晶體和非晶質(zhì)體

晶體和非晶質(zhì)體第1頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月參考資料：《結(jié)晶學及礦物學》潘兆櫓地質(zhì)出版社《結(jié)晶化學導論》錢逸泰中科大出版社第2頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論一、結(jié)晶學與結(jié)晶化學

以晶體為研究對象的一門自然科學研究：晶體發(fā)生、生成、物化性質(zhì)、外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制備、結(jié)構(gòu)、化學組成及性質(zhì)之間的關(guān)系

第3頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月研究對象－晶體食鹽冰糖雪花鉆石紅寶石藍寶石第4頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月二、研究內(nèi)容幾何結(jié)晶學研究晶體外形的幾何規(guī)律晶體生長學研究晶體發(fā)生、成長機理、控制和影響生長的因素及晶體的人工合成晶體結(jié)構(gòu)學研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點的排布規(guī)律及結(jié)構(gòu)缺陷晶體化學研究晶體的化學成分與結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

(物理化學性質(zhì))之間的關(guān)系晶體物理學研究晶體的物理性質(zhì)及產(chǎn)生機制第5頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月三、結(jié)晶學與其它學科關(guān)系1、與礦物學的關(guān)系2、與基礎學科－數(shù)學、物理學、化學的關(guān)系3、與應用技術(shù)科學部門－有的直接以晶體為研究對象：選礦學、陶瓷工藝學、水泥工藝學、玻璃工藝學；－有的直接應用晶體作為核心部件，如半導體、超聲波、激光技術(shù)等技術(shù)領域。第6頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）材料制品大多是晶體或由結(jié)晶體所組成的。

4、結(jié)晶學是材料學科的理論基礎

①金屬材料：純金屬、合金、金屬化合物、金屬鑄件基本都是晶體集合體②無機非金屬材料：除玻璃制品外，可分為兩類單晶材料：單晶硅、水晶、金剛石、紅寶石等多晶材料：陶瓷、水泥熟料、耐火材料等第7頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）工業(yè)原料主要組成是晶體。①天然礦石原料：無機非金屬材料工業(yè)的所用天然礦石原料也都以結(jié)晶相為主要成分。

水泥工業(yè)常用石灰?guī)r、大理巖、鋁礬土、石英、螢石等作原料。玻璃工業(yè)常用長石、石英、芒硝、純堿、大理巖、石灰石等作原料．耐火材料工業(yè)常用菱鎂礦、白云巖、粘土巖、鋁土礦等作為原料。陶瓷工業(yè)上，石英、長石、粘土礦物等作為原料第8頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

②化工原料：天然礦石經(jīng)加工或提取獲得，主要用來制造新型無機材料，或作為硅酸鹽制品得輔助原料。如：電子陶瓷主要應用的化工原料，如鈦白粉(TiO2)、氧化鉛(PbO)等，它們都是晶體。③工業(yè)廢渣和工業(yè)尾礦：可作為無機非金屬材料工業(yè)的原料。如：水泥工業(yè)大量使用的礦渣、粉煤灰、煤渣等。這些也主要由晶體組成。第9頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）指導材料制品的研制和開發(fā)應用

A、金剛石，石墨

B、Al2O3+Cr硬度、耐磨

C、微晶玻璃第10頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月四、課程特點及性質(zhì)性質(zhì)：非金屬專業(yè)重要專業(yè)基礎課。學習材料學、硅酸鹽工藝學及材料現(xiàn)代分析測試方法等課程提供必需的晶體學基礎應用于材料的生產(chǎn)及研制利用.所以又具有專業(yè)課的性質(zhì)。特點：抽象性、空間性、共性第11頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月五、課程教學內(nèi)容一、晶體及非晶體二、晶體的宏觀對稱三、晶體定向與結(jié)晶符號四、單形和聚形五、晶體生長六、晶體的規(guī)則連生七、晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀特征八、晶體化學本課程以晶體形態(tài)對稱規(guī)律及晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對稱規(guī)律為主，簡介晶體化學與晶體生長。第12頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章

晶體及非晶體主要內(nèi)容

晶體概念

空間格子的概念、空間格子的要素

非晶體概念、準晶態(tài)的含義晶體的基本性質(zhì)第13頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月石英最早發(fā)現(xiàn)石英晶體有這樣一些特征：是一種固體，有棱有角，有規(guī)則的幾何外形遠古年代的定義：天然具有規(guī)則幾何外形的固體§1.1晶體的概念

第14頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體內(nèi)部質(zhì)點有序性的證明：1912年德國科學家勞厄用晶體作光柵，使X射線產(chǎn)生衍射，證明晶體內(nèi)部質(zhì)點是有序排列的1914年英國科學家布拉格父子用各種各樣的晶體作大量的衍射實驗三位科學家研究成果揭示了一切晶體皆具有格子構(gòu)造的秘密氯化鈉內(nèi)部質(zhì)點排列第15頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶體的定義：晶體是內(nèi)部質(zhì)點（分子、原子或離子）在三維空間成周期性重復排列的固體?；蛘哒f，晶體是具有格子構(gòu)造的固體。氯化鈉氯化鈉內(nèi)部質(zhì)點排列第16頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體分單晶和多晶兩類單晶指的是單晶體，主要是天然的礦物晶體和人造的晶體材料，如：天然的水晶、長石、螢石和人造的云母、單晶硅、金剛石、紅寶石等；多晶則是由無數(shù)顆細小的單晶體聚合而成的，如金屬，土壤，粉末試劑等。第17頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月單晶和多晶冰糖單晶冰糖多晶石英單晶石英晶簇第18頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2空間格子1、空間格子的定義表示晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點重復排列規(guī)律的幾何圖形NaCl第19頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月相當點(等同點)：在晶體結(jié)構(gòu)中的種類相同，分布位置或周圍環(huán)境也相同的一類點相當點必須具備的兩個條件點的內(nèi)容（或種類)相同點周圍環(huán)境相同第20頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)晶體平面結(jié)構(gòu)(b)相當點(c)空間格子導出空間格子的方法：

首先在晶體結(jié)構(gòu)中找出相當點，再將相當點按照一定的規(guī)律連接起來就形成了空間格子。例1第21頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月空間格子推導晶體平面結(jié)構(gòu)中多套相當點及空間格子

第22頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體結(jié)構(gòu)中等同點的分布（A）空間格子推導例2相當點（B）第23頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月氯化鈉的晶體結(jié)構(gòu)(a)(b)與空間格子(c)(a)(b)(c)第24頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月CsCl的晶體結(jié)構(gòu)與空間格子第25頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：空間格子與具體的晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別具體的晶體結(jié)構(gòu)是多種原子、離子組成的，使得其重復規(guī)律不容易看出來，而空間格子就是使其重復規(guī)律突出表現(xiàn)出來?？臻g格子僅僅是一個體現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)中的周期重復規(guī)律的幾何圖形，比具體晶體結(jié)構(gòu)要簡單的多。第26頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月注意:實際晶體中，結(jié)點的位置由同種質(zhì)點所占據(jù)，但同種質(zhì)點卻并不一定只占據(jù)同一套結(jié)點金紅石晶體結(jié)構(gòu)平面示意圖性質(zhì)：不代表任何質(zhì)點,它只具有幾何意義，為幾何點(1)結(jié)點：空間格子中的點,代表晶體結(jié)構(gòu)中的相當點。2、空間格子要素第27頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)行列:結(jié)點在直線上的排列稱為行列?？臻g格子中任何兩結(jié)點聯(lián)結(jié)起來就是一條行列的方向

空間格子中的行列

第28頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)點間距:行列中相鄰兩結(jié)點之間的距離

性質(zhì):

同一行列中結(jié)點間距相等，

平行行列中結(jié)點間距不變第29頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)面網(wǎng):結(jié)點在平面上的分布

空間格子中不在同一行列上的三個結(jié)點可構(gòu)成一面網(wǎng)。任意兩相交行列決定一個面網(wǎng)?？臻g格子中的面網(wǎng)

第30頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月面網(wǎng)密度：面網(wǎng)單位面積內(nèi)的結(jié)點數(shù)。面網(wǎng)間距：一個空間格子中任意兩相鄰平行面網(wǎng)之間的垂直距離。在一個空間格子中平行面網(wǎng)的面網(wǎng)密度與面網(wǎng)間距相等。而不平行的面網(wǎng)之間，面網(wǎng)間距和面網(wǎng)密度一般不等。面網(wǎng)間距較大者面網(wǎng)密度也較大。？第31頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月ABCB’A’C’b0d1d2d3面網(wǎng)密度與面網(wǎng)間距關(guān)系β1β2β3面網(wǎng)間距較大者面網(wǎng)密度也較大第32頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)平行六面體:空間格子的最小單位。

平行六面體由六個兩兩平行的面網(wǎng)組成，結(jié)點分布于角頂上，平行六面體的三個棱長，是三條相應行列的結(jié)點間距?？臻g格子可看作是無數(shù)個平行六面體在三維空間毫無間隙地重復堆疊而成。

第33頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月空間格子中平行六面體對應晶體結(jié)構(gòu)中的晶胞平行六面體可具有各種不同的形狀，各種形狀的平行六面體的晶胞參數(shù)不同我們以后將會看到，平行六面體的形狀一共有7種，對應有7套晶胞參數(shù)的形式，也對應7個晶系。第34頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

(a)晶體（b）玻璃（非晶體）定義：物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點在三維空間無規(guī)律排列，即不具格子構(gòu)造的固體稱為非晶體。§1.3非晶體近程規(guī)律，遠程規(guī)律近程規(guī)律第36頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體與非晶質(zhì)體的區(qū)別可從形態(tài)和物性等方面考慮：比如：1)非晶體沒有一定的外形

2）非晶體各向同性

3）非晶質(zhì)體加熱時逐漸軟化，無定熔點。

第37頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體與非晶體在一定條件下是可以互相轉(zhuǎn)化的晶化（crystallizing）內(nèi)部質(zhì)點進行著很緩慢的擴散、調(diào)整，趨于規(guī)則排列，即由非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)。這一過程可以自發(fā)進行。非晶化（noncrystallizing）晶體也可因內(nèi)部質(zhì)點的規(guī)則排列遭到破壞而轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)。這個過程稱為非晶化一般需要外能。第38頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶體實例松香瀝青橡膠塑料第39頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月準晶態(tài)或準晶體

1984年在電子顯微鏡研究中，發(fā)現(xiàn)了一種新的物態(tài)，其內(nèi)部質(zhì)點排列具有遠程規(guī)律，但沒有平移周期，即不具格子構(gòu)造。右圖就是一種具有遠程規(guī)律，但沒有平移周期的圖形，這種物態(tài)是介于晶體與非晶體之間的一種狀態(tài)，人們稱之為準晶態(tài)或準晶體（quasicrystal

具有遠程規(guī)律但沒有平移周期的圖形

第40頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.4晶體的基本性質(zhì)1、自限性（自范性）晶體在適當條件（能自由生長）下，可以自發(fā)形成規(guī)則幾何多面體。釩鉛礦六方柱晶體磁鐵礦八面體晶體第41頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的多面體形態(tài)，是其格子構(gòu)造在外形上的直接反映。晶面、晶棱與角頂分別與格子構(gòu)造中的面網(wǎng)、行列及結(jié)點相對應。第42頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2、（結(jié)晶）均一性同一晶體的各個不同部分具有相同的性質(zhì)因為晶體的具有格子構(gòu)造的固體，在晶體的各個不同部分質(zhì)點的分布與排列都是一樣的注意:非晶體也具有均一性(統(tǒng)計均一性)第43頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3、異向性（各向異性）

晶體的性質(zhì)因觀測方向不同而有差異。黑云母－解理石墨-解理第44頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月AB

晶體為什么具有異向性

這是因為晶體在不同的方向上質(zhì)點的排列方式不同而決定的。第45頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)

氯化鈉思考：均一性與異向性有矛盾嗎？異向性與自限性有什么聯(lián)系?第46頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月4、對稱性晶體中相同部分（晶面、晶棱、角頂）或性質(zhì)（物理化學性質(zhì)）在不同方向或位置上有規(guī)律地重復出現(xiàn)。

晶體的宏觀對稱是由晶體內(nèi)部格子構(gòu)造的對稱性所決定

第47頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月5、最小內(nèi)能性

在相同的熱力學條件下，與同種化學成分的非晶體、液體、氣體比較，其內(nèi)能最小

晶體加熱曲線第48頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月6、穩(wěn)定性

在相同的熱力學條件下，具有相同的化學成分的晶體與非晶體比較，晶體是最穩(wěn)定的。這是因為晶體的內(nèi)能最小，內(nèi)部質(zhì)點在一定位置上振動保持格子的平衡，晶體總是處于最穩(wěn)定狀態(tài)。第49頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月本章重點總