第一講晶體與結(jié)晶學(xué)

地球科學(xué)院地質(zhì)系主講：余少雄聯(lián)系電話晶學(xué)與礦物學(xué)課程安排課時(shí)：36（理論課）+44（實(shí)習(xí)課）內(nèi)容分為三個(gè)部分：第一部分結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)（18+18學(xué)時(shí)）;第二部分礦物晶體化學(xué)（礦物學(xué)通論）（12+4學(xué)時(shí));第三部分：礦物學(xué)各論（6+22學(xué)時(shí)）教學(xué)地點(diǎn)：理論；實(shí)習(xí)D6208

課程簡(jiǎn)介：本學(xué)科是地質(zhì)學(xué)科中基礎(chǔ)的中基礎(chǔ)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種類。特點(diǎn)：空間性、抽象性、邏輯性、共性與后續(xù)礦物學(xué)形成明顯的對(duì)比：礦物學(xué):

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

特點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)性、感性、具體性、歸納分類性、個(gè)性學(xué)科主講內(nèi)容本課程是地質(zhì)學(xué)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。在結(jié)晶學(xué)部分，主要講授：1.晶體的定義，空間格子、空間格子要素和晶胞的概念。理解晶體的基本性質(zhì)。2.晶體生長(zhǎng)的科塞爾原理、布拉維法則、面角恒等定律。3.晶體對(duì)稱及對(duì)稱特點(diǎn)。對(duì)稱要素，對(duì)稱定律，對(duì)稱要素的組合定律，晶體的分類。4.單形和聚形的概念，單形的種類。5.晶體定向、晶面符號(hào)、單形符號(hào)、晶帶及晶帶符號(hào)。6.晶體的平行連生和雙晶。在礦物學(xué)部分，首先介紹礦物的概念、礦物的化學(xué)成分及內(nèi)部結(jié)構(gòu)、礦物的形態(tài)和物理性質(zhì)、形成礦物的地質(zhì)作用、礦物的分類和命名，然后分別介紹自然元素大類、硫化物及其類似化合物大類、氧化物及氫氧化物大類、含氧鹽大類、鹵化物大類的主要礦物種（至族）的特征，掌握主要礦物的鑒定特征。

考核與紀(jì)律成績(jī)分三部分：作業(yè)（10%）+標(biāo)本考試（30%）+期末考試（60%）;

總分60分及格課堂紀(jì)律：1.不準(zhǔn)無(wú)故缺席，有事請(qǐng)假；2.本課程與實(shí)習(xí)課為重，若有兩次無(wú)故缺席，視作掛科處理第一講1.晶體、非晶質(zhì)體、準(zhǔn)晶2.空間格子3.晶體的基本性質(zhì)4.結(jié)晶學(xué)概況1.晶體、非晶質(zhì)體、準(zhǔn)晶

1.1晶體水晶方解石

石英（Quartz）

什么是晶體？鉻鉛礦（Crocoite

）

電氣石(Tourmaline)石膏(Gypsum)鉬鉛礦(Wulfenite)祖母綠(EmeraldBrooch)鉆石(Diamond)金剛石(Diamond)石榴子石(Garnet)

火蛋白石(FireOpals)紫鋰輝石(Kunzite)

軟玉(Nephrite)常林鉆石重158.786克拉古代人對(duì)晶體的理解：古人將凡是天然具有（非人工琢磨而成）幾何多面體形態(tài)的固體稱為晶體。如水晶、石鹽。水晶我國(guó)最早稱“水精”，有“幾乃千年老冰”之說(shuō)。在現(xiàn)實(shí)生活中，我們注意到：相同的物質(zhì)，其所有性質(zhì)都相同，但外形不同，如晶體味精與粉狀味精，粗鹽與精鹽，前者具有幾何多面體，后者則不具備。除此而外，其它性質(zhì)均相同，我們就不能把前者稱為晶體而將后者視為非晶體。X射線分析的方法出現(xiàn)，揭示了大量晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓我們對(duì)晶體有了更為準(zhǔn)確的理解。一切晶體，不論其外形如何，化學(xué)組成如何，它的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）都是作規(guī)律性排列的。也就是說(shuō)，只要是晶體，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)都是有規(guī)律排列的。前例提到的粗鹽（具立方體外形）與細(xì)鹽（粉狀），僅管其外形不同，但它們內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)Na與Cl的排列規(guī)律都是一樣的。

由NaCl結(jié)構(gòu)模型的觀察我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則排列表現(xiàn)為質(zhì)點(diǎn)的周期重復(fù)（舉Na與Cl的周期重復(fù)排列的例子）。我們將質(zhì)點(diǎn)的這種周期性重復(fù)排列稱之為格子構(gòu)造。因此，凡是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)作規(guī)律排列，即具有格子構(gòu)造的物質(zhì)即為晶體。綜上所述，我們對(duì)晶體作出如下定義：

晶體是具有格子構(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。格子構(gòu)造是一切晶體最本質(zhì)的特征。格子構(gòu)造的形象展示石鹽的晶體結(jié)構(gòu)1.2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)體不具格子構(gòu)造，它不是真正意義上的固體，而是一種呈凝固態(tài)的過(guò)冷凝體。非晶質(zhì)體如玻璃、琥珀、松香等，這些物質(zhì)的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的分布類似于液體，在非晶質(zhì)體的各個(gè)部位上，沒(méi)有任何兩部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是完全相同的，它們只是統(tǒng)計(jì)意義上才是均一的。因此，非晶質(zhì)體不具有晶體那樣的性質(zhì)。

水晶玻璃很明顯，水晶內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列近程有序，遠(yuǎn)程同樣規(guī)律有序；但玻璃則具有近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序。1.3準(zhǔn)晶體

1984年發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，具有遠(yuǎn)程規(guī)律但沒(méi)有重復(fù)周期。這是什么意思呢？準(zhǔn)晶體與晶體、非晶體的關(guān)系？1.4非晶質(zhì)體與晶體間的轉(zhuǎn)化

晶體的格子構(gòu)造是晶體實(shí)現(xiàn)最小內(nèi)能的結(jié)果；晶體只有在得到外來(lái)能量時(shí)，發(fā)生吸熱反應(yīng)，從而吸收熱能使之向非晶質(zhì)轉(zhuǎn)化；當(dāng)晶體吸收熱能達(dá)到開始熔化時(shí)的溫度點(diǎn)即為晶體的熔點(diǎn)，故晶體具有一定的熔點(diǎn)。非晶質(zhì)體由于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)不作規(guī)律排列，各部分質(zhì)點(diǎn)分布的稀疏程度不一，因而熔化各部分的溫度就有高低之分，所以，非晶質(zhì)體不具有一定的熔點(diǎn)。實(shí)例：巖漿迅速冷凝而形成非晶質(zhì)的火山玻璃，經(jīng)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代，其內(nèi)部原子進(jìn)行很緩慢的擴(kuò)散和調(diào)整，具自發(fā)形成規(guī)則排列的趨向，由非晶質(zhì)的火山玻璃逐漸地向晶態(tài)轉(zhuǎn)變，最終成為晶體。我們?cè)诠爬系幕鹕綆r中常見到這種情況。這種非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的作用過(guò)程被稱為晶化或脫?；?。與此相反，當(dāng)晶體因內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則排列遭到破壞而向非晶質(zhì)體轉(zhuǎn)變的作用，則稱為非晶化或玻璃化。例如一些含放射性元素的礦物，其晶格受放射性蛻變時(shí)所發(fā)出的—射線的作用破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷з|(zhì)體，這種作用特別稱為變質(zhì)非晶化作用。

非晶質(zhì)體中的質(zhì)點(diǎn)位能較大，故總是趨向于達(dá)到最小內(nèi)能，以便使自身趨于穩(wěn)定，故非晶質(zhì)體有自發(fā)地轉(zhuǎn)化為晶體的趨向。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)物體由非晶態(tài)過(guò)渡到結(jié)晶狀態(tài)時(shí)，都是放熱反應(yīng)，這些析出的熱能，即為質(zhì)點(diǎn)多出的位能。

結(jié)論：對(duì)同成分的晶體和非晶體而言，晶體是穩(wěn)定的非而晶體是不穩(wěn)定的，非晶質(zhì)體有自發(fā)地向晶體轉(zhuǎn)化的必然趨勢(shì)，但晶體決不會(huì)自發(fā)地向非晶質(zhì)體轉(zhuǎn)變。2.空間格子2.1晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平移有序性

晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間的周期性要重復(fù)排列，就體現(xiàn)了晶體結(jié)構(gòu)的平移有序性。那么，什么是晶體結(jié)構(gòu)的平移有序性呢？該模型是從NaCl晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中割取出來(lái)的最小的一部分，而NaCl結(jié)構(gòu)就是由若干這樣的部分沿三度空間碓砌而成，由這最小部分的周期性重復(fù)排列就構(gòu)成了NaCl的晶體結(jié)構(gòu)。在1mm3的NaCl晶體內(nèi)，就包含了大約7×1017個(gè)這樣的立方體小塊。若在NaCl晶體結(jié)構(gòu)中，將一立方體小塊按一定的規(guī)律移動(dòng)一段距離后，便會(huì)與另一立方體小塊重合，這就體現(xiàn)了晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平移有序性。晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有三維平移有序性。

以上從NaCl的晶體結(jié)構(gòu)說(shuō)明了晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平移有序性，對(duì)于其它任何晶體，不管原子種類有多少，也不管這些質(zhì)點(diǎn)在空間排列的具體形式上有多么復(fù)雜，但所有這些質(zhì)點(diǎn)在三維空間都是成周期性平移重復(fù)規(guī)則排列的。

只不過(guò)不同的晶體，其周期性重復(fù)排列的規(guī)則不同而已。所以，晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的這種三維平移有序性是一切晶體的共同特征。為了表征和研究這種平移有序的規(guī)律（格子構(gòu)造），我們引入空間格子的概念。2.2空間格子的概念和基本規(guī)律（一）空間格子是從實(shí)際晶體構(gòu)造中抽象出相當(dāng)點(diǎn)組成的一種幾何圖形，是晶體格子構(gòu)造中質(zhì)點(diǎn)排列規(guī)律的形象表征。（二）相當(dāng)點(diǎn)——質(zhì)點(diǎn)種類相同，環(huán)境也相同的點(diǎn)。（三）相當(dāng)點(diǎn)的分布體現(xiàn)了晶體格子構(gòu)造中所有質(zhì)點(diǎn)的重復(fù)規(guī)律，并且在三度空間作無(wú)限規(guī)律重復(fù)排列，因而空間格子為抽象的無(wú)限幾何圖形。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。相當(dāng)點(diǎn)（兩個(gè)條件：1、性質(zhì)相同，2、周圍環(huán)境相同。）空間格子與具體的晶體結(jié)構(gòu)是什么關(guān)系？可以認(rèn)為具體的晶體結(jié)構(gòu)是多套空間格子組成的，見圖。具體的晶體結(jié)構(gòu)是多種原子、離子組成的，使得其重復(fù)規(guī)律不容易看出來(lái)，而空間格子就是使其重復(fù)規(guī)律突出表現(xiàn)出來(lái)?？臻g格子僅僅是一個(gè)體現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)中的周期重復(fù)規(guī)律的幾何圖形，比具體晶體結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單的多?？臻g格子的要素：

★結(jié)點(diǎn):空間格子中的點(diǎn),代表具體晶體結(jié)構(gòu)中的相當(dāng)點(diǎn).

★行列:結(jié)點(diǎn)在直線上的排列.（引出:結(jié)點(diǎn)間距）

★面網(wǎng):結(jié)點(diǎn)在平面上的分布.

（引出:面網(wǎng)間距、面網(wǎng)密度，它們之間的關(guān)系,見下圖）

面網(wǎng)AA’間距d1面網(wǎng)BB’間距d2面網(wǎng)CC’間距d3面網(wǎng)DD’間距d4面網(wǎng)間距依次減小,面網(wǎng)密度也是依次減小的.所以:面網(wǎng)密度與面網(wǎng)間距成正比.★平行六面體（晶胞）:

結(jié)點(diǎn)在三維空間形成的最小單位(引出:晶胞參數(shù)：a,b,c;α,β,γ,也稱為軸長(zhǎng)與軸角）

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。NaCl晶胞金紅石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)怎么樣？我們以后將會(huì)看到，平行六面體的形狀一共有7種，對(duì)應(yīng)有7套晶胞參數(shù)的形式，也對(duì)應(yīng)7個(gè)晶系。

由晶體的格子構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致晶體的基本性質(zhì)?！镒韵扌?晶體能夠自發(fā)地生長(zhǎng)成規(guī)則的幾何多面體形態(tài)。

★均一性:同一晶體的不同部分物理化學(xué)性質(zhì)完全相同。晶體是絕對(duì)均一性，非晶體是統(tǒng)計(jì)的、平均近似均一性。

3.晶體的基本性質(zhì)

★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。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?★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：★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。★穩(wěn)定性：晶體比非晶體穩(wěn)定。

﹡要學(xué)會(huì)用格子構(gòu)造規(guī)律解釋這些基本性質(zhì)?。ㄕ?qǐng)同學(xué)們自己解釋。）4.結(jié)晶學(xué)概況結(jié)晶學(xué)（crystallography）：是以晶體為研究對(duì)象的一門科學(xué)自然界中的絕大多數(shù)礦物都是晶體，要了解這些結(jié)晶的礦物，就必須了解和掌握結(jié)晶學(xué)特別是幾何結(jié)晶學(xué)的基本知識(shí)。如：冰、雪、土壤、金屬、礦物、陶瓷、水泥、化學(xué)藥品等研究簡(jiǎn)史：★1000多年前，認(rèn)識(shí)了石英和石鹽具有規(guī)則的外形；★

17世紀(jì)中葉前，以外形研究為主；★

1912年，X射線晶體衍射實(shí)驗(yàn)成功，結(jié)晶學(xué)進(jìn)入快速發(fā)展階段；★

19世紀(jì)中葉開始對(duì)晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)探索，逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科；★

20世紀(jì)初,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理論探索。結(jié)晶學(xué)的研究意義：是礦物學(xué)的基礎(chǔ)是材料科學(xué)的基礎(chǔ)是生命科學(xué)的基礎(chǔ)

…...現(xiàn)代結(jié)晶學(xué)的幾個(gè)分支：1、晶體生成學(xué)：研究天然及人工晶體的發(fā)生、成長(zhǎng)和變化的過(guò)程與機(jī)理，以及控制和影響它們的因素。2、幾何結(jié)晶學(xué)：研究晶體外表幾何多面體的形狀及其規(guī)律性。3、晶體結(jié)構(gòu)學(xué)：研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)排列的規(guī)律性，以及晶體結(jié)構(gòu)的不完善性。4、晶體化學(xué)：研究晶體的化學(xué)組成與晶體結(jié)構(gòu)以及晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)之間關(guān)系的規(guī)律性。5、晶體物理學(xué)：研究晶體的各項(xiàng)物理性質(zhì)及其產(chǎn)生的機(jī)理。晶體（遠(yuǎn)古年代的定義：自發(fā)形成規(guī)則形態(tài)的物體；（如上圖）

現(xiàn)代的定義：內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有周期重復(fù)性，即具有