结晶学与矿物学复习题及答案(答案)

结晶学与矿物学复习题及答案(答案)一、名词解释1.晶体：晶体是具有格子构造的固体，即其内部质点（原子、离子、分子）在三维空间呈周期性重复排列。例如，食盐（NaCl）晶体中，钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl⁻）按一定的规律在空间重复排列，形成立方面心格子构造。2.空间格子：表示晶体内部质点在三维空间作周期性平移重复排列规律的几何图形。它是从实际晶体结构中抽象出来的，只考虑质点的重复规律，不涉及质点的具体性质。空间格子由结点、行列、面网和平行六面体四个要素组成。3.对称型：晶体中全部对称要素的组合称为对称型。例如，立方体具有3L⁴4L³6L²9PC的对称型，其中3L⁴表示3根4次对称轴，4L³表示4根3次对称轴，6L²表示6根2次对称轴，9P表示9个对称面，C表示对称中心。4.单形：由对称要素联系起来的一组晶面的总和。单形的晶面可以相互推导，具有相同的性质。例如，立方体是一种单形，它的6个晶面都相互对称，晶面的形状和大小完全相同。5.聚形：两个或两个以上单形的聚合称为聚形。只有对称型相同的单形才能相聚形成聚形。例如，在石英晶体中，常可见到六方柱和菱面体的聚形。6.类质同像：晶体结构中某种质点（原子、离子或分子）被其他类似的质点所代替，而能保持原有晶体结构类型，只是晶格常数稍有改变的现象。例如，镁橄榄石（Mg₂[SiO₄]）中的Mg²⁺可以部分地被Fe²⁺代替，形成铁镁橄榄石（(Mg,Fe)₂[SiO₄]）。7.同质多像：同种化学成分的物质，在不同的物理化学条件（温度、压力、介质等）下，形成不同结构晶体的现象。例如，碳（C）在高温高压下形成金刚石，而在常温常压下则形成石墨，金刚石和石墨就是碳的同质多像变体。8.矿物的解理：矿物晶体在外力作用下，沿一定的结晶学方向破裂成一系列光滑平面的性质。解理面一般平行于面网密度最大的面网。例如，方解石具有三组完全解理，解理面相互斜交。9.矿物的断口：矿物在外力作用下，不沿一定结晶学方向破裂而形成的各种不规则的断面。断口的形态有贝壳状、锯齿状、参差状等。例如，石英常具有贝壳状断口。10.矿物的硬度：矿物抵抗外来机械作用（如刻划、压入、研磨等）的能力。通常用摩氏硬度计来表示矿物的硬度，摩氏硬度计由10种硬度不同的矿物组成，从软到硬依次为：滑石（1）、石膏（2）、方解石（3）、萤石（4）、磷灰石（5）、正长石（6）、石英（7）、黄玉（8）、刚玉（9）、金刚石（10）。二、简答题1.简述晶体的基本性质晶体具有以下基本性质：-自限性：晶体能够自发地生长成规则的几何多面体形态。这是因为晶体内部质点的规则排列决定了其外部形态的规律性。例如，水晶晶体常生长成六方柱状。-均一性：同一晶体的各个部分的物理性质和化学性质是相同的。这是由于晶体内部质点的周期性重复排列，使得晶体在不同部位的结构和组成相同。例如，一块石英晶体，其不同部位的密度、硬度等性质都是一致的。-异向性：晶体的性质随方向的不同而有所差异。这是因为晶体内部不同方向上质点的排列方式和间距不同。例如，石墨在平行于层状结构方向上的导电性和导热性明显优于垂直方向。-对称性：晶体的外形和内部结构都具有一定的对称性。晶体的对称要素包括对称轴、对称面、对称中心等。晶体的对称性不仅影响其外形，还对其物理性质有重要影响。-最小内能性：在相同的热力学条件下，与同种化学成分的非晶质体、液体、气体相比，晶体的内能最小。这使得晶体具有较高的稳定性。-稳定性：晶体具有较高的稳定性，这是由于其内部质点的规则排列和最小内能性决定的。晶体在一定的物理化学条件下能够保持其结构和性质的相对稳定。2.简述空间格子的四个要素-结点：空间格子中的点，代表晶体结构中的等同点。结点是抽象的几何点，不代表具体的质点，但反映了晶体结构中质点的重复规律。-行列：结点在直线上的排列即构成行列。行列中相邻结点间的距离称为结点间距。同一行列上的结点间距相等，不同行列的结点间距一般不同。平行行列的结点间距相等。-面网：结点在平面上的分布构成面网。面网中单位面积内的结点数称为面网密度，相邻面网间的垂直距离称为面网间距。面网密度大的面网，其面网间距也大。-平行六面体：空间格子中最小的重复单位，由三组相交的行列围成。平行六面体的形状和大小由其三条棱长a、b、c及它们之间的夹角α、β、γ决定，这六个参数称为晶胞参数。3.简述晶体对称的特点-晶体对称受格子构造的限制：晶体的对称是有限的，只有符合格子构造规律的对称才能在晶体中出现。例如，晶体中不可能出现5次对称轴，因为5次对称轴的旋转无法与格子构造的周期性重复相协调。-晶体对称不仅表现在外形上，还表现在物理性质上：晶体的对称不仅决定了其外形的对称性，还影响其物理性质的对称性。例如，具有对称中心的晶体，其物理性质在对称中心的两侧是相同的。-晶体对称是晶体分类的重要依据：根据晶体的对称特点，可以将晶体分为不同的晶族、晶系和对称型，从而建立起晶体的分类体系。4.简述单形的推导方法单形的推导可以通过对称型中对称要素对一个原始晶面的作用来实现，具体步骤如下：-选择一个原始晶面，该晶面的取向应符合晶体的对称规律。-利用对称型中的对称要素（对称轴、对称面、对称中心等）对原始晶面进行操作，使原始晶面发生旋转、反映、反伸等变换。-经过对称要素的作用后，得到的所有晶面构成一个单形。-例如，对于具有L⁴4L²5PC对称型的晶体，选择一个与L⁴垂直的晶面作为原始晶面，通过L⁴的旋转作用，可以得到4个与原始晶面平行且等距的晶面，再结合其他对称要素的作用，最终可以推导出八面体单形。5.简述类质同像的条件-离子或原子半径相近：相互替代的离子或原子的半径差值一般不超过15%-10%。例如，Mg²⁺（半径为0.072nm）和Fe²⁺（半径为0.078nm）半径相近，容易发生类质同像替代。-离子电价总和相等：在类质同像替代过程中，要保持晶体的电中性。可以通过等价替代或异价替代来实现。等价替代是指离子电价相同的替代，如Mg²⁺替代Fe²⁺；异价替代则需要通过多种离子的组合替代来保持电价平衡，如Na⁺+Si⁴⁺=Ca²⁺+Al³⁺。-离子类型和化学键相似：相互替代的离子的外层电子构型和化学键类型应相似。例如，具有惰性气体型离子外层电子构型的离子之间容易发生类质同像替代。-温度、压力和介质条件：温度升高有利于类质同像的发生，因为高温下离子的活动能力增强，更容易相互替代。压力的变化对类质同像也有一定影响，一般来说，压力增大可能限制类质同像的范围。介质的酸碱度、氧化还原电位等也会影响类质同像的发生。6.简述同质多像转变的类型及特点-可逆转变和不可逆转变-可逆转变：在一定的温度和压力条件下，两种同质多像变体可以相互转变。例如，石英的α-石英和β-石英之间的转变，当温度升高到573℃时，α-石英转变为β-石英；当温度降低到573℃以下时，β-石英又转变为α-石英。这种转变是快速的、可逆的，且不涉及晶体结构的明显破坏。-不可逆转变：一种同质多像变体转变为另一种变体后，在一般条件下不能再转变回来。例如，金刚石和石墨之间的转变，金刚石在高温高压下形成，一旦形成后，在常温常压下很难再转变为石墨。这种转变通常需要较高的能量，且涉及晶体结构的重大改变。-重建式转变、位移式转变和有序-无序转变-重建式转变：转变过程中晶体结构发生彻底的破坏和重建，原子或离子需要重新排列。这种转变速度较慢，需要较高的能量。例如，碳从石墨结构转变为金刚石结构就是重建式转变。-位移式转变：转变过程中晶体结构的基本框架不变，只是原子或离子发生了微小的位移。这种转变速度较快，不需要太高的能量。例如，石英的α-β转变就是位移式转变。-有序-无序转变：在转变过程中，晶体结构中原子或离子的有序程度发生变化。当温度升高时，晶体结构趋于无序；当温度降低时，晶体结构趋于有序。例如，黄铜矿（CuFeS₂）在高温下为无序结构，在低温下为有序结构。7.简述矿物解理产生的原因矿物解理的产生与晶体结构密切相关，主要原因如下：-面网密度与解理的关系：解理面一般平行于面网密度最大的面网。因为面网密度大的面网，其面网间距也大，面网间的引力较小，在外力作用下容易沿着这些面网破裂形成解理面。例如，方解石的解理面平行于其面网密度最大的面网，这是由于面网间的结合力较弱，容易裂开。-化学键与解理的关系：晶体中不同方向上化学键的类型和强度不同，也会影响解理的产生。如果某一方向上的化学键较弱，在外力作用下就容易沿着该方向破裂形成解理。例如，石墨具有层状结构，层内碳原子之间以共价键结合，结合力较强；层间以分子间力结合，结合力较弱，所以石墨具有平行于层状结构方向的完全解理。-晶体结构的对称性与解理的关系：晶体的对称性也会影响解理的方向和组数。具有对称要素的晶体，其解理面的分布往往与对称要素相关。例如，具有立方对称的晶体，可能具有三组相互垂直的解理。8.简述矿物硬度的影响因素-晶体结构的影响-原子或离子的堆积方式：紧密堆积的晶体结构，原子或离子之间的结合力较强，硬度较高。例如，金刚石具有典型的原子晶体结构，碳原子以共价键紧密堆积，其硬度为10，是自然界中最硬的矿物。-化学键的类型和强度：共价键的强度一般大于离子键和金属键，因此具有共价键的矿物硬度通常较高。例如，石英（SiO₂）以共价键为主，硬度为7；而方解石（CaCO₃）以离子键为主，硬度为3。-化学成分的影响-离子半径和电价：离子半径小、电价高的离子，其形成的化学键较强，矿物的硬度也较高。例如，Al³⁺的半径比Mg²⁺小，电价比Mg²⁺高，因此含Al³⁺的矿物硬度一般比含Mg²⁺的矿物硬度高。-化学成分的复杂性：一般来说，化学成分简单的矿物硬度较高，而化学成分复杂的矿物硬度较低。例如，石英（SiO₂）的化学成分简单，硬度较高；而石榴子石（A₃B₂[SiO₄]₃）化学成分复杂，硬度相对较低。-外界因素的影响-温度：温度升高会使原子或离子的热振动加剧，化学键的强度减弱，从而导致矿物硬度降低。-压力：压力增大一般会使矿物的硬度增加，因为压力可以使原子或离子更加紧密地堆积，增强化学键的强度。三、论述题1.论述晶体的分类体系及各晶族、晶系的特点晶体的分类体系是根据晶体的对称特点进行划分的，主要分为三个晶族、七个晶系，具体如下：-低级晶族-三斜晶系：对称型中只有对称中心（C）或1次对称轴（L¹）。晶体的晶轴a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°。三斜晶系的晶体对称性最低，外形不规则，常见的矿物有斜长石等。-单斜晶系：对称型中必有1个2次对称轴（L²）或1个对称面（P）。晶体的晶轴a≠b≠c，α=γ=90°，β≠90°。单斜晶系的晶体具有一定的对称性，常见的矿物有石膏、云母等。-斜方晶系：对称型中具有3个相互垂直的2次对称轴（3L²）或2个相互垂直的对称面和1个2次对称轴（L²2P）。晶体的晶轴a≠b≠c，α=β=γ=90°。斜方晶系的晶体对称性较高，常见的矿物有黄玉、橄榄石等。-中级晶族-四方晶系：对称型中必有1个4次对称轴（L⁴）或4次旋转反伸轴（L⁴i）。晶体的晶轴a=b≠c，α=β=γ=90°。四方晶系的晶体具有明显的四次对称性，常见的矿物有锆石、金红石等。-三方晶系：对称型中必有1个3次对称轴（L³）。晶体的晶轴a=b=c，α=β=γ≠90°（采用菱面体晶胞）或a=b≠c，α=β=90°，γ=120°（采用六方晶胞）。三方晶系的晶体具有三次对称性，常见的矿物有石英、方解石等。-六方晶系：对称型中必有1个6次对称轴（L⁶）或6次旋转反伸轴（L⁶i）。晶体的晶轴a=b≠c，α=β=90°，γ=120°。六方晶系的晶体具有六次对称性，常见的矿物有磷灰石、绿柱石等。-高级晶族-等轴晶系：对称型中具有4个3次对称轴（4L³）。晶体的晶轴a=b=c，α=β=γ=90°。等轴晶系的晶体对称性最高，外形规则，常见的矿物有金刚石、黄铁矿、方铅矿等。2.论述矿物的鉴定方法及各方法的优缺点-肉眼鉴定法-方法简介：通过肉眼观察矿物的形态、颜色、光泽、硬度、解理、断口等物理性质来鉴定矿物。这是最基本、最常用的鉴定方法，简单快速，可以在野外直接进行。-优点：操作简便，不需要复杂的仪器设备，能够快速对矿物进行初步鉴定，为进一步的研究提供基础。例如，在野外地质调查中，通过肉眼观察就可以初步识别一些常见的矿物，如石英、长石、方解石等。-缺点：鉴定结果的准确性受鉴定者经验和专业知识的影响较大，对于一些物理性质相似的矿物难以准确区分，对于矿物的化学成分和晶体结构等信息无法提供详细的内容。-显微镜鉴定法-方法简介：包括偏光显微镜和反光显微镜。偏光显微镜主要用于鉴定透明矿物，通过观察矿物在偏光下的光学性质，如折射率、双折射、消光现象等，来确定矿物的种类和晶体结构。反光显微镜主要用于鉴定不透明矿物，通过观察矿物的反射光性质，如反射率、颜色、硬度等，来进行鉴定。-优点：能够观察到矿物的内部结构和光学性质，对于矿物的鉴定具有较高的准确性，可以区分一些肉眼难以区分的矿物。例如，在岩石薄片中，通过偏光显微镜可以准确鉴定出各种矿物的成分和含量。-缺点：需要制备专门的薄片或光片，操作相对复杂，对仪器设备和操作人员的技术要求较高，且只能观察到矿物的微观特征，对于矿物的宏观形态和物理性质的观察不够直观。-化学分析法-方法简介：通过分析矿物的化学成分来鉴定矿物。常用的方法有重量分析法、容量分析法、比色分析法等。这些方法可以准确测定矿物中各种化学成分的含量。-优点：能够准确测定矿物的化学成分，对于确定矿物的种类和研究矿物的成因具有重要意义。例如，通过化学分析可以确定矿物中各种元素的含量，从而判断矿物的形成环境。-缺点：分析过程复杂，需要较长的时间和专业的化学分析设备，对样品有一定的破坏作用，且只能提供矿物的化学成分信息，无法直接反映矿物的晶体结构。-X射线衍射分析法-方法简介：利用X射线与晶体相互作用产生的衍射现象，来分析矿物的晶体结构。通过测量X射线衍射图谱中的衍射峰位置和强度，可以确定矿物的晶胞参数、原子位置等晶体结构信息。-优点：是鉴定矿物晶体结构最准确的方法，可以确定矿物的种类和晶体结构类型，对于研究矿物的成因和性质具有重要意义。例如，通过X射线衍射分析可以确定矿物是属于哪种晶系和对称型。-缺点：仪器设备昂贵，操作复杂，对样品的要求较高，需要制备高质量的样品，且分析结果的解释需要专业的知识和经验。-光谱分析法-方法简介：包括红外光谱、拉曼光谱、原子吸收光谱等。红外光谱和拉曼光谱主要用于分析矿物中的化学键和分子结构，原子吸收光谱用于分析矿物中微量元素的含量。-优点：可以快速、准确地分析矿物的化学成分和化学键信息，对于研究矿物的结构和性质具有重要意义。例如，红外光谱可以分析矿物中各种官能团的存在情况，原子吸收光谱可以准确测定矿物中微量元素的含量。-缺点：仪器设备昂贵，对样品的要求较高，分析结果的解释需要专业的知识和经验，且不同的光谱分析方法有其适用范围，不能全面分析矿物的所有信息。3.论述矿物的成因类型及各类型的特点-内生作用-岩浆作用-特点：岩浆是一种高温、高压的硅酸盐熔融体，在岩浆冷却结晶过程中形成各种矿物。岩浆作用形成的矿物种类繁多，主要有橄榄石、辉石、角闪石、长石、石英等。这些矿物通常具有较高的硬度和熔点，晶体形态较好。例如，在基性岩浆中，首先结晶出橄榄石，随着岩浆的冷却，依次结晶出辉石、斜长石等矿物。-形成环境：主要发生在地下深处，随着岩浆的上升和冷却，在不同的深度和温度条件下形成不同的矿物组合。-伟晶作用-特点：伟晶作用是在岩浆结晶的晚期，富含挥发分的残余岩浆在一定的物理化学条件下形成伟晶岩的过程。伟晶岩中的矿物晶体粗大，常常形成巨大的晶体，矿物种类丰富，除了常见的长石、石英、云母等矿物外，还含有许多稀有元素矿物，如锂辉石、铌钽铁矿等。-形成环境：通常发生在岩浆侵入体的顶部或边缘，由于挥发分的存在，降低了岩浆的粘度，有利于矿物晶体的生长。-热液作用-特点：热液是一种高温、高压的水溶液，其中含有各种金属离子和挥发性物质。热液作用形成的矿物种类繁多，主要有金属硫化物、氧化物、碳酸盐等。这些矿物通常具有良好的结晶习性，晶体形态多样。例如，在热液矿床中，常见的矿物有黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等。-形成环境：热液作用可以发生在不同的地质环境中，如火山活动区、构造活动带等。热液的来源可以是岩浆热液、变质热液或地下水热液等。-外生作用-风化作用-特点：在地表环境下，由于大气、水、生物等因素的作用，岩石和矿物发生物理和化学变化，形成新的矿物。风化作用形成的矿物主要有粘土矿物、铁锰氧化物、碳酸盐等。这些矿物通常粒度细小，晶体形态不明显。例如，长石在