第一讲 矿物、晶体和非晶体

概论

  1. 矿物的概念
  2. 晶体的概念
  3. 非晶质体和准晶体的概念
  4. 非晶质体与晶体间的转化
  5. 结晶学及矿物学概况
  6. 晶体内部结构的平移有序性
  7. 空间格子概念及空间格子规律
  8. 晶体的基本性质

一、矿物的概念

  1. 古代矿物的概念:矿写为“—||—”象形当时的采矿工具,其发育为“Kung”,表示采矿的声音。由此将矿物定义为:从矿山采掘出来而未经加工的天然物体称为矿物。

  2. 现代矿物定义:矿物是地质作用中形成的单质或化合物,具有相对固定的化学成分,晶质矿物还具有确定的内部结构,稳定于一定的物理化学条件,是组成岩石和矿石的基本单元。

理解

(1)矿物必须是天然产出的物体,而由人工在工厂或实验室中制备出来的晶体则不能称为矿物。如天然产出的金刚石达到工艺美术要求时称钻石,而人工合成的金刚石与天然产出的金刚石完全一样,但后者不是矿物,只能称人造钻石,二者价值相差巨大。

(2)每种矿物都有特定的化学成分(但不是固定不变的),可以用化学式来表达。如金刚石、C、刚玉、Al2O3,但矿物的化学成分又不是固定不变的,如刚玉中可含有Cr,此时称红宝石,又可含Fe、Ti称兰宝石,虽然矿物化学成分不是固定不变的,但就多数矿物而言,其化学成分的变化是有一定限度的,即以不改变晶体结构和矿物种为限。

(3)矿物还应具有特定的晶体结构,亦即矿物应是晶体,不是晶体就不能称为矿物。这也是学习矿物学为什么要学习结晶学的原因。

对晶体的理解

在现实生活中,我们会发现这样一种现象: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,粗盐与细盐,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。由此说明,仅仅利用有无规则的几何多面体外形来定义晶体是不恰当的。

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二、晶体的概念

近代应用X射线分析的方法,揭示了大量晶体的内部结构,结果表明: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)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,但它们内部质点Na与Cl的排列规律都是一样的。

由NaCl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Na与Cl的周期重复排列的例子)。我们将质点的这种周期性重复排列称之为格子构造。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晶体。

综上所述,我们对晶体作出如下定义:晶体是具有格子构造的固体。格子构造是一切晶体 最本质的特征。

三、非晶质体和准晶体的概念

(一)非晶质体的概念:指内部原子或离子在三维空间不呈规律性重复排列的固体。

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过冷凝体。非晶质体如玻璃、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。因此,非晶质体不具有晶体那样的性质。

(二)准晶体的概念:

指内部结构由多级呈自相似的配位多面体在三维空间作长程定向有序分布的固体。注意与晶体和非晶体的区别:

与晶体的区别在于:其规律性并不表现为质点的周期性平移重复,而是配位多面体呈自相似的长程定向有序分布;

与非晶质体的区别在于:其内部质点在三维空间的排布遵循一定的规则,即:自相似长程定向有序。

四、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即为晶体的熔点,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。

1. 实例: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,具自发形成规则排列的趋向,由非晶质的火山玻璃逐渐地向晶态转变,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晶化或脱玻化。

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,则称为非晶化或玻璃化。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a—射线的作用破坏而转变为非晶质体,这种作用特别称为变质非晶化作用。

非晶质体中的质点位能较大,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,都是放热反应,这些析出的热能,即为质点多出的位能。

结论: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。

2. 解释:晶化与非晶化有着本质的不同。

晶体具有最小内能,其内部质点间引力和斥力是平衡的,若使质点间的距离增大或减小,都将导致质点的相对位能增加。而非晶体内部质点不作规则排列,质点间的距离不是平衡距离,因而其位能较晶体大。

晶体中的质点只在其平衡位置振动而不脱离其平衡位置,是一个稳定体系,要使其质点脱离其平衡位置而向非晶质转化,就必须从外界传入能量。因此,在没有外来能量的作用下,晶体是稳定的,不可能自发地转变为非晶体。实验证明,晶体变为非晶体是一个吸热反应,如石英晶体加热到1713℃变为石英玻璃,其所吸收的热量用于破坏晶体的格子构造。

五、结晶学及矿物学概况

(一)早期结晶学主要限于研究天然矿物晶体的几何外形;

(二)现代晶体内部结构的几何理论已达到了成熟的地步;

(三)现代结晶学的研究进入了以微区、高分辨、精细结构为特征的新阶段;

(四)偏光显微镜应用于矿物的鉴定和研究,导致了矿物学的第一次变革;

(五)X射线晶体结构的应用,将矿物的化学成分与晶体结构联系起来,推动了

矿物学的第二次变革;

(六)矿物形成的物理化学条件和相平衡的研究,引起了矿物学的第三次变革;

(七)现代科学技术和高精尖分析测试手段推动了成因及应用矿物学的深入发展。

因此,结晶学及矿物学是从事地质学和材料科学最直接和重要的基础。

六、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,就体现了晶体结构的平移有序性。那么,什么是晶体结构的平移有序性呢?

对照NaCl结构模型讲解:该模型是从NaCl晶体内部结构中割取出来的最小的一部分,而NaCl结构就是由若干这样的部分沿三度空间碓砌而成,由这最小部分的周期性重复排列就构成了NaCl的晶体结构。在1mm3的NaCl晶体内,就包含了大约7×1017个这样的立方体小块。

若在NaCl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。晶体内部结构具有三维平移有序性。

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。

七、空间格子概念及空间格子规律

(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: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。)

导出空间格子的方法: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。

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多

综上所述,空间格子定义如下:

用以表征和研究晶体格子构造中质点重复和生长规律的一种抽象出相当点组成的无限几何图形。

(四)空间格子组成要素及空间格子规律

1.结点——空间格子中的点,代表晶体构造中的相当点,

是只具几何意义的几何点。位于行列交点的结点可能对应实际晶体的角顶。

2.行列——空间格子中任意两结点连接起来的直线;位于两面网交线的行列

可能对应实际晶体的晶棱。

行列中相邻两结点之间的距离称为该行列的结点间距。

  行列规律:(1)同一行列中结点间距相等;

(2)彼此平行的行列,其结点间距必定相等;

(3)不相平行的行列,其结点间距一般不等。

3.面网——空间格子中任意三个不在同一行列上的结

点连接成的一个面;实际晶体的晶面即对应面网。

面网上单位面积内的结点数目称为面网密度;                                                 互相平行的相邻两面网之间的垂直距离称为面网间距。

面网规律

(1)互相平行的面网,其面网密度和面网间距必定相等;

(2)不相平行的面网,其面网密度和面网间距一般不等;

(3)面网密度大的面网,其面网间距也大,反之,面网密度小的面网,其面网间距也小。

4.平行六面体: 结点在三维空间形成的最小重复单位 (引出: a, b, c; α,β,γ ,称为轴长与轴角,也称晶胞参数 )

平行六面体对应的实际晶体中相应的范围叫晶胞。

5. 空间格子规律总结:

(1)同一行列中结点间距相等;

(2)彼此平行的行列,其结点间距必定相等;

(3)不相平行的行列,其结点间距一般不等;

(4)互相平行的面网,其面网密度和面网间距必定相等

(5)不相平行的面网,其面网密度和  面网间距一般不等;

(6)面网密度大的面网,其面网间距也大, 反之,面网密度小的面网,其面网间距也小。

八、晶体的基本性质

1.自限性

2.均一性

3.  异向性

4.最小内能与稳定性

5.对称性

自限性:即晶体具有自发地形成几何多面体形态的性质。我们知道,格子构造本身就是几何多面体形态的,而晶体具格子构造,所以晶体能够自发地形成与其格子构造对应的几何多面体形态。如石盐的格子构造是立方体形态,它的晶体形态就是立方体。石墨的格子构造是层状的、形态为片状。

均一性:即指同一晶体的各个部分的性质是相同的。由于晶体是具格子构造的固体,因而同一晶体的各个部分质点的分布是相同的,所以晶体具有均一性。例如将一块纯净的水晶打碎,每一块的成分都是SiO2,比重都是2.65,这就是晶体均一性的表现。

异向性:同一格子中,在不同的方向上质点的排列一般是不同的(举NaCl格架例),因而晶体的性质也随方向的不同而有所差异,这就是晶体的异向性。

       如矿物蓝晶石,在不同方向上硬度不同,沿晶体延长方向用小刀可刻动,而沿垂直晶体延长方向小刀刻不动。不同方向性质不同。又如矿物方解石(冰洲石),不同方向透光所表现的双折射率的大小是不同的。

注意均一性与异向性概念的区别:

均一性指的是同一晶体的不同部分性质相同;

 异向性指的是同一晶体的不同方向性质不同。

最小内能与稳定性

在物质可能出现的四种物态(液态、气态、非晶固态和晶体)中,以晶体具有最小的内能。

        物体的内能包括动能与位能。而位能的大小决定于质点间的距离与排列。晶体是具有格子构造的固体,其内部质点的排列是质点间引力和斥力达到平衡的结果。

        所以,同一物质的四种物态,以晶体的内能最小。

        由晶体的内能最小决定了晶体的稳定性。

        只有内能最小的物体才最稳定。就像人站在陡坡上就没有站在平地上稳定一样。

      对称性:晶体中相同部分有规律地重复性质;表现在晶体中相等的晶面、晶棱和角顶有规律地重复出现;这是晶体最重要的性质;这是因为晶体格子构造中质点在三度空间呈周期性重复排列本身就是对称的。

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