1第一讲 晶体与结晶学

1、地球科学院 地质系主讲：余少雄联系电话程安排课时：36（理论课）+44（实习课）内容分为三个部分：第一部分第一部分 结晶学基础（结晶学基础（18+18学时）学时）;第二部分第二部分 矿物晶体化学（矿物学通论）矿物晶体化学（矿物学通论）（12+4学时学时);第三部分：矿物学各论（第三部分：矿物学各论（6+22学时）学时）教学地点：理论教学地点：理论 ；实习；实习D6208 课程简介：本学科是地质学科中基础的中基础本学科是地质学科中基础的中基础结晶学结晶学：以晶体为研究对象，主要研究晶体的对称规：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

2、体的晶体律。研究的是晶体的共同规律，不涉及到具体的晶体种类。种类。 特点：空间性、抽象性、逻辑性、共性特点：空间性、抽象性、逻辑性、共性与后续矿物学形成明显的对比：与后续矿物学形成明显的对比：矿物学矿物学: 矿物晶体为研究对象，主要研究各具体矿物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、成因特点等晶体的成分、物理性质、成因特点等 特点：经验性、感性、具体性、归纳分类性、个性特点：经验性、感性、具体性、归纳分类性、个性学科主讲内容 本课程是地质学专业的重要专业基础课。在结晶学部分，主要讲授：1. 晶体的定义，空间格子、空间格子要素和晶胞的概念。理解晶体的基本性质。2. 晶体生长

3、的科塞尔原理、布拉维法则、面角恒等定律。3. 晶体对称及对称特点。对称要素，对称定律，对称要素的组合定律，晶体的分类。4. 单形和聚形的概念，单形的种类。5. 晶体定向、晶面符号、单形符号、晶带及晶带符号。6. 晶体的平行连生和双晶。在矿物学部分，首先介绍矿物的概念、矿物的化学成分及内部结构、矿物的形态和物理性质、形成矿物的地质作用、矿物的分类和命名，然后分别介绍自然元素大类、硫化物及其类似化合物大类、氧化物及氢氧化物大类、含氧盐大类、卤化物大类的主要矿物种（至族）的特征，掌握主要矿物的鉴定特征。 考核与纪律成绩分三部分：作业（作业（10%）+标本考试标本考试（30%）+期末考试（期末考试（6

4、0%）; 总分60分及格课堂纪律：1. 不准无故缺席，有事请假；2.本课程与实习课为重，若有两次无故缺席，两次无故缺席，视作挂科处理视作挂科处理第一讲1.晶体、非晶质体、准晶2.空间格子3. 晶体的基本性质4.结晶学概况1.晶体、非晶质体、准晶1.1晶体水晶方解石 石英（Quartz）什么是晶体？什么是晶体？铬铅矿（Crocoite ） 电气石(Tourmaline)石膏(Gypsum)钼铅矿(Wulfenite)祖母绿(Emerald Brooch)钻石(Diamond)金刚石(Diamond)石榴子石(Garnet) 火蛋白石(Fire Opals)紫锂辉石(Kunzite) 软玉 (Ne

5、phrite)常林钻石重158.786克拉古代人对晶体的理解：古人将凡是天然具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态的固体称为晶体。如水晶、石盐。水晶我国最早称“水精”，有“几乃千年老冰”之说。在现实生活中，我们注意到：相同的物质，其所有性质都相同，但外形不同，如晶体味精与粉状味精，粗盐与精盐，前者具有几何多面体，后者则不具备。除此而外，其它性质均相同，我们就不能把前者称为晶体而将后者视为非晶体。X射线分析的方法出现，揭示了大量晶体的内部结构 ，让我们对晶体有了更为准确的理解。一切晶体，不论其外形如何，化学组成如一切晶体，不论其外形如何，化学组成如何，它的内部质点（原子、离子或分子）何，它的内部质

6、点（原子、离子或分子）都是作规律性排列的。也就是说，只要是都是作规律性排列的。也就是说，只要是晶体，其内部质点都是有规律排列的。前晶体，其内部质点都是有规律排列的。前例提到的粗盐（具立方体外形）与细盐例提到的粗盐（具立方体外形）与细盐（粉状），仅管其外形不同，但它们内部（粉状），仅管其外形不同，但它们内部质点质点Na与与Cl的排列规律都是一样的。的排列规律都是一样的。 由由NaCl结构模型的观察我们会发现，晶体内部质点的规结构模型的观察我们会发现，晶体内部质点的规则排列表现为质点的周期重复（举则排列表现为质点的周期重复（举Na与与Cl的周期重复排列的的周期重复排列的例子）。我们将质点的这种周期

7、性重复排列称之为例子）。我们将质点的这种周期性重复排列称之为格子构造格子构造。因此，凡是内部质点作规律排列，即具有格子构造的物质即为因此，凡是内部质点作规律排列，即具有格子构造的物质即为晶体晶体。 综上所述，我们对晶体综上所述，我们对晶体 作出如下定义：作出如下定义： 晶体是具有格子构造的固体晶体是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。 格子构造是一切晶体格子构造是一切晶体 最本质的特征最本质的特征。格子构造的形象展示石盐的晶体结构1.2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，即称为非晶质体非晶质体。非晶质体不具格子构造，它不是真正意义上的固

8、非晶质体不具格子构造，它不是真正意义上的固体，而是一种呈凝固态的体，而是一种呈凝固态的过冷凝体过冷凝体。非晶质体如。非晶质体如玻璃、琥珀、松香等，这些物质的内部质点的分玻璃、琥珀、松香等，这些物质的内部质点的分布类似于液体，在非晶质体的各个部位上，没有布类似于液体，在非晶质体的各个部位上，没有任何两部分的内部结构是完全相同的，它们只是任何两部分的内部结构是完全相同的，它们只是统计意义上才是均一的统计意义上才是均一的。因此，非晶质体不具有。因此，非晶质体不具有晶体那样的性质。晶体那样的性质。 水晶水晶 玻璃玻璃很明显，水晶内部质点排列近程有序，远程同样规律有序；但玻璃则具有近程有序，远程无序。1

9、.3 准晶体准晶体 1984年发现的新现象，年发现的新现象，具有远程规律但没有重具有远程规律但没有重复周期。这是什么意思复周期。这是什么意思呢？呢？准晶体与晶体、非晶体的准晶体与晶体、非晶体的关系？关系？1.4非晶质体与晶体间的转化非晶质体与晶体间的转化 晶体的格子构造是晶体实现最小内能的结果；晶体只晶体的格子构造是晶体实现最小内能的结果；晶体只有在得到外来能量时，发生吸热反应，从而吸收热能使之有在得到外来能量时，发生吸热反应，从而吸收热能使之向非晶质转化；当晶体吸收热能达到开始熔化时的温度点向非晶质转化；当晶体吸收热能达到开始熔化时的温度点即为晶体的熔点，故晶体具有一定的熔点。即为晶体的熔点

10、，故晶体具有一定的熔点。 非晶质体由于内部质点不作规律排列，各部分质点分非晶质体由于内部质点不作规律排列，各部分质点分布的稀疏程度不一，因而熔化各部分的温度就有高低之分，布的稀疏程度不一，因而熔化各部分的温度就有高低之分，所以，非晶质体不具有一定的熔点。所以，非晶质体不具有一定的熔点。实例：实例：岩浆迅速冷凝而形成非晶质的火山玻璃，经漫长的岩浆迅速冷凝而形成非晶质的火山玻璃，经漫长的地质年代，其内部原子进行很缓慢的扩散和调整，具地质年代，其内部原子进行很缓慢的扩散和调整，具自发自发形成规则排列的趋向形成规则排列的趋向，由非晶质的火山玻璃逐渐地向晶态，由非晶质的火山玻璃逐渐地向晶态转变，最终成为

11、晶体。我们在古老的火山岩中常见到这种转变，最终成为晶体。我们在古老的火山岩中常见到这种情况。这种非晶态转变为晶态的作用过程被称为情况。这种非晶态转变为晶态的作用过程被称为晶化或脱晶化或脱玻化玻化。 与此相反，当晶体因内部质点的规则排列遭到破坏而与此相反，当晶体因内部质点的规则排列遭到破坏而向非晶质体转变的作用，则称为向非晶质体转变的作用，则称为非晶化或玻璃化非晶化或玻璃化。例如一。例如一些含放射性元素的矿物，其晶格受放射性蜕变时所发出的些含放射性元素的矿物，其晶格受放射性蜕变时所发出的 射线的作用破坏而转变为非晶质体，这种作用特别称射线的作用破坏而转变为非晶质体，这种作用特别称为为变质非晶化作

12、用。变质非晶化作用。 非晶质体非晶质体中的质点位能较大，故总是趋向于达中的质点位能较大，故总是趋向于达到最小内能，以便使自身趋于稳定，故非晶质体到最小内能，以便使自身趋于稳定，故非晶质体有自发地转化为晶体的趋向。实验证明，当物体有自发地转化为晶体的趋向。实验证明，当物体由非晶态过渡到结晶状态时，都是由非晶态过渡到结晶状态时，都是放热反应放热反应，这，这些析出的热能，即为质点多出的位能。些析出的热能，即为质点多出的位能。 结论结论：对同成分的晶体和非晶体而言，晶体对同成分的晶体和非晶体而言，晶体是稳定的非而晶体是不稳定的，非晶质体有自发是稳定的非而晶体是不稳定的，非晶质体有自发地向晶体转化的必然

13、趋势，但晶体决不会自发地地向晶体转化的必然趋势，但晶体决不会自发地向非晶质体转变。向非晶质体转变。2.空间格子2.1晶体内部结构的平移有序性 晶体内部质点在三维空间的周期性要重复排列，晶体内部质点在三维空间的周期性要重复排列，就体现了晶体结构的平移有序性。那么，什么是就体现了晶体结构的平移有序性。那么，什么是晶体结构的晶体结构的平平移有序性移有序性呢？呢？ 该模型是从该模型是从NaCl晶体内部结构中割取出来的最晶体内部结构中割取出来的最小的一部分，而小的一部分，而NaCl结构就是由若干这样的部分结构就是由若干这样的部分沿三度空间碓砌而成，由这最小部分的沿三度空间碓砌而成，由这最小部分的周期性重

14、周期性重复排列复排列就构成了就构成了NaCl的晶体结构。在的晶体结构。在1mm3的的NaCl晶体内，就包含了大约晶体内，就包含了大约71017个这样的立个这样的立方体小块。方体小块。若在若在NaCl晶体结构中，将一立方体小块按一定的规律晶体结构中，将一立方体小块按一定的规律移动一段距离后，便会移动一段距离后，便会与另一立方体小块重合与另一立方体小块重合，这就体现了晶体内部结构的平移有序性。晶体内部结这就体现了晶体内部结构的平移有序性。晶体内部结构具有构具有三维平移有序性三维平移有序性。 以上从以上从NaCl的晶体结构说明了晶体内部结构的平移有序性，对于的晶体结构说明了晶体内部结构的平移有序性，

15、对于其它任何晶体，不管原子种类有多少，也不管这些质点在空间排列的其它任何晶体，不管原子种类有多少，也不管这些质点在空间排列的具体形式上有多么复杂，但所有这些质点在三维空间都是成周期性平具体形式上有多么复杂，但所有这些质点在三维空间都是成周期性平移重复规则排列的。移重复规则排列的。 只不过不同的晶体，其周期性重复排列的规则只不过不同的晶体，其周期性重复排列的规则不同而已。所以不同而已。所以，晶体内部结构的这种三维平移有序性是一切晶体的共同特征晶体内部结构的这种三维平移有序性是一切晶体的共同特征。为了表征和研究这种平移有序的规律（为了表征和研究这种平移有序的规律（格子构造格子构造），我们引入空间格

16、），我们引入空间格子的概念。子的概念。2.2空间格子的概念和基本规律（一）空间格子是从实际晶体构造中抽象出相当点组成的一种几何图形，是晶体格子构造中质点排列规律的形象表征。 （二）相当点质点种类相同，环境也相同的点。 （三）相当点的分布体现了晶体格子构造中所有质点的重复规律，并且在三度空间作无限规律重复排列，因而空间格子为抽象的无限几何图形。导出空间格子的方法：导出空间格子的方法： 首先在晶体结构中找出首先在晶体结构中找出相当点相当点，再将相当，再将相当点按照一定的规律连接起来就形成了空间格点按照一定的规律连接起来就形成了空间格子。子。相当点（两个条件：两个条件：1 1、性质相同，、性质相同，

17、2 2、周围环境相同。）、周围环境相同。）空间格子与具体的晶体结构是什么关系？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。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多。复规律的几何图形，比具体晶体结构要简单的多。空间格

18、子的要素：空间格子的要素： 结点结点: 空间格子中的点空间格子中的点,代表具体晶体结构中的相当代表具体晶体结构中的相当点点. 行列行列: 结点在直线上的排列结点在直线上的排列.（引出（引出: 结点间距结点间距 ） 面网面网: 结点在平面上的分布结点在平面上的分布. （引出（引出: 面网间距、面网间距、 面网面网密度，它们之间的关系密度，它们之间的关系, 见下图）见下图）面网面网AA间距间距d1面网面网BB间距间距d2面网面网CC间距间距d3面网面网DD间距间距d4面网间距依次减小面网间距依次减小,面网密度面网密度也是依次减小的也是依次减小的.所以所以: 面网密度与面网间距面网密度与面网间距成正

19、比成正比.平行六面体（晶胞）平行六面体（晶胞）: : 结点在三维空间形成结点在三维空间形成的最小单位的最小单位 (引出引出: 晶胞参数：晶胞参数：a, b, c; a, b, c; , ,也称为轴长与轴角）也称为轴长与轴角）abc平行六面体对应的实平行六面体对应的实际晶体中相应的范围际晶体中相应的范围叫晶胞。叫晶胞。NaCl晶胞晶胞金红石晶胞金红石晶胞平行六面体可具有各种不同的形状，各种形状的平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？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我们以后将会看到，平行六面体的形状一共有7 7种，种，对应有对应有

20、7 7套晶胞参数的形式，也对应套晶胞参数的形式，也对应7 7个晶系。个晶系。 由晶体的格子构造会导致晶体的基本性质。由晶体的格子构造会导致晶体的基本性质。自限性自限性: 晶体能够自发地生长成规则的几何多面体晶体能够自发地生长成规则的几何多面体形态。形态。 均一性均一性:同一晶体的不同部分物理化学性质完全相同一晶体的不同部分物理化学性质完全相同。晶体是同。晶体是绝对均一性绝对均一性，非晶体是，非晶体是统计的、平均统计的、平均近似均一性。近似均一性。 3. 晶体的基本性质晶体的基本性质异向性：异向性：同一晶体不同方向具有同一晶体不同方向具有不同的物理性质。例如：不同的物理性质。例如： 蓝晶石蓝晶石

21、的不同方向上硬度不同。的不同方向上硬度不同。 思考：思考： 均一性与异向性有矛盾吗？均一性与异向性有矛盾吗？ 异向性与自限性有什么联系异向性与自限性有什么联系?对称性：对称性：同一晶体中，同一晶体中，晶体形态相同的几个晶体形态相同的几个部分（或物理性质相同的几个部分）有规律部分（或物理性质相同的几个部分）有规律地重复出现。例如下面的晶体形态是对称的：地重复出现。例如下面的晶体形态是对称的：最小内能性：最小内能性：晶体与同种物质的非晶体相比，内能最小。晶体与同种物质的非晶体相比，内能最小。稳定性：稳定性：晶体比非晶体稳定。晶体比非晶体稳定。 要学会用格子构造规律要学会用格子构造规律 解释这些基本性质！解释这些基本性质！ （请同学们自己解释。）请同学们自己解释。）4.结晶学概况n结晶学（crystallography）：是以晶体晶体为研究对象的一门科学n自然界中的绝大多数矿物都是晶体，要了解这些结晶的矿物，就必须了解和掌握结晶学特别是几何结晶学的基本知识。 如：冰、雪、土壤、金属、矿物、陶瓷、水泥、化学药品等 1000多年前，认识了石英和石盐具有规则的外 形； 17世纪中叶前，以外形研究为主 ； 1912年，X射线晶体衍射实验成功，结晶学进入快速发展阶 段； 19世纪中叶开始对晶体内部结构探索，逐渐发展成为一