晶体的基本概念和性质

无机材料物理化学,第一章结晶学基础,结晶学基础,1.晶体生长学：研究天然及人工晶体的形成生长和变化的过程与机理以及控制和影响因素。2.几何结晶学：研究晶体宏观结晶几何多面体的形状和微观质点的分布规律。3晶体化学：研究晶体的化学组成与晶体的结构和构造与性质之间的关系和规律。4晶体物理：研究晶体的物理性质及机理。,第一章结晶学基础,本章重点掌握的学习内容：晶体的定义和晶体的基本性质空间格子理论晶体的对称性、各种对称要素和晶体的分类晶体定向原则和晶体符号十四种空间格子和晶体的微观对称规律六方密堆和立方密堆及四面体空隙和八面体空隙配位数和配位多面体鲍林规则,1-1晶体的基本概念和性质,本次课重点讲述晶体的定义；晶体的空间格子理论和晶体的基本性质。,在自然界中矿物例如，石英、方解石、金刚石等，它们都是晶体。,一、晶体的定义,方锑矿的八面体晶体,水晶,方解石,晶体钒铅矿短拄状黄铁矿立方体,高岭石的电镜照片扫描电子显微镜下的粘土矿物的晶体。,尖晶石的晶体,在十七世纪以前，人们就把这种天然的、具有规则几何外形的物质称为晶体,随着科学的进步，到了17世纪，人们在开发矿业及进一步研究发现，自然界中绝大多数的固态物质都是晶体，例如约百分之九十左右的无机单质在常温下是晶体，无机化合物中大多数（如冰、食盐）也是以晶体形式存在。那么，什么是晶体呢？要回答这个问题，我们必须对物质的内部结构进行深入地了解。,钼铅矿厚板状,认识晶体的过程,认识晶体外表特征内部构造晶体定义。,氯化钠,取小于0.1立方毫米的氯化钠的晶体。,我们通过放大的氯化钠晶体结构，来研究一下晶体的定义。作为这个放大的氯化钠晶体结构的图形，我们做以下假设：1.晶体处于0k；2.晶体为理想状态，为无缺陷晶体；3.假设可以把晶体放大上千万倍；4.正负离子都视为刚性球体；5.表面断键不产生任何晶体表面原子重排和变形。,这时展现在我们面前的氯化钠的晶体应是以下的形象。,沿着立方体的三条棱边方向，Cl-与Na+各自部是每隔0.5628nm的距离重复一次，而沿着对角线方向，则各自都每隔0.3973nm的距离重复，其它方向上的情况也都类似，只不过各自重复的间距大小不同而已。,如果把氯离子和钠离子缩小，分别用黑点和白圈代表C1-与Na+离子，并用直线将它们连接起来，这样，就可以得出一个如左图所示内部质点排布的立体图形。,图中大球代表氯离子C1-，小球代表钠离子Na+。可以看出，这些离子在空间的不同方向上，各自都是按着一定的间距周期性重复排列出现的。,研究表明，所有石盐，不论外部形态是否规则，它们的内部质点都是作周期性重复排列的。石盐之所以能够成为立方体的规则外形，正是其内布质点周期性重复排列在宏观的反应的结果。,方解石（CaCO3）的晶体结构,晶体的定义,经过大量工作，目前已经知道了数以千计的不同种类的晶体结构，尽管各种晶体的结构互不相同，但内布质点都具有周期性重复排列这一点则是一切晶体的共同属性。因此，可以得出一个晶体的简明的定义：晶体即是内部质点（原子、离子或原子团）在三维空间呈周期性重复排列的固体。,1912年德国科学家劳厄用晶体作光栅，使X射线产生衍射，证明晶体内部质点是有序排列的；1914年英国科学家布拉格父子用各种各样的晶体作大量的衍射实验。三位科学家研究成果揭示了一切晶体皆具有内布质点周期性重复排列构造的秘密。,晶体内部质点有序性的证明：,单晶硅(110)晶面的结构像,上个世纪50年代以后，用透射电子显微镜观察也证实了晶体的内部具有规则排布的特点。,非晶体固体物质的内部质点在三维空间不做规律的排列，称为非晶体或非晶态固体。例如，玻璃、塑料、沥青等。,硼酸盐玻璃的模型,二、空间格子1、等同点（相当点）:在晶体结构中具有相同几何环境和物资环境的几何点。,26,相当点（等同点）：晶体结构中物质环境和几何环境完全相同的点。可从晶体结构中的任一点出发。,27,2、空间格子点阵（简称空间格子）空间格子为从晶体结构中抽像出来的一套相当点或等同点的几何模型。为无限的三维点阵模型。,28,空间格子表明了晶体物质在三维空间质点作周期性重复排列这一根本的性质，由此，晶体可定义为：晶体是具有格子构造的固体。,29,3、空间格子的要素1）节点：空间格子中的点称为节点。从一立方毫米的氯化钠晶体中可抽象出1027-28个节点。空间格子为无限的三位点阵模型。,30,3、空间格子的要素2）行列：连接空间格子中任意两个节点就决定了一条行列。每一行列都有一个最小的结点重复周期，它等于行列上两个相邻结点间的距离，简称结点间距。在空间格子中，有无数不同方向的行列。平行的各个行列上结点间距相等，不平行的行列，其上的结点间距一般不等。,31,3）、网面连接空间格子中分布在同一平面内的结点，即构成一个面网。显然，任意两个行列相交，就可决定出一个面网；或不在同一直线上的三个节点就可决定一个面网。在空间格子中，可有无数不同方向的面网。相互平行的面网，其单位面积内的结点数面网密度相等。,32,从一节点出发，连接不在同一平面上的三个节点，就构成了一个平行六面体。平行六面体由六个两两平行的面网组成，结点分布于角顶上，平行六面体的三个棱长，是三条相应行列的结点间距。这样的平行六面体又称单位平行六面体,4）、平行六面体：,三、晶体的基本性质1、均一性：由于晶体内部结构的特征，因此，晶体在其任一部位上都具有相同的性质。,2、各向异性：晶体在不同的方向上表现出的性质的差异。,如兰晶石在不同的方向上硬度有很大差异。,AA方向，H4.5，小刀可刻动。BB方向，H6.5，小刀不能刻动,由于不同的晶面质点的排布不同，决定了不同的晶面上的性质不同,3、自限性或自范性：晶体能自发形成封闭的凸几何多面体外形的特征。晶面：结晶多面体上的平面。