chap1晶体和晶体的基本性质 (2)

结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy 结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy 结晶矿物学是地球科学专业基础课课程研究对象 晶体和矿物晶体和矿物与我们日常生活也有密切联系 衣 防火衣食 中药矿物药朱砂硫磺斯密达蒙脱石宝玉石 结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy 结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy 结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy 第一篇结晶学基础第一章晶体与晶体的基本性质第二章晶体的外部对称第三章单形与聚形第四章晶体定向与晶体符号第五章晶体的规则连生 第二篇矿物学第六章矿物的化学成分与内部结构第七章矿物的形态第八章矿物的物理性质第九章矿物的命名与分类第十章自然元素 硫化物及其类似化合物 氧化物和氢氧化物大类第十一章含氧盐矿物 卤化物大类 结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy 考试方式 平时成绩占40 包括出勤 上课和实验报告情况 期末考试成绩占60 第一篇结晶学第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 本章概要1 晶体 非晶体2 空间格子 抽象 难点3 晶体6个基本性质 第一篇结晶学第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 矿物 几乎全是晶体 第一篇结晶学第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 第一节结晶学研究对象及其科学地位结晶学与矿物学 地球科学专业的主干课程 专业基础课 结晶学crystallography 晶体 生成和变化 外部形态几何性质 内部结构 化学成分 物理性质 第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 结晶学的分支晶体生成学 crystallogeny 研究天然及人工晶体的发生 成长和变化的过程与机理 以及控制和影响它们的因素 晶体结构学 crystallology 研究晶体内部结构中质点排列的规律性 以及晶体结构的不完善性 几何结晶学 geometricalcrystallography 研究晶体外表几何多面体的形状及其间的规律性 晶体化学 crystallochemistry 亦称结晶化学 研究晶体的化学组成与晶体结构以及晶体的物理 化学性质间关系的规律性 晶体物理学 crystallophysics 研究晶体的各项物理性质及其产生的机理 第二节晶体 非晶体与准晶体的概念生活中哪些是晶体 第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 如 冰 雪 土壤 金属 陶瓷 水泥 化学药品 矿物等 石英 Quartz 铬铅矿 Crocoite 电气石 Tourmaline 石膏 Gypsum 钼铅矿 Wulfenite 祖母绿 EmeraldBrooch 钻石 Diamond 金刚石 Diamond 晶体 非晶体 石盐的晶体结构 第二节晶体 非晶体与准晶体的概念1 晶体与非晶质体晶体crystal 内部质点在三维空间呈周期性平移重复排列形成的具有格子构造的固体 短程有序 长程有序 short longrangeorder 第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 内部质点晶体的局部呈现规则排列 这种质点的排布方式在整个晶体中贯穿始终的规律 非晶体 非晶体 非晶质 玻璃质 noncrystal 与晶体结构相反 内部质点不作周期性的重复排列的固体 即称为非晶质体 仅短程有序 第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 第二节晶体 非晶体与准晶体的概念1 晶体与非晶质体 例如 气体和液体 部分固体 松香 琥珀 玻璃等 从内部结构的角度来看 其质点的分布类似于液体 晶体 非晶体 SiO2 非晶质体与晶体间的转化 第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 第二节晶体 非晶体与准晶体的概念2 准晶体quasicrystal 质点的排列符合短程有序但不体现周期平移重复 即不存在格子构造 第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 准晶体 quasi crystal 具有准周期格子构造的固体 准周期构造 不同于晶体中的平移周期 但具有自相似性 放大或缩小 准晶体的质点排列虽具有长程有序 但不体现平移的周期重复 即不存在格子构造 具五次对称轴定向长程有序但无重复周期的图形 小结晶体 具有格子构造的固体 或内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体 非晶质体 与晶体结构相反 内部质点不作周期性的重复排列的固体 即称为非晶质体 第三节空间格子 spacelattice1 空间格子的导出相当点 成分 环境 方位相同 几何点 空间意义 第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 第三节空间格子 spacelattice1 空间格子的导出 空间点阵的引出 A NaCl中沿y轴Na 和Cl 排列的情况 B Na 的直线排列 C 抽象为直线点阵 一维图案 二维图案 a NaCl中xy平面Na 和Cl 排列的情况 b Na 或Cl 的平面排列 c 抽象为平面点阵 c 三维图案 左 NaCl中Na 和Cl 排列的情况右 抽象为空间点阵 等同点的分布可以体现晶体结构中所有质点的重复规律 等同点在三维空间作格子状排列 我们称为空间格子 同一晶体结构 其空间格子一定是固定和相同的 第三节空间格子 spacelattice2 空间格子要素及基本规律 1 结点 node 相当点 几何点 2 行列 row 任意二结点 结点间距 row spacing 3 面网 net面网密度 面网间距 4 平行六面体 parallelhexahedron实际晶体单位晶胞 第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 第三节空间格子 spacelattice 第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 空间格子中的结点 行列与面网 model NodeRowNet 面网密度与面网间距关系示意图 相互平行的面网间面网密度相等 其面网间距也相等 不相平行的一般不等 且面网密度大的面网间距大 反之 网密度小的面网间距小 平行六面体 空间格子中的最小单位体积 空间格子可以被看成是由无数个平行六面体在三维空间无间隙地重复堆叠而成 平行六面体对应的实际晶体中相应的范围叫晶胞 NaCl晶胞 金红石晶胞 第四节晶体的基本性质 theultimatepropertiesofcrystal1自限性 self confinement 形态 晶面 面网 晶棱 行列 角顶 结点 第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal 矿物自限性 矿物自限性 2均一性 homogeneity 晶体内部任意两个部分的化学组成和物理性质是等同的 可以用数学公式来表示 设在晶体的x处和x x 处取得小晶体 则F x F x x 此处F表示化学组成和性质等物理量度 非晶质体也具有其均一性 但由于非晶质体的质点排列不具有格子构造 所以其均一性是统计的 平均近似的均一 称为统计均一性 而晶体的均一性是取决于其格子构造的 称为结晶均一性 矿物异向性 3异向性 anisotropy方向上4对称性 symmetry指晶体中相同部分 如外形上的相同晶面 晶棱 内部结构中的相同面网 行列或原子 离子等 或性质 能够在不同的方向或位置上有规律重复出现的特性 例如 蓝晶石的不同方向上硬度不同 AA方向 H 4 5 小刀可刻动 BB方向 H 6 5 小刀不能刻动 因此 蓝晶石又叫做二硬石 5 最小内能性 在相同的热力学条件下 与同种化学成分的气体 液体及非晶质体相比 以晶体的内能为最小 内能 动能 势能质点在平衡点质点间相对周围作无规则位置所产生振动的能量能量6 稳定性 在相同的热力学条件下 具有相同化学成分的晶体和非晶质体相比 晶体是稳定的 而非晶质体是不稳定的 对于化学成分相同的物质 以不同的物理状态存在时 其中以结晶状态最为稳定 这一性质与晶体的内能最小是吻合的 在没有外加能量的情况下 晶体是不会自发地向其它物理状态转变的 6 稳定性晶体与非晶体加热曲线 4 晶面发育的一般规律 4 晶面发育的一般规律 自然界产生的晶体 绝大部分是从液体中结晶出来的 在液体中晶体的生长 首先是由于温度降低 液体达到过饱和产生晶芽 一旦晶芽形成后 就形成了晶 液界面 在界面上就要进行生长 即组成晶体的原子 离子要按照晶体结构的排列方式堆积起来形成晶体 4 晶面发育的一般规律 1 层生长理论模型 科塞尔理论模型 Kossel1927 晶体在理想情况下生长时 先长一条行列 然后长相邻的行列 在长满一层面网后 再开始长第二层面网 晶面 最外面的面网 是平行向外推移而生长的 4 晶面发育的一般规律 这一模型要讨论的关键问题是 在一个正在生长的晶面上寻找出最佳生长位置 有平坦面 两面凹角位 三面凹角位 其中平坦面只有一个方向成键 两面凹角有两个方向成键 三面凹角有三个方向成键 见图 4 晶面发育的一般规律 如图 最佳生长位置是三面凹角位 其次是两面凹角位 最不容易生长的位置是平坦面 这样 最理想的晶体生长方式就是 先在三面凹角上生长成一行 以至于三面凹角消失 再在两面凹角处生长一个质点 以形成三面凹角 再生长一行 重复下去 看动画 三面凹角 二面凹角 一般位置 4 晶面发育的一般规律 层生长理论可解释如下一些现象 1 晶体常生长成面平 棱直的多面体形态 2 在晶体生长过程中 环境会有变化 不同时刻生成的晶体在物理性质和成分等方面可能有细微的变化 因而在晶体的端面上常常可以看到带状构造 晶面是平行向外推移生长的 3 由于晶面是平行向外推移生长的 所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变 4 晶面发育的一般规律 晶面 晶棱 角顶与面网 行列 节点的关系 何种面网发育成晶面 4 晶面发育的一般规律 2 布拉维法则 法国结晶学家A bravis提出 实际晶体的面网常常是由晶体格子构造中面网密度大的面网发育成的 看动画 面网密度小生长速度快 晶面消失快 面网密度大生长速度慢 易保留下来成为晶面 理想状态 不考虑外界条件 4 晶面发育的一般规律 4 晶面发育的一般规律 石英的理想晶体 歪晶 4 晶面发育的一般规律 3 面角守恒定律lawofconstancyofangle1669年丹麦学者N Steno研究石英和赤铁矿晶体 发现同种物质的晶体 其对应晶面间的角度守恒 重要发现 为几何结晶学研究奠定基础 4 晶面发育的一般规律 面角守恒定律的发现 对结晶学的发展起到了深远的影响 1 使人们能从实际晶体各种变化的形态中 找到它们在外形上所固有的基本规律 得以根据面角关系来恢复晶体的理想形态 从而奠定了几何结晶学的基础