工學(xué)chap1晶體和晶體的基本性質(zhì)

礦物巖石學(xué)基礎(chǔ)課程提綱礦物學(xué)部分：一.緒論（1）二.礦物的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)（2）三.礦物的形態(tài)（1）四.礦物的物理性質(zhì)（2）五.礦物的命名和分類（1）六.礦物各論（2）巖石學(xué)部分：七.巖漿和巖漿作用（1）八火成巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和產(chǎn)狀（2）九火成巖的成分和火成巖分類（2）十火成巖各論（2）十一沉積巖的形成過(guò)程和一般特征（4）十二陸碎沉積巖類（2）十三自生沉積巖類（2）十四變質(zhì)巖的基本概念（2）十五變質(zhì)巖的基本特征和分類命名（2）十六變質(zhì)巖各論（2）課程提綱教材、參考書教材

礦物學(xué)簡(jiǎn)明教程，戈定夷，地質(zhì)出版社，1989

巖石學(xué)，樂(lè)昌碩，地質(zhì)出版社參考書基礎(chǔ)結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)，羅谷風(fēng)，南京大學(xué)出版社，1993

結(jié)晶學(xué)及礦物學(xué)（上、下），潘兆櫓，地質(zhì)出版社，1993考試方式平時(shí)成績(jī)占40%(包括出勤、上課和實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況)期末考試成績(jī)占60%一、礦物的概念礦物（mineral）：礦物是指在地殼各種地質(zhì)作用的綜合作用下形成的天然單質(zhì)或化合物。它們具有均勻且相對(duì)固定的化學(xué)組成和確定的晶體結(jié)構(gòu)；它們?cè)谝欢ǖ奈锢砘瘜W(xué)條件范圍內(nèi)穩(wěn)定，是組成巖石和礦石的基本單元。目前，已發(fā)現(xiàn)的礦物種數(shù)有3000多種，基本上都產(chǎn)自地殼中。礦物形式:固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。關(guān)于礦物的幾點(diǎn)說(shuō)明：1.礦物系地殼中各種地質(zhì)作用天然形成的產(chǎn)物（以知礦物3000多種，人造礦物不屬于地質(zhì)學(xué)范疇）。

人造礦物(合成礦物)：在實(shí)驗(yàn)室或工廠里用人工方法制造出來(lái)的、與相應(yīng)的天然礦物具有相同或相似的成分、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的產(chǎn)物。

2.礦物具有一定的成分(每種礦物都可以用化學(xué)式表達(dá))、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和性質(zhì)，藉此可鑒別礦物種。

方鉛礦：PbS

閃鋅礦：ZnS

方解石：CaCO3

但是，由于形成環(huán)境的復(fù)雜性，礦物的這些特征可在一定范圍內(nèi)變化。3.絕大多數(shù)礦物內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)有序排列—晶質(zhì)體。4.任何一種礦物均只是在一定的物理化學(xué)條件下相對(duì)穩(wěn)定，得以保存。

當(dāng)外界條件改變至超出礦物的穩(wěn)定范圍時(shí)，礦物即會(huì)變成在新的條件下穩(wěn)定的其他礦物。例：2FeS2（黃鐵礦）+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO44FeSO4+6H2O+O2=4FeOOH（褐鐵礦）+4H2SO45.礦物的集合體即組成巖石或礦石。

花崗巖常見(jiàn)礦物有石英、長(zhǎng)石、黑云母等。準(zhǔn)礦物(mineraloid)的概念：

自然作用中形成的、具有一定的化學(xué)成分的非晶態(tài)的單質(zhì)或化合物，稱為準(zhǔn)礦物。

例：蛋白石OpalSiO2?nH2O

非晶鈾礦NasturanUm4+Un6+O2m+3n礦石

通常，從金屬礦床中開采出的并具有冶煉金屬價(jià)值的固體物質(zhì)均稱作礦石，俗名常簡(jiǎn)稱為礦。

礦石一般是由有用的金屬礦物，（礦石礦物）與其伴生的脈石所構(gòu)成。

礦石礦物大多數(shù)是不透明礦物，往往具有金屬光澤，如黃銅礦、方鉛礦分別為銅、鉛的礦石礦物。二、礦物學(xué)及與其他學(xué)科的關(guān)系（一）、礦物學(xué)(mineralogy)的概念研究礦物(包括準(zhǔn)礦物)的形態(tài)、成分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、成因、產(chǎn)狀、用途和它們相互間的內(nèi)在聯(lián)系，以及礦物的時(shí)空分布規(guī)律及其形成和變化的歷史的科學(xué)。

礦物史學(xué)描述礦物學(xué)理論礦物學(xué)應(yīng)用礦物學(xué)系統(tǒng)礦物學(xué)新礦物學(xué)區(qū)域礦物學(xué)宇宙礦物學(xué)成因礦物學(xué)礦物晶體化學(xué)礦物物理學(xué)找礦礦物學(xué)寶玉石礦物學(xué)環(huán)境礦物學(xué)（二）現(xiàn)代礦物學(xué)的分支譜系礦物學(xué)是地質(zhì)學(xué)科中最基本的學(xué)科之一，它是巖石學(xué)、礦床學(xué)、地球化學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地史學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)，而且與結(jié)晶學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)密切相關(guān)。由此可見(jiàn)，學(xué)好本門課程是十分重要的。第一階段：萌芽階段（19世紀(jì)中葉以前）

石器時(shí)代—青銅器時(shí)代—鐵器時(shí)代

《山海經(jīng)》、《夢(mèng)溪筆談》、《本草綱目》、《天工開物》、《管子?地?cái)?shù)》、《淮南子》、《抱樸子》；西方的《似金屬論》、《石頭論》

德國(guó)人阿格里科拉(GeorgiusAgricola)《論礦物的起源》(1556年)首先將礦物與巖石分開，提出“礦物”概念。

特點(diǎn)：對(duì)礦物的記載和表面宏觀特征的描述。（三）礦物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史技術(shù)與方法：偏光顯微鏡（1857）化學(xué)分析晶體測(cè)角研究?jī)?nèi)容：化學(xué)成分，幾何形態(tài)、物理和化學(xué)性質(zhì)、產(chǎn)狀，化學(xué)成分分類,形成獨(dú)立的學(xué)科。代表作:

美國(guó)J.D.Dana《描述礦物學(xué)》(1837～1892)。

特點(diǎn)：能夠利用顯微鏡，結(jié)合化學(xué)分析、晶體測(cè)量、簡(jiǎn)單物性分析，對(duì)礦物進(jìn)行系統(tǒng)描述性研究。第二階段：描述礦物學(xué)階段（19世紀(jì)中葉—20世紀(jì)初）技術(shù)與方法：X射線晶體結(jié)構(gòu)分析、各種微束分析、高溫高壓實(shí)驗(yàn)……新理論：物理化學(xué)晶體化學(xué)……特點(diǎn)：微區(qū)、微量、動(dòng)態(tài)、相互聯(lián)系。第三階段：現(xiàn)代礦物學(xué)階段（20世紀(jì)初以來(lái)）礦物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)普通化學(xué)物理化學(xué)膠體化學(xué)巖石學(xué)地球化學(xué)地學(xué)原理環(huán)境科學(xué)材料科學(xué)礦床學(xué)環(huán)境工程（四）、礦物的用途

礦物的用途：

①作為提取其中有用成分（特別是冶煉金屬）的原料；

②作為制造其他產(chǎn)品的原料；

③利用礦物的某種特殊性能而作為材料直接應(yīng)用。

以提取有用成分為目的礦物主要是金屬礦物；而作為材料直接應(yīng)用或用作制造其他產(chǎn)品的原料的礦物，則以非金屬礦物為主。三、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)。

石英（Quartz）

什么是晶體？1.晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。

人們常見(jiàn)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。

石鹽的晶體結(jié)構(gòu)晶體？非晶體？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，這是一切晶體的共同屬性。1.晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。晶體—具有格子構(gòu)造的固體,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。

homogeneoussolidcontaininglong-rangeorderinthreedimensionalspace.

短程有序＋長(zhǎng)程有序（short+longrangeorder）非晶體noncrystal

：僅短程有序1.晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念。晶體非晶體SiO2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。（非晶體、非晶質(zhì)、玻璃質(zhì)）例如：氣體和液體、部分固體：松香、琥珀、玻璃等（從內(nèi)部結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，其質(zhì)點(diǎn)的分布類似于液體）。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(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)周期的圖形小結(jié)晶體：具有格子構(gòu)造的固體,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。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。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。

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)造的固體。）

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(jiǎn)單幾何圖形要畫出空間格子，就一定要找出相當(dāng)點(diǎn)。）

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)中找出相當(dāng)點(diǎn)，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。2.空間格子的概念空間格子：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。空間格子為無(wú)限圖形。圖2-3空間格子的一般形狀（1）結(jié)點(diǎn)-node,相當(dāng)點(diǎn)，幾何點(diǎn)（2）行列-row，任意二結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)間距（row-spacing）（3）面網(wǎng)-net面網(wǎng)密度、面網(wǎng)間距（4）平行六面體-parallelhexahedron

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。d1d2d32.空間格子的概念平行六面體：空間格子中的最小單位體積?？臻g格子可以被看成是由無(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。

abc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。2.空間格子的概念NaCl晶胞金紅石晶胞3.晶體的基本性質(zhì)

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(zhǎng)成規(guī)則的幾何多面體形態(tài)。

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(lái)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(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，稱為統(tǒng)計(jì)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。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(dòng)。

BB方向，H＝65，小刀不能刻動(dòng)。思考：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。下面的問(wèn)題請(qǐng)同學(xué)們思考并討論：1)非晶體