晶體和晶體的基本性質(zhì)

關(guān)于晶體和晶體的基本性質(zhì)第1頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三課程簡介：結(jié)晶學(xué)：以晶體為研究對象，主要研究晶體的對稱規(guī)律。研究的是晶體的共同規(guī)律，不涉及到具體的晶體種類。

特點：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象，主要研究各具體礦物晶體的成分、物理性質(zhì)、成因特點等。特點：經(jīng)驗性、具體性、歸納分類性、感性、個性第2頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三分支學(xué)科：幾何結(jié)晶學(xué)－研究晶體宏觀形態(tài)幾何規(guī)律，主要是對稱規(guī)律。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。晶體化學(xué)－研究晶體成分與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。晶體生長學(xué)－研究晶體生長機(jī)理及其影響因素。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(xué)與晶體生長。第3頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三第一章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)律第4頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

石英（Quartz）

什么是晶體？1.晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。第5頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

電氣石(Tourmaline)鉬鉛礦(Wulfenite)鉻鉛礦（Crocoite）

第6頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

人們常見的晶體有水晶、石鹽、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。

第7頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三晶體—具有格子構(gòu)造的固體,或內(nèi)部質(zhì)點在三維空間成周期性重復(fù)排列的固體。

homogeneoussolidcontaininglong-rangeorderinthreedimensionalspace.1.晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。第8頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三石鹽的晶體結(jié)構(gòu)第9頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

研究表明，數(shù)以千計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，這是一切晶體的共同屬性。1.晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。第10頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三石英玻璃α-石英的內(nèi)部結(jié)構(gòu)綠球代表Si4+,紅球代表O2-玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，非晶質(zhì)體：與晶體結(jié)構(gòu)相反，內(nèi)部質(zhì)點不作周期性的重復(fù)排列的固體，即稱為非晶質(zhì)體。第11頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三準(zhǔn)晶體(quasi-crystal):

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,但具有自相似性(放大或縮小)。準(zhǔn)晶體的質(zhì)點排列雖具有長程有序，但不體現(xiàn)平移的周期重復(fù)，即不存在格子構(gòu)造。具五次對稱軸定向長程有序但無重復(fù)周期的圖形第12頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三小結(jié)晶體：具有格子構(gòu)造的固體,或內(nèi)部質(zhì)點在三維空間成周期性重復(fù)排列的固體。非晶質(zhì)體：與晶體結(jié)構(gòu)相反，內(nèi)部質(zhì)點不作周期性的重復(fù)排列的固體，即稱為非晶質(zhì)體。第13頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.空間格子的概念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。

第14頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三晶體（遠(yuǎn)古年代的定義：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

格子構(gòu)造的物體。）

格子構(gòu)造（晶體結(jié)構(gòu)的周期重復(fù)規(guī)律，這種規(guī)律是可以用格子狀的圖形－空間格子表示的。）

空間格子（表示晶體結(jié)構(gòu)周期重復(fù)規(guī)律的簡單幾何圖形要畫出空間格子，就一定要找出相當(dāng)點。）

相當(dāng)點（兩個條件：1、性質(zhì)相同，2、周圍環(huán)境相同。）第15頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.空間格子的概念相當(dāng)點兩個條件：1.性質(zhì)相同，2.周圍環(huán)境相同。第16頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.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)中找出相當(dāng)點，再將相當(dāng)點按照一定的規(guī)律連接起來就形成了空間格子。第17頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.空間格子的概念空間格子：由相當(dāng)點排列而成的幾何圖形，它反映晶體質(zhì)點排列的規(guī)律性?？臻g格子為無限圖形。圖2-3空間格子的一般形狀第18頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.空間格子的概念空間格子要素1.結(jié)點：空間格子中的點，代表晶體構(gòu)造中的等同點。2.行列：結(jié)點在直線上的排列?？臻g格子中任意兩結(jié)點連接方向就是一條行列，行列中相鄰結(jié)點間的距離稱為結(jié)點間距。同一行列方向上結(jié)點間距相等；不同方向的行列，其結(jié)點間距一般不等。

第19頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.空間格子的概念3.面網(wǎng)：結(jié)點在平面上的分布?？臻g格子中任意兩個相交的行列可確定一個面網(wǎng)。單位面積面網(wǎng)上結(jié)點的數(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。第20頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

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。d1d2d3第21頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.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?？臻g格子可以被看成是由無數(shù)個平行六面體在三維空間無間隙地重復(fù)堆疊而成。

abc第22頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三平行六面體對應(yīng)的實際晶體中相應(yīng)的范圍叫晶胞。2.空間格子的概念NaCl晶胞金紅石晶胞第23頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三3.晶體的基本性質(zhì)

第24頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三3.晶體的基本性質(zhì)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)。1.自限性:

晶體能夠自發(fā)地生長成規(guī)則的幾何多面體形態(tài)。

第25頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三3.晶體的基本性質(zhì)2.均一性:同一晶體的不同部分物理化學(xué)性質(zhì)完全相同?？梢杂脭?shù)學(xué)公式來表示,設(shè)在晶體的x處和x+x’處取得小晶體,則

F(x)

F(x+x’)

此處F表示化學(xué)組成和性質(zhì)等物理量度。

非晶質(zhì)體也具有其均一性，但由于非晶質(zhì)體的質(zhì)點排列不具有格子構(gòu)造，所以其均一性是統(tǒng)計的、平均近似的均一，稱為統(tǒng)計均一性；而晶體的均一性是取決于其格子構(gòu)造的，稱為結(jié)晶均一性。第26頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三3.晶體的基本性質(zhì)3.異向性：同一晶體不同方向具有不同的物理性質(zhì)。例如：藍(lán)晶石的不同方向上硬度不同：

AA方向，H＝45，小刀可刻動。

BB方向，H＝65，小刀不能刻動。思考：均一性與異向性有矛盾嗎？第27頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三3.晶體的基本性質(zhì)4.對稱性：同一晶體中，晶體形態(tài)相同的幾個部分（或物理性質(zhì)相同的幾個部分）有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)。例如下面的晶體形態(tài)是對稱的：第28頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三3.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=動能

+勢能質(zhì)點在平衡點質(zhì)點間相對周圍作無規(guī)則位置所產(chǎn)生振動的能量能量第29頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三3.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。對于化學(xué)成分相同的物質(zhì)，以不同的物理狀態(tài)存在時，其中以結(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。在沒有外加能量的情況下，晶體是不會自發(fā)地向其它物理狀態(tài)轉(zhuǎn)變的。第30頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三3.晶體的基本性質(zhì)穩(wěn)定性晶體與非晶體加熱曲線第31頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律第32頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律

自然界產(chǎn)生的晶體，絕大部分是從液體中結(jié)晶出來的，在液體中晶體的生長，首先是由于溫度降低，液體達(dá)到過飽和產(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，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形成晶體。第33頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律1．層生長理論模型（科塞爾理論模型）

（Kossel1927）晶體在理想情況下生長時，先長一條行列，然后長相鄰的行列；在長滿一層面網(wǎng)后，再開始長第二層面網(wǎng)；晶面（最外面的面網(wǎng)）是平行向外推移而生長的。第34頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律

這一模型要討論的關(guān)鍵問題是：在一個正在生長的晶面上尋找出最佳生長位置，有平坦面、兩面凹角位、三面凹角位。其中平坦面只有一個方向成鍵，兩面凹角有兩個方向成鍵，三面凹角有三個方向成鍵，見圖：

第35頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律如圖，最佳生長位置是三面凹角位，其次是兩面凹角位，最不容易生長的位置是平坦面。這樣，最理想的晶體生長方式就是:先在三面凹角上生長成一行，以至于三面凹角消失，再在兩面凹角處生長一個質(zhì)點，以形成三面凹角，再生長一行，重復(fù)下去?？磩赢嫷?6頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律層生長理論可解釋如下一些現(xiàn)象：1．晶體常生長成面平、棱直的多面體形態(tài)。2．在晶體生長過程中，環(huán)境會有變化，不同時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?？梢钥吹綆顦?gòu)造，晶面是平行向外推移生長的。3．由于晶面是平行向外推移生長的，所以同種礦物不同晶體上對應(yīng)晶面間的夾角不變。第37頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律第38頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.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)點的關(guān)系第39頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律2.布拉維法則晶體上的實際晶面往往平行于面網(wǎng)密度大的面網(wǎng)。為什么？面網(wǎng)密度大—面網(wǎng)間距大—對生長質(zhì)點吸引力小—生長速度慢生長速度慢—在晶形上保留—生長速度快—尖滅第40頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律看動畫第41頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律3.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，其對應(yīng)晶面的夾角恒等。面角是指晶面法線之間的夾角。第42頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律第43頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4.晶面發(fā)育的一般規(guī)律面角守恒定律的發(fā)現(xiàn)，對結(jié)晶學(xué)的發(fā)展起到了深遠(yuǎn)的影響:1.使人們能從實際晶體各種變化的形態(tài)中，找到它們在外形上所固有的基本規(guī)律，得以根據(jù)面角關(guān)系來恢復(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)。

2.