chap1晶體和晶體的基本性質(zhì)

1、結(jié)晶礦物學是地球科學專業(yè)基礎(chǔ)課課程簡介課程簡介：結(jié)晶學：以晶體為研究對象，主要研究晶體的對稱規(guī)結(jié)晶學：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：空間性、抽象性、邏輯性、共性特點：空間性、抽象性、邏輯性、共性與后續(xù)礦物學形成明顯的對比：與后續(xù)礦物學形成明顯的對比：礦物學礦物學: 礦物晶體為研究對象，主要研究各具體礦物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)、成因特點等晶體的成分、物理性質(zhì)、成因特點等 特點：經(jīng)驗性、感性、具體性、歸納分類性、個性特點：經(jīng)驗性、感性、具體性、

2、歸納分類性、個性結(jié)晶學的分支結(jié)晶學的分支晶體生成學晶體生成學(crystallogeny):(crystallogeny): 研究天然及人工晶體的發(fā)生、成長和變化的過程與機理, 以及控制和影響它們的因素;晶體結(jié)構(gòu)學（晶體結(jié)構(gòu)學（crystallologycrystallology）：）：研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點排列的規(guī)律性，以及晶體結(jié)構(gòu)的不完善性。幾何結(jié)晶學幾何結(jié)晶學(geometrical crystallography):(geometrical crystallography):研究晶體外表幾何多面體的形狀及其間的規(guī)律性;晶體化學晶體化學(crystallochemistry):(crys

3、tallochemistry): 亦稱結(jié)晶化學,研究晶體的化學組成與晶體結(jié)構(gòu)以及晶體的物理、化學性質(zhì)間關(guān)系的規(guī)律性;晶體物理學晶體物理學(crystallophysics):(crystallophysics): 研究晶體的各項物理性質(zhì)及其產(chǎn)生的機理。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，簡介晶體化學體化學第一節(jié) 晶體、非晶體生活中哪些是晶體：？ 如：冰、雪、土壤、金屬、陶瓷、水泥、化學藥品、礦物等。 晶體和非晶質(zhì)體：晶體和非晶質(zhì)體： 石英（Quartz）鉻鉛礦（Crocoite ） 晶體？非晶體？第二節(jié) 晶體、非晶體與準

4、晶體的概念1.晶體與非晶質(zhì)體 晶體(晶質(zhì)體、結(jié)晶質(zhì))crystal ： 內(nèi)部質(zhì)點在三維空間呈周期性平移重復排列形成的具有格子構(gòu)造的固體。 l非晶體（非晶體、非晶質(zhì)、玻璃質(zhì)）noncrystal ： 與晶體結(jié)構(gòu)相反，內(nèi)部質(zhì)點不作周期性的重復排列的固體，即稱為非晶質(zhì)體。第二節(jié) 晶體、非晶體與準晶體的概念1.晶體與非晶質(zhì)體 氣體和液體、部分固體：松香、琥珀、玻璃等（從內(nèi)部結(jié)構(gòu)的角度來看，其質(zhì)點的分布類似于液體）。l 晶體非晶體SiO2 非晶質(zhì)體 晶質(zhì)體l晶體穩(wěn)定分布廣泛l非晶體不穩(wěn)定數(shù)量少2.非晶質(zhì)體與晶體間的轉(zhuǎn)化 脫?；饔没蚓Щ饔貌ＡЩ饔没蚍蔷Щ饔?.非晶質(zhì)體與晶體間的轉(zhuǎn)化 第二節(jié) 空間格

5、子 space lattice 1.空間格子的導出 晶 體 （現(xiàn)代的定義：內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有周期重復性，即具有現(xiàn)代的定義：內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有周期重復性，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)的周期重復規(guī)律，這種規(guī)律是可以晶體結(jié)構(gòu)的周期重復規(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)周期重復規(guī)律的簡單幾何圖形（表示晶體結(jié)構(gòu)周期重復規(guī)律的簡單幾何圖形 要畫出空間格子，就一定要找出要畫出空間格子，就一定要找出相當點相當點。）。） 相當點 （兩個條件：兩個條件：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)

6、境相同。） 首先在晶體結(jié)構(gòu)中找出相當點，再將相當點按首先在晶體結(jié)構(gòu)中找出相當點，再將相當點按照一定的律連接起來就形成了空間格子。照一定的律連接起來就形成了空間格子。 相當點（兩個條件：兩個條件：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)境相同。）可以認為具體的晶體結(jié)構(gòu)是多套空間格子組成可以認為具體的晶體結(jié)構(gòu)是多套空間格子組成的。的。 具體具體的晶體結(jié)構(gòu)是多種原子、離子組成的，使的晶體結(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)出來其重復規(guī)律突出表現(xiàn)出來。平行六面體（晶胞）平行六面體（晶胞

7、）: : 結(jié)點在三維空間形成結(jié)點在三維空間形成的最小單位的最小單位 (引出引出: 晶胞參數(shù)：晶胞參數(shù)：a, b, c; a, b, c; , ,也稱為軸長與軸角）也稱為軸長與軸角） abc 2.空間格子要素及基本規(guī)律（1） 結(jié)點-node,相當點，幾何點，（2） 行列-row，任意二結(jié)點，結(jié)點間距（row-spacing）（3）面網(wǎng)-net 面網(wǎng)密度、面網(wǎng)間距（4）平行六面體-parallel hexahedron 實際晶體單位晶胞面網(wǎng)面網(wǎng)AA間距間距d1面網(wǎng)面網(wǎng)BB間距間距d2面網(wǎng)面網(wǎng)CC間距間距d3面網(wǎng)面網(wǎng)DD間距間距d4面網(wǎng)間距依次減小面網(wǎng)間距依次減小,面網(wǎng)密度也是面網(wǎng)密度也是依次減小的

8、；依次減小的；所以所以:相互平行的面網(wǎng)間面網(wǎng)密度相互平行的面網(wǎng)間面網(wǎng)密度相等，其面網(wǎng)間距也相等；不相相等，其面網(wǎng)間距也相等；不相平行的一般不等，且平行的一般不等，且大的面網(wǎng)間大的面網(wǎng)間距大，距大，反之，反之，面網(wǎng)密度網(wǎng)密度小面網(wǎng)密度網(wǎng)密度小的面網(wǎng)間距小。的面網(wǎng)間距小。平行六面體可具有各種不同的形狀，各種形狀的平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)怎么樣？行六面體的晶胞參數(shù)怎么樣？我們以后將會看到，平行六面體的形狀一共有我們以后將會看到，平行六面體的形狀一共有7 7種，種，對應有對應有7 7套晶胞參數(shù)的形式，也對應套晶胞參數(shù)的形式，也對應7 7個晶系。個晶系。 第三節(jié)

9、晶體的基本性質(zhì) -the ultimate properties of crystall1 自限性 self- confinementl 形態(tài)，晶面面網(wǎng)、晶棱行列、角頂結(jié)點l2 均一性 homogeneityl 同一晶體的不同部分物理化學性質(zhì)完同一晶體的不同部分物理化學性質(zhì)完全相同。晶體是全相同。晶體是絕對均一性，絕對均一性，非晶體是非晶體是統(tǒng)統(tǒng)計的、平均近似均一性。計的、平均近似均一性。 3 異向性 anisotropy 方向上例如：藍晶石的不同方向上硬度不同：例如：藍晶石的不同方向上硬度不同： 思考：思考：均一性與異向性有均一性與異向性有矛盾嗎？矛盾嗎？ 異向性與自限性有什么聯(lián)異向性與自限

10、性有什么聯(lián)系系?l4 對稱性：對稱性：l同一晶體中，同一晶體中，晶體形態(tài)相同的幾個部分晶體形態(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（或物理性質(zhì)相同的幾個部分）有規(guī)律地重復出現(xiàn)。例如下面的晶體形態(tài)是對地重復出現(xiàn)。例如下面的晶體形態(tài)是對稱的：稱的：5.最小內(nèi)能性:在相同的熱力學條件下，與同種化學成分的在相同的熱力學條件下，與同種化學成分的氣體、液體及非晶質(zhì)體相比，以晶體的內(nèi)能為最小。氣體、液體及非晶質(zhì)體相比，以晶體的內(nèi)能為最小。 內(nèi)能內(nèi)能 = 動能動能 + 勢能勢能 質(zhì)點在平衡點質(zhì)點在平衡點 質(zhì)點間相對質(zhì)點間相對 周圍作無規(guī)則周圍作無規(guī)則 位置所產(chǎn)生位置所產(chǎn)生 振動的能量振動的能量 能

11、量能量l6.穩(wěn)定性：在相同的熱力學條件下，具有相在相同的熱力學條件下，具有相同化學成分的晶體和非晶質(zhì)體相比，晶體是穩(wěn)同化學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。定的，而非晶質(zhì)體是不穩(wěn)定的。 晶體與非晶體加熱曲線晶體與非晶體加熱曲線下面的問題請同學們思考并討論：下面的問題請同學們思考并討論：1) 非晶體（玻璃）的定義及特點？非晶體（玻璃）的定義及特點？ （遠程規(guī)律與近程規(guī)律）（遠程規(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）請大家將教材上思考題）請大家將教材上思考題7的平面晶體結(jié)構(gòu)的平

12、面晶體結(jié)構(gòu)的空間格子畫出來。的空間格子畫出來。l1 1層生長理論模型層生長理論模型（科塞爾理論模型）（科塞爾理論模型） （Kossel 1927）晶體在理想情況下生長時，）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面（最外面的面網(wǎng)）是平行向外推移而生長的。長的。l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。l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

13、長一個質(zhì)點，以形成三面凹角，再生長一行，重復下去?？磩赢嬋姘冀嵌姘冀且话阄恢脤由L過程層生長過程層生長理論可解釋如下一些現(xiàn)象：層生長理論可解釋如下一些現(xiàn)象： 1晶體常生長成晶體常生長成面平面平、棱直棱直的多面體形態(tài)。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微的變化，因晶體在物理性質(zhì)和成分等方面可能有細微的變化，因而在晶體的端面上常?？梢钥吹蕉诰w的端面上常?？梢钥吹綆顦?gòu)造帶狀構(gòu)造，晶面是，晶面是平平行向外推移行向外推移生長的。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晶體上對應晶面間的夾角不變對應晶面間的夾角不變。晶面、晶棱、角頂與面網(wǎng)、行列、節(jié)點的關(guān)系晶面、晶棱、角頂與面網(wǎng)、行列、節(jié)點的關(guān)系何種面網(wǎng)發(fā)育成晶面？l2.2.布拉維法則布拉維法則 -法國結(jié)晶學家法國結(jié)晶學家A.bravisA.bravis 提出：實際晶提出：實際晶體的面網(wǎng)常常是由晶體格子構(gòu)造中體的面網(wǎng)常常是由晶體格子構(gòu)造中面網(wǎng)面網(wǎng)密度大密度大的面網(wǎng)發(fā)育成的。的面網(wǎng)發(fā)育成的。 看動畫面網(wǎng)密度小生長速度快，晶面消