幾何結(jié)晶學(xué)研究晶體宏觀形態(tài)幾何規(guī)律，主要 是對(duì)稱規(guī)律。是對(duì)稱規(guī)律。 v晶體結(jié)構(gòu)學(xué)研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何規(guī)律及缺陷。晶體結(jié)構(gòu)學(xué)研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何規(guī)律及缺陷。 v晶體化學(xué)研究晶體成分與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。晶體化學(xué)研究晶體成分與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 v晶體生長(zhǎng)學(xué)研究晶體生長(zhǎng)機(jī)理及其影響因素。晶體生長(zhǎng)學(xué)研究晶體生長(zhǎng)機(jī)理及其影響因素。 v晶體物理學(xué)研究晶體物理性質(zhì)及其產(chǎn)生機(jī)理。晶體物理學(xué)研究晶體物理性質(zhì)及其產(chǎn)生機(jī)理。 本課程以晶體形態(tài)對(duì)稱規(guī)律及晶體本課程以晶體形態(tài)對(duì)稱規(guī)律及晶體 內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)稱規(guī)律為主，

3、簡(jiǎn)介晶體化學(xué)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)稱規(guī)律為主，簡(jiǎn)介晶體化學(xué) 與晶體生長(zhǎng)。與晶體生長(zhǎng)。 第一章第一章 晶體與晶體的基本性質(zhì)晶體與晶體的基本性質(zhì) 1.晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。 2.空間格子的概念，空間格子要素。 3.晶體的基本性質(zhì)。 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 石英（Quartz） 什么是晶體？什么是晶體？ 1.1.晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。 電氣石(Tourmaline) 鉬鉛礦(Wulfenite) 鉻鉛礦（Crocoite ） 人們常見(jiàn)的晶體有水晶、石鹽、水晶、石鹽、 蔗糖蔗糖等，在一般人的心目中就認(rèn)為晶 體就像水晶和石鹽那樣，具有規(guī)則的 幾何多面體形狀。 具有格子構(gòu)造的固

4、體具有格子構(gòu)造的固體, , 或內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在或內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在 三維空間成周期性重復(fù)排列的固體。三維空間成周期性重復(fù)排列的固體。 homogeneous solid containing homogeneous solid containing long-range order in three dimensional long-range order in three dimensional space. space. 1.1.晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。 石鹽的晶體結(jié)構(gòu) 研究表明， 數(shù)以千計(jì)的不同 種類晶體盡管各 種晶體的結(jié)構(gòu)各 不相同，但都具 有格子狀構(gòu)造， 這是一切晶

5、體的 共同屬性。 1.1.晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。 石英石英 玻璃玻璃 -石英的內(nèi)部結(jié)構(gòu)石英的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 綠球代表綠球代表Si4+,紅球代表紅球代表O2- 玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 非晶質(zhì)體：非晶質(zhì)體：與晶體結(jié)構(gòu)相反，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)不作周 期性的重復(fù)排列的固體，即稱為非晶質(zhì)體非晶質(zhì)體。 準(zhǔn)晶體準(zhǔn)晶體(quasi-crystal):(quasi-crystal): 具有準(zhǔn)周期格子構(gòu)造的具有準(zhǔn)周期格子構(gòu)造的 固體。準(zhǔn)周期構(gòu)造不同于晶體中的平移周期固體。準(zhǔn)周期構(gòu)造不同于晶體中的平移周期, 但但 具有自相似性具有自相似性 (放大或縮小放大或縮小) 。準(zhǔn)晶體的質(zhì)點(diǎn)排列雖。

6、準(zhǔn)晶體的質(zhì)點(diǎn)排列雖 具有長(zhǎng)程有序，但不體現(xiàn)平移的周期重復(fù)，即不存具有長(zhǎng)程有序，但不體現(xiàn)平移的周期重復(fù)，即不存 在格子構(gòu)造。在格子構(gòu)造。 具五次對(duì)稱軸定向長(zhǎng)程有序但無(wú)重復(fù)周期的圖形 ：具有格子構(gòu)造的固體：具有格子構(gòu)造的固體, 或內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三或內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三 維空間成周期性重復(fù)排列的固體。維空間成周期性重復(fù)排列的固體。 非晶質(zhì)體：非晶質(zhì)體：與晶體結(jié)構(gòu)相反，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)不作周與晶體結(jié)構(gòu)相反，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)不作周 期性的重復(fù)排列的固體，即稱為期性的重復(fù)排列的固體，即稱為非晶質(zhì)體非晶質(zhì)體。 2.空間格子的概念 v一切晶體都具有格子構(gòu)造，尋找其格子構(gòu)造 的規(guī)律便引出空間格子的概念。 晶體 （遠(yuǎn)古年代的定義：遠(yuǎn)古年代的

7、定義：自發(fā)形成規(guī)則形態(tài)的物體；自發(fā)形成規(guī)則形態(tài)的物體； 現(xiàn)代的定義：內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有周期重復(fù)性，即具有現(xiàn)代的定義：內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有周期重復(fù)性，即具有 格子構(gòu)造格子構(gòu)造 的物體。）的物體。） 格子構(gòu)造（晶體結(jié)構(gòu)的周期重復(fù)規(guī)律，這種規(guī)律是可以晶體結(jié)構(gòu)的周期重復(fù)規(guī)律，這種規(guī)律是可以 用格子狀的圖形用格子狀的圖形空間格子空間格子表示的。表示的。） 空間格子（表示晶體結(jié)構(gòu)周期重復(fù)規(guī)律的簡(jiǎn)單幾何圖形（表示晶體結(jié)構(gòu)周期重復(fù)規(guī)律的簡(jiǎn)單幾何圖形 要畫(huà)出空間格子，就一定要找出要畫(huà)出空間格子，就一定要找出相當(dāng)點(diǎn)相當(dāng)點(diǎn)。）。） 相當(dāng)點(diǎn)相當(dāng)點(diǎn) （兩個(gè)條件：兩個(gè)條件：1 1、性質(zhì)相同，、性質(zhì)相同，2 2、周圍環(huán)境相同。）、周圍環(huán)

8、境相同。） 2.空間格子的概念 v相當(dāng)點(diǎn) 兩個(gè)條件：1.性質(zhì)相同，2.周圍環(huán)境相同。 2.空間格子的概念 導(dǎo)出空間格子的方法： 首先在晶體結(jié)構(gòu)中找出首先在晶體結(jié)構(gòu)中找出相當(dāng)點(diǎn)相當(dāng)點(diǎn)，再將相當(dāng)點(diǎn)按照，再將相當(dāng)點(diǎn)按照 一定的規(guī)律連接起來(lái)就形成了空間格子。一定的規(guī)律連接起來(lái)就形成了空間格子。 2.空間格子的概念 v空間格子：由相當(dāng)點(diǎn)排列而成的幾何圖形， 它反映晶體質(zhì)點(diǎn)排列的規(guī)律性。 v空間格子為無(wú)限圖形。 圖圖2-3空間格子的一般形狀空間格子的一般形狀 2.空間格子的概念 v空間格子要素 v1.結(jié)點(diǎn)：空間格子中的點(diǎn)，代表晶體構(gòu)造中 的等同點(diǎn)。 v2.行列：結(jié)點(diǎn)在直線上的排列?？臻g格子中 任意兩結(jié)點(diǎn)連

9、接方向就是一條行列，行列中 相鄰結(jié)點(diǎn)間的距離稱為結(jié)點(diǎn)間距。同一行列 方向上結(jié)點(diǎn)間距相等；不同方向的行列，其 結(jié)點(diǎn)間距一般不等。 2.空間格子的概念 v3.面網(wǎng)：結(jié)點(diǎn)在平面上的分布。 v空間格子中任意兩個(gè)相交的行列可確定一個(gè) 面網(wǎng)。單位面積面網(wǎng)上結(jié)點(diǎn)的數(shù)目稱為面網(wǎng) 密度。任意兩相鄰面網(wǎng)間的垂直距離稱為面 網(wǎng)間距。 v 相互平行的面網(wǎng)間面網(wǎng)密度相等，其面網(wǎng)間距也 相等，不相平行的一般不等，且面網(wǎng)密度大的面網(wǎng) 間距大，反之，網(wǎng)密度小的面網(wǎng)間距小。 d1 d2 d3 2.空間格子的概念 4.平行六面體：空間格子中的最小單位體積。 v空間格子可以被看成是由無(wú)數(shù)個(gè)平行六面 體在三維空間無(wú)間隙地重復(fù)堆疊而成

10、。 a b c 平行六面體對(duì)應(yīng)的實(shí)際晶體中相應(yīng)的范圍叫平行六面體對(duì)應(yīng)的實(shí)際晶體中相應(yīng)的范圍叫晶胞。晶胞。 2.空間格子的概念 NaCl晶胞晶胞 金紅石晶胞金紅石晶胞 3.晶體的基本性質(zhì)晶體的基本性質(zhì) 3.晶體的基本性質(zhì) v我們將一切晶體所共有的，并且由晶體的格子構(gòu)造 所決定的性質(zhì)，稱為晶體的基本性質(zhì)。 v1.自限性: 晶體能夠自發(fā)地生長(zhǎng)成規(guī)則的幾 何多面體形態(tài)。 3.晶體的基本性質(zhì) v2.均一性:同一晶體的不同部分物理化學(xué)性質(zhì)完全相 同。 v可以用數(shù)學(xué)公式來(lái)表示可以用數(shù)學(xué)公式來(lái)表示, , 設(shè)在晶體的設(shè)在晶體的x x處和處和x x + + x x處取得小處取得小 晶體晶體, , 則則 F F(

11、(x x) ) F F ( (x x + + x x) ) 此處此處F F表示化學(xué)組成和性質(zhì)等物理量度。表示化學(xué)組成和性質(zhì)等物理量度。 非晶質(zhì)體非晶質(zhì)體也具有其均一性，但由于非晶質(zhì)體的質(zhì)點(diǎn)排列也具有其均一性，但由于非晶質(zhì)體的質(zhì)點(diǎn)排列 不具有格子構(gòu)造，所以其均一性是統(tǒng)計(jì)的、平均近似的均一，不具有格子構(gòu)造，所以其均一性是統(tǒng)計(jì)的、平均近似的均一， 稱為稱為統(tǒng)計(jì)均一性統(tǒng)計(jì)均一性；而；而晶體晶體的均一性是取決于其格子構(gòu)造的，的均一性是取決于其格子構(gòu)造的， 稱為稱為結(jié)晶均一性結(jié)晶均一性。 3.晶體的基本性質(zhì) v3.異向性：同一晶體不同方向具有不同的物理性質(zhì)。 v例如：藍(lán)晶石的不同方向上硬度不同：例如：藍(lán)晶

12、石的不同方向上硬度不同： v思考：思考：均一性與異向性有矛盾嗎？均一性與異向性有矛盾嗎？ 3.晶體的基本性質(zhì) 4.對(duì)稱性：同一晶體中，晶體形態(tài)相同的幾個(gè) 部分（或物理性質(zhì)相同的幾個(gè)部分）有規(guī)律 地重復(fù)出現(xiàn)。例如下面的晶體形態(tài)是對(duì)稱的： 3.晶體的基本性質(zhì) 5.最小內(nèi)能性：晶體與同種物質(zhì)的非晶體相比， 內(nèi)能最小。 內(nèi)能 = 動(dòng)能 + 勢(shì)能 質(zhì)點(diǎn)在平衡點(diǎn) 質(zhì)點(diǎn)間相對(duì) 周圍作無(wú)規(guī)則 位置所產(chǎn)生 振動(dòng)的能量 能量 3.晶體的基本性質(zhì) 6.穩(wěn)定性：在相同的熱力學(xué)條件下，具有相同化學(xué) 成分的晶體和非晶質(zhì)體相比，晶體是穩(wěn)定的，而非 晶質(zhì)體是不穩(wěn)定的。 對(duì)于化學(xué)成分相同的物質(zhì)，以不同的物理狀態(tài) 存在時(shí)，其中以

13、結(jié)晶狀態(tài)最為穩(wěn)定。這一性質(zhì)與晶 體的內(nèi)能最小是吻合的。在沒(méi)有外加能量的情況下， 晶體是不會(huì)自發(fā)地向其它物理狀態(tài)轉(zhuǎn)變的。 3.晶體的基本性質(zhì) v穩(wěn)定性 晶體與非晶體加熱曲線晶體與非晶體加熱曲線 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律晶面發(fā)育的一般規(guī)律 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 v 自然界產(chǎn)生的晶體，絕大部分是從液體 中結(jié)晶出來(lái)的，在液體中晶體的生長(zhǎng)，首先 是由于溫度降低，液體達(dá)到過(guò)飽和產(chǎn)生晶芽， 一旦晶芽形成后，就形成了晶液界面，在 界面上就要進(jìn)行生長(zhǎng)，即組成晶體的原子、 離子要按照晶體結(jié)構(gòu)的排列方式堆積起來(lái)形 成晶體。 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 v1層生長(zhǎng)理論模型（科塞爾理論模型） （Kossel 1927）晶體

14、在理想情況下生長(zhǎng) 時(shí)，先長(zhǎng)一條行列，然后長(zhǎng)相鄰的行列； 在長(zhǎng)滿一層面網(wǎng)后，再開(kāi)始長(zhǎng)第二層面 網(wǎng)；晶面（最外面的面網(wǎng)）是平行向外 推移而生長(zhǎng)的。 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 這一模型要討論的關(guān)鍵問(wèn)題是：在一個(gè)正 在生長(zhǎng)的晶面上尋找出最佳生長(zhǎng)位置，有平 坦面、兩面凹角位、三面凹角位。其中平坦 面只有一個(gè)方向成鍵，兩面凹角有兩個(gè)方向 成鍵，三面凹角有三個(gè)方向成鍵，見(jiàn)圖： 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 v如圖，最佳生長(zhǎng)位置是三如圖，最佳生長(zhǎng)位置是三 面凹角位，其次是兩面凹面凹角位，其次是兩面凹 角位，最不容易生長(zhǎng)的位角位，最不容易生長(zhǎng)的位 置是平坦面。置是平坦面。 v這樣，最理想的晶體生長(zhǎng)這樣，最理想的晶體生長(zhǎng)

15、 方式就是方式就是:先在三面凹角先在三面凹角 上生長(zhǎng)成一行，以至于三上生長(zhǎng)成一行，以至于三 面凹角消失，再在兩面凹面凹角消失，再在兩面凹 角處生長(zhǎng)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，以形角處生長(zhǎng)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，以形 成三面凹角，再生長(zhǎng)一行，成三面凹角，再生長(zhǎng)一行， 重復(fù)下去。重復(fù)下去。 看動(dòng)畫(huà) 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 層生長(zhǎng)理論可解釋如下一些現(xiàn)象： 1晶體常生長(zhǎng)成面平、棱直的多面體形態(tài)。 2在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，環(huán)境會(huì)有變化，不同時(shí) 刻生成的晶體在物理性質(zhì)和成分等方面可能有 細(xì)微的變化，因而在晶體的端面上常常可以看 到帶狀構(gòu)造，晶面是平行向外推移生長(zhǎng)的。 3由于晶面是平行向外推移生長(zhǎng)的，所以同種 礦物不同晶體上對(duì)應(yīng)晶面間的夾角不

16、變。 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 120o 120o 120o120o120o 120o 120o 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 晶面、晶棱、角頂與面網(wǎng)、行列、節(jié)點(diǎn)的關(guān)系晶面、晶棱、角頂與面網(wǎng)、行列、節(jié)點(diǎn)的關(guān)系 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 v2.2.布拉維法則布拉維法則 晶體上的實(shí)際晶面往往平行于面網(wǎng)密度大的面晶體上的實(shí)際晶面往往平行于面網(wǎng)密度大的面 網(wǎng)網(wǎng) 。 為什么？為什么？ 面網(wǎng)密度大面網(wǎng)密度大面網(wǎng)間距大面網(wǎng)間距大對(duì)生長(zhǎng)質(zhì)點(diǎn)吸引力對(duì)生長(zhǎng)質(zhì)點(diǎn)吸引力 小小生長(zhǎng)速度慢生長(zhǎng)速度慢 生長(zhǎng)速度慢生長(zhǎng)速度慢在晶形上保留在晶形上保留 生長(zhǎng)速度快生長(zhǎng)速度快尖尖 滅滅 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 看動(dòng)畫(huà) 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律

17、 v3.3.面角守恒定律面角守恒定律 同種晶體雖然它們的形狀和大小可各不 相同，但它們之間各相對(duì)應(yīng)的晶面夾角是相 等的，由此提出了面角守恒定律：在相同的 溫度、壓力條件下，成分和構(gòu)造相同的所有 晶體，其對(duì)應(yīng)晶面的夾角恒等。 面角是指晶面法線之間的夾角。 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 120o 120o 120o120o120o 120o 120o 4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律 v面角守恒定律的發(fā)現(xiàn)，對(duì)結(jié)晶學(xué)的發(fā)展起到 了深遠(yuǎn)的影響: v1.使人們能從實(shí)際晶體各種變化的形態(tài)中， 找到它們?cè)谕庑紊纤逃械幕疽?guī)律，得以 根據(jù)面角關(guān)系來(lái)恢復(fù)晶體的理想形態(tài)，從而 奠定了幾何結(jié)晶學(xué)的基礎(chǔ)。 v2.通過(guò)晶體測(cè)角，可鑒定出該晶體的種別。 下面的問(wèn)題請(qǐng)同學(xué)們思考并討論：下面的問(wèn)題請(qǐng)同學(xué)們思考并討論： 1) 非晶體（玻璃）的定義及特點(diǎn)？非晶體（玻璃）的定義及特點(diǎn)？ （遠(yuǎn)程規(guī)律與近程規(guī)律）（遠(yuǎn)程規(guī)律與近程規(guī)律） 2) 液體、氣體的結(jié)構(gòu)具有什么規(guī)律？液體、氣體的結(jié)構(gòu)具有什么規(guī)律？ 3) 晶體與非晶體的轉(zhuǎn)化？晶體與非晶體的轉(zhuǎn)化？ 4) 準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)及定義：準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)及定義： 1984年發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，年發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象， 具有遠(yuǎn)程規(guī)律但沒(méi)有重具有遠(yuǎn)程規(guī)律但沒(méi)有重 復(fù)周期。這是什么意思復(fù)周期。這是什么意思 呢？呢？ 5) 準(zhǔn)晶體與晶體、非晶體準(zhǔn)晶體與晶體、非晶體 的關(guān)系？的關(guān)系？ 本章重點(diǎn)總結(jié)：本章重點(diǎn)總結(jié)： 本章