结晶学与矿物学

1、2020/7/11,结晶学与矿物学crystallography and mineralogy,胡 斌 tel13787195298 中南大学,2020/7/11,crystallography and mineralogy课程简介,结晶学与矿物学是地球科学主干课程、专业基础课 课程研究对象：晶体和矿物 结晶学：以晶体为研究对象，主要研究晶体的对称规律。研究的是晶体的共同规律，不涉及到具体的晶体种类。 特点：空间性、抽象性、逻辑性、理性、共性 与后续矿物学形成明显的对比 矿物学：以矿物晶体为研究对象，主要研究各具体矿物晶体的成分、物理性质、成因特点等。 特点：经验性、

2、具体性、归纳分类性、感性、个性 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 蒙脱石 宝玉石,2020/7/11,2020/7/11,课程目的要求,通过学习，要求对矿物晶体有系统的认识和了解，掌握矿物内外属性、形成作用及其在人类生产生活中的用途，为进一步学习后续专业课程奠定基础。 考查与考核相结合，严格评分标准，公平合理。,2020/7/11,第一篇 结晶学基础（50%学时）（研究对象晶体）,第一章 晶体与晶体的基本性质 第二章 晶体生长模型与面角恒等定律 第三章 晶体的测量与投影 第四章 晶体的外部对称 第五章 晶体定向与晶体符号 第六章 单形与聚形 第七章

3、 晶体的规则连生 第八章 晶体结构 第九章 晶体化学,2020/7/11,第二篇 矿物学（50%学时）（研究对象矿物(天然产出的晶体)）,第十章 矿物与矿物学的发展趋势 第十一章 矿物的形态 第十二章 矿物的物理性质 第十三章 矿物的化学成分 第十四章 矿物的命名与分类 第十五章 自然元素矿物大类 第十六章 金属互化物矿物大类 第十七章 硫化物及其类似化合物矿物大类 第十八章 氧化物和氢氧化物矿物大类 第十九章 含氧盐矿物大类（一） 第二十章 含氧盐矿物大类（二） 第二十一章 卤化物矿物大类,2020/7/11,第一篇 结晶学基础结晶学（晶体学）发展历史及分支学科简介,结晶学始于17世纪中叶人

4、类的矿业活动，与天文学一起成为人类认识物质世界发展最早的两门自然科学。 1718世纪：以研究晶体形态为主，也初步推测研究晶体内部结构的几何规律； 19世纪末20世纪初：X射线的发现及其对晶体结构的测量，进入晶体内部结构研究阶段； 20世纪70年代以来：透射电镜研究晶体内部超微结构细节； 20世纪80年代，发现准晶体，开辟了晶体对称理论新领域。,2020/7/11,分支学科： 几何结晶学研究晶体宏观形态几何规律，主要是对称规律。 晶体结构学研究晶体内部结构几何规律及缺陷。 晶体化学研究晶体成分与结构的关系。 晶体生长学研究晶体生长机理及其影响因素。 晶体物理学研究晶体物理性质及其产生机理。 以晶

5、体形态对称规律及晶体内部结构对称规律为主，简介晶体化学与晶体生长。,2020/7/11,第一章 晶体与晶体的基本性质crystal and the ultimate properties of crystal,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,2020/7/11,一、晶体的基本概念,1.晶体的定义： 人类最早把具有天然规则几何多面体形态的固 体叫晶体。 现代对晶体的定义是：晶体（crystal)是内部 质点（原子、离子或分子）在三维空间周期性地 重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间 周期性地重复排列也称格子构造，所以晶体是具 有格子构造的固体。,2

6、020/7/11,石盐的晶体结构,2020/7/11,2.不具格子构造的物质称为非晶体或非晶态 3.晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化 非晶态 晶态 (晶化 ，自发进行) 晶态 非晶态 (非晶化 ，需要外能),2020/7/11,所以,晶体比非晶体稳定。自然界的固体物 质中，绝大多数是晶体。 4.准晶体（quasicrystal)： 一种新的物态，其内部质点排列具有远程规 律，但没有平移周期，即不具格子构造。这种物 态是介于晶体与非晶体之间的一种状态。,2020/7/11,二、空间格子,1.概念：空间格子就是表示晶体内部结构中质点周期 性重复排列规律的几何图形。,空间格子的导出：,（a）晶体

7、平面结构图,（b）相当点(空间点阵) （c）空间格子,相当点：是指质点种类相同，周围环境（分布种类相同和取向相同的其他质点）也一样的几何点。,2020/7/11,首先在晶体结构中找出相当点，再将相当点按照一定的 规律连接起来就形成了空间格子。 相当点（两个条件：1、性质相同，2、周围环境相同。）,2020/7/11,空间格子与具体的晶体结构是什么关系？ 可以认为具体的晶体结构是多套空间格子组成的，见图。 具体的晶体结构是多种原子、离子组成的，使得其重复规 律不容易看出来，而空间格子就是使其重复规律突出表现出 来。空间格子仅仅是一个体现晶体结构中的周期重复规律的 几何图形，比具体晶体结构要简单的

8、多。,2020/7/11,2.空间格子的要素： （1）结点：是空间格子中的点，它们代表晶体 结构中的相当点。在实际晶体中,结点的位置一定 由同种质点所占据。在空间格子中，它们只有几 何意义，为几何点。,2020/7/11,（2）行列：结点在直线上的排列构成行列。空间 格子中任意两个结点联结起来就是一条行列的方向。 在同一行列中结点间距是相等的，在平行的行列上 结点间距也是相等的；不同方向的行列，其结点间 距一般是不等的。,空间格子中的行列,2020/7/11,（3）面网：结点在平面上的分布构成面网。 空间格子中不在同一行列上的任意三个结点就可以联结成 一个面网，即任意两个相交的行列就可以决定一

9、个面网。 面网上单位面积内结点密度称为面网密度。 相互平行的面网，面网密度相同，面网间距（两相邻面网 间的垂直距）也必定相等； 互不平行的面网，面网密度 及面网间距一般不同。,空间格子中的面网,2020/7/11,面网密度与面网间距之间关系的示意图,1,2,3,4,结论：面网密度大的面网其面网间距也大，反之，密度小，间距也小。,2020/7/11,（4）平行六面体：是空间格子中所划分出的最小 重复单位。它由六个两两平行而且相等的面组成。 实际晶体结构中所划分出的这种最小重复单位, 称为晶胞。 整个晶体结构可视为晶胞在三维空间平行地、 毫无间隙地重复累叠而成。 晶胞的形态和大小取决于晶胞参数（a

10、、b、c； 、，也称为轴长和轴角）。,2020/7/11,平行六面体,空间格子,返回,2020/7/11,平行六面体可具有各种不同的形状，各种形状的 平行六面体的晶胞参数怎么样？ 我们以后将会看到，平行六面体的形状一共有7 种，对应有7套晶胞参数的形式，也对应7个晶系。,2020/7/11,三、晶体的基本性质,1、自限性： 是指晶体在适当条件下，可以自发地形成几何多 面体外形的性质。其表现在晶体为平的晶面所包围, 是格子构造在外形上的直接反映。 晶面(晶体表面自发形成的平面)面网 晶棱(两个晶面的交棱）行列 角顶(晶棱会聚成尖的角顶)结点,晶面、晶棱、角顶与面网、行列、结点的关系示意图,202

11、0/7/11,晶体的几何多面体形态受格子构造制约，它 服从于一定的结晶学规律。 2、均一性 是指晶体上的任一部位具有和整个晶体完全相同的性质。 因为晶体是具有格子构造的固体,在一个晶体的各个不同部位都具有完全相同的格子构造，所以它们所表现出的各项性质也必定完全相同结晶均一性。,2020/7/11,非晶质体具有统计均一性。因为非晶质体 不具有格子构造（质点排列不具远程规律），非晶 质体的各个不同部分，没有任何两部分的内部结构 是完全相同的，它们所以它们所表现出的各项性质 也只是在统计意义上才是均一的。如玻璃的不同部 分折射率等也是相同的。,2020/7/11,3、异向性（各向异性）：,是指晶体的

12、性质随方向不同而有所差异。因 为同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一 样的，因此沿不同方向观察时，晶体的各项性质将表现 出差异来。如蓝晶石（二硬石）的硬度， 随方向的不同而有显著的差别。平行晶 体的延长方向AA可用小刀刻动，而垂直 晶体的延长方向BB小刀不能刻动。 非晶质体一般具各向同性，而无异向性。,2020/7/11,4、对称性： 是指在晶体的外形上,相等的晶面、晶棱和角 顶重复出现的性质。晶体的格子构造本身就是质 点重复规律的体现。所以一切晶体都是对称的。 对称性是晶体极其重要的性质,是晶体分类的 基础。,2020/7/11,5、最小内能：,是指在相同的热力学条件下，晶体与同种

13、物 质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小.,内能,动能（与物质所处的热力学条件有关，温度越高，质点运动越强，动能也越大，不能用来比较内能的大小。）,势能（位能，取决于质点间的距离与排列。势能越大，内能也越大。),2020/7/11,因为，晶体是具有格子构造的固体，其内部质点是有规律排列的，这种规律的排列是质点间的引力与斥力达到平衡的结果。所以，晶体具有最小内能。 对比加热曲线：,熔点,时间,温度,晶体,温度,时间,非晶质体,2020/7/11,晶体有固定的熔点，而非晶质体没有固定的熔点。 6、稳定性： 是指在相同的热力学条件下，晶体比具有相同 化学成分的非晶质体稳定。因为，非晶质体有自 发转变为晶体的必然趋势，而晶体决不会自发转 变为非晶质体。,非晶质体,外界能量,晶体,自发地,晶体的稳定性是晶体具有最小内能的必然结果。,晶体,2020/7/11,本章重点（3组重要的基本概念）,晶体的概念（着重