矿物晶体化学_第一章 晶体的几何结构_
矿物岩石学第1-5章 晶体相关知识01ppt课件
面网AA’间距d1 面网BB’间距d2 面网CC’间距d3 面网DD’间距d4
面网间距依次减小,面网密度 也是依次减小的.
所以: 面网密度与面网间距 成正比.
6 平行六面体〔晶胞）: 空间格子的最 小组成单位，是连接空间格子中不在 同一平面上的四个相邻的结点而构成。
7 它的大小相当于晶体中最小的组成单 位－晶胞
第一节 晶体的概念
自然界的物质，按照结晶质点排列方 式划分： 结晶质 非晶质 准晶
常见的矿物晶体展示
石英晶体〔SiO2） 方解石晶体〔冰洲石〕CaCO3
3、矿物的物理性质
黄 铁
矿
晶
体
• 颜色 ：表现为吸收光波的
•
补色。
• 解理 ：矿物受力后破裂成
•
规则平面的能力。
• 硬度 ：矿物抗刻划的能力。
本质 ——晶体的格子构造所决 定的。
第三节 晶体的基本性质
1. 自限性〔自范性） 2. 均一性 3. 异向性〔各向异性） 4. 对称性 5. 最小内能性 6. 稳定性
1.自限性〔自范性）
晶体在生长过程中，在适当的 条件下，可以自发地形成几何多面 体外形的性质。
晶体的多面体形态是其格 子构造在外形上的直接反 映。晶面、晶棱和角顶分 别与格子构造中的面网、 行列和结点相对应。
课程构筑模块
➢结晶学：晶体及其几何性质，晶体化学及
晶体的物理性质；
➢晶体光学：显微镜下晶体的基本光学性质； ➢造岩矿物学：常见矿物的物理化学性质； ➢岩浆岩石学：岩浆岩物质成分特征、结构
构造特点，主要岩浆岩类型；
➢变质岩石学：变质岩物质成分特征、结构
构造特点，主要变质岩类型；
第一章 结晶学基础
晶体与矿物材料
复杂氧化物的晶体结构与晶体化学
Högbomite:
8H*, 10H, 10T, 12H, 14T, 24R, 30H, 30R, 36R.
Pengzhizhongite: 6H*, 24R.
Байду номын сангаас
Nigerite: Taaffeite: Pehrmanite:
6H*, 12H, 24R* 8H*, 18R. 8H, 18R.
晶体化学与晶体结构
金属及金属互化物 氧化物 氢氧化物 晶体化学与晶体结构
1 矿物学和矿物材料
矿物及矿物学 （1）在各种地质作用中所形成的天然单 质或化合物；3000多种矿物。 （2）具有一定的化学成分和内部结构,有 一定的形态、物理性质和化学性质。 （3）在一定的地质条件和物理化学条件 下是稳定的。 （4）岩石和矿石的基本单位。 （5）地质学基础科学。
3 矿物分类及命名
(1)自然元素:金属元素、半金属元素、非金属 元素 (2)硫化物及类似化合物:简单硫化物、复硫化 物、硫盐 (3)氧化物和氢氧化物 (4)硅酸盐类矿物 (5)硼酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐、氟化物
4 矿物成因
岩浆成因(酸性、中性、基性、超基性、碱性、 热液型、伟晶型)\沉积成因\变质成因。
（1）锆石
Zr[SiO4]
I41/amd, a=0.662nm、b=0.602nm，Z=4
（2）橄榄石
(Mg,Fe)2[SiO4] , Mg2[SiO4]--Fe2[SiO4]
Pbnm, a=0.4754nm、b=1.0197nm，Z=4
环状硅酸盐
(1)电气石 Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O18][BO3]3(OH,F)4
架状硅酸盐
矿物岩学基础知识(晶体的基础知识)
第一章晶体的基础知识第一节晶体及其基本性质一、晶体、非晶质体、准晶质体的概意晶体的分布十分广泛。
可以毫不夸张地说，人类就是生活在晶体的世界之中。
自然界的固体物质，绝大多数都是晶体。
我们日常吃的食盐、食糖，用的金属、陶瓷、在泥，一直到组成生命有机体的蛋白质等，莫不都是晶体。
那么，晶体的定义是什么呢？20世纪以前，人们把具规则几何多面体外形的固体称为)等(图1-1)。
晶晶体。
如常见的石盐、方解石、水晶(具规则几何多面体形态的石英SiO2体的这种定义，显然是不正确的。
例如，同样是一种物质石英，它既可以呈多面体形态的水晶，也可以呈外形不规则的颗粒而生成于岩石之中。
这两种形态的石英，本质是一样的。
所以规则几何多面体的外形并不是晶体的本质，而只是晶体在一定条件下的外在表现。
晶体的本质必须从它的内部去寻找。
1912年德国物理学家劳埃用X射线研究晶体，发现了晶体的根本特性：晶体内部质点(原子、离子或分子)在三维空间周期性地重复排列。
这种质点在三维空间周期性地重复排列也称格子构造。
所以晶体的正确定义是：晶体是具有格子构造的固体。
正是由于晶体内部质点是规则排列的，所以在一定的条件下，晶体能自发形成几何多面体的外形。
非晶体是指内部质点在三维空间不作周期性地重复排列，即不具格子构造的固体物质。
由于原子或离子空间分布的无规律性，所以非晶体在任何情况下都不可能自发形成几何多面体的外形，因而也被称为无定形体。
非晶体的种类远不如晶体那么繁多。
常见的有蛋白石、沥青、松香、玻璃等。
晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的。
例如，蛋白石在漫长的地质年代中，其内部质点进行着很缓慢的扩散、调整，趋于规则排列，即由非晶态转化为晶态，这一过程称为晶化。
晶体也可因内部质点的规则排列遭到破坏而转化为非晶态，这个过程称为非晶化。
图1-2是晶体与玻璃的平面结构特点示意图。
由图可见，晶体的内部质点排列是规则的，具有格子构造，非晶体的内部结构是不规则的，不具格子构造。
结晶学与矿物学基本知识
结晶学与矿物学基本知识第一篇几何结晶学结晶学与矿物学基本知识基础1. 矿物是自然作用中形成的天然固态单质或化合物，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。
2. 晶体的定义：晶体是具格子构造的固体。
3. 结晶学是研究晶体的发生、生长、外部形态、内部结构及物理性质的科学。
4. 空间格子：用以表示晶体内部质点排列的规律性。
是从实际晶体构造中抽象出来的一种由相当点排列而成的几何图形。
5. 空间格子有以下几个要素：结点、行列、面网、平行六边形。
面网密度上单位面积内的结点数目称为网面密度。
互相平行的相邻两面网之间的垂直距离称为面网间距。
面网密度大的，面网间距大。
6. 科塞尔原理：晶面生长的过程应该是先长完一条行列，然后再长相邻的行列；长满一层面网然后开始长第二层面网。
晶面（晶体的最外层的面网）是平行地向外推移的。
这就是科塞尔原理。
7. 布拉维法则：生长速度大的晶面在晶体生长过程中逐渐缩小，甚至消失；而生长速度小的晶面在生长过程中扩大了，最后在保留在晶体上。
8. 成分和构造相同的所有晶体，其对应晶面间的夹角恒等，这一规律称为面角恒等定律。
8. 晶体的基本性质：自限性、均一性、异向性、对称性、最小内能与稳定性。
均一性：因为晶体是具格子构造的固体，同一晶体的各个部分质点的分布相同的，所以同一晶体的各部分的性质是一样的，这就是晶体的均一性。
异向性：同一格子中，不同的方向上质点的排列一般是不相同的，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。
9. 晶体具有对称性，这表现在晶体外形上是相等的晶面、晶棱和角顶有规律的重复出现。
10. 晶体的对称有以下特点：1）所有晶体都是对称的2）晶体的对称受格子构造的严格控制，即晶体对称的有限性3）晶体的对称不仅表现在外部形态上，而且表现在性质上。
11. 晶体对称不同于其他物体的对称：在于晶体是具有格子构造的固体，它的对称具有表里一致性，即晶体的对称不仅表现在外部形态上（宏观的），而且其内部构造（微观的）也是对称的。
矿物晶体化学
海泡石晶体结构
第二章 原子结构
2－1 玻尔原子模型 2－2 现代的量子力学原子模型 2－3 原子轨道 2－4 原子轨道能级图 2－5 核外电子排布 2－6 元素周期表 2－7 原子性质的周期性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2－1 玻尔原子模型
连续光谱 线状光谱 原子光谱 玻尔氢原子模型
玻尔氢原子模型
海泡石属于海泡石一坡缕石粘土矿物族， 是一种无毒无害的镁质粘土矿物，理想 晶体的化学式为 {Mg8[Si12O30](OH)4(OH2)4}·8H2O。
海泡石晶体结构
海泡石晶体化学
海泡石的结构，由两层硅氧四面体片之间 夹一层金属阳离子，组成八面体片构成， 为2∶1型,两层硅氧四面体片各有六个硅氧 四面体，其顶端的氧原子朝向八面体片， 并与八面体片Mg 2+相连接，组成结构单位 层, 层的厚度为0.645nm，宽度相当于六个 硅氧四面体的宽度。
案例二、菱铁矿的晶体化学
案例二、菱铁矿的晶体化学
菱铁矿化学式FeCO3 （FeO 62.01 CO2 37.99） 常有 Mg、 Mn及Ca等类质同象混入物。 三方晶系 相对密度3.7—4.0， 硬度4。
[CO3]2-
[CO3]2-的半径为0.255nm？ Vp=(4+0+2)/2=3 中心分子价层为sp2杂化轨道伸展方向为正三角形
海泡石的特点
由于海泡石有着这种独特的结构，具有 开阔的层间孔道和较大的比表面积，因 而具有吸附离子和一些有机物的能力并 且吸附能力大于任何粘土。
讨论什么是矿物晶体化学 的内涵和外延？
《矿物晶体化学》研究内容到底是什么？
矿物晶体化学
第一章 矿物晶体化学的内涵和外延 第二章 化学基础之一——原子结构 第三章 化学基础之二——分子结构 第四章 化学基础之三——晶体结构 第五章化学基础之四——
第一章 晶体的基本性质
研究表明，数以千计的不同种类晶体 尽管各种晶体的结构各不相同，但都具有 格子状构造，这是一切晶体的共同属性。
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。
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水晶
玻璃
晶体:短(或近)程有序, 长(远)程有序
非晶体:短(或近)程有序, 长(远)程无序
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二.空间格子的概念与获得
（1）空间格子—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。
（2）等同点或相当点：点的内容(或种类)相同; 点的周围环境相同。
（3）空间格子的获得： ①首先必须找出晶体结构中的相当点； ②按照一定的规则将相当点连接起来，就形 成了空间格子。
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石盐的晶体结构
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空间格子的获得：
一维图案
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五.研究简史及主要分支
研究简史：
★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，逐渐发展成为一门
独立的学科； ★ 20世纪初, 内部结构的理论探索 。
► 最小内能性: 在相同的热力学条件下，与同种化学成分的气
体、液体及非晶质体相比，以晶体的内能为最小。
内能 = 动能 + 质点在平衡点 周围作无规则 振动的能量
势能 质点间相对 位置所产生 能量
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► 稳定性：在相同的热力学条件下，具有相同化学 成分的晶体和非晶质体相比，晶体是稳定的， 而非晶质体是不稳定的。对于化学成分相同的 物质，以不同的物理状态存在时，其中以结晶 状态最为稳定。这一性质与晶体的内能最小是 吻合的。在没有外加能量的情况下，晶体是不 会自发地向其它物理状态转变的。
第一章 晶体
第四节 晶体的形成（第八章）
一、形成晶体的方式
晶体是在物相转变的情况下形成的。物 相有三种，即气体、液体和固体。 1．由液相结晶析出晶体 2．由气相转变为晶体 3．由固态再结晶为新晶体
1. 由液相结晶析出晶体 熔体
晶体
溶液
1） 从熔体中结晶 当温度低于熔点时，晶体开始析出，即过 冷却条件下晶体才能发生。如岩浆岩中的橄
行列(row)：质点在一条直线上的排列 结点间距：同一行列中相邻两质点间的距离 行列是无限多的。 在相互平行的行列中，结点间距相等；不平行 的行列中结点间距一般不相等。
面网：结点在平面上的分布即构成面网
任意两个相交的行列就可决定一个面网。面网上单位 面积内的结点数称为面网密度。相互平行的面网，其 面网密度相同，且任二相邻面网间的垂直距离——面 网间距也必定相等；互不平行的面网，其面网密度一 般不同。
a 立方格子
b 四方格子
c 六方格子
d 三方格子
e 斜方格子
f 单斜格子
g 三斜格子
同平行六面体中结点的分布情况也不相同，按分布方式又划 分出格子基本类型： 原始格子P：结点分布于角顶，三方菱面体格子用R 表示； 底心格子C：结点分布于角顶和一对面的面心； 体心格子I：结点分布于角顶和体中心； 面心格子F：结点分布于角顶和各面的中心。
远程规律：构成晶体的原子在整个 空间（或者至少在长距离的宏观范 围内）的排列是有规则的、周期性 的。整个晶体可看作是一个小单 位——原胞的周期性重复。 近程规律：在非晶体中一个宏观范 围内，原子在空间排列是不规则的， 但每个局部，在几或十几个原子间 距的范围内，却常常有一定程度的 规则排列，在液体中，原子的空间 排列同样是长程无序，短程有序的。
晶面、晶棱、角顶与面网、行 列、结点的关系示意图
矿石学习题
《矿石学》习题Ⅰ矿物通论第一章晶体一、基本概念晶体 :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。
结点 :一系列在三维空间周围排布的几何点的总称相当点;点的内容(或种类)相同;点的周围环境相同。
行列：一个空间点阵，同一方向的平行直线束把直线阵点穿起来面网：结点在平面上的分布即构成面网空间格子; 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。
晶胞任何一种晶体结构都有他所具有的布拉维格子，划分成相互邻接的许许多多单位平行六面体，每一单位平行六面体圈画出来的的那一部分的晶体结构。
晶体的均一性晶体内部任意两个部分的化学组成和物理性质是等同的晶体的异向性晶体的几何量度和物理性质与其方向性有关晶体的对称性能够在不同的方向或位置上有规律重复出现的特性。
布拉维法则二、问答题1．怎样划分晶族和晶系?答：依据晶体的对称型可将晶体分为32个晶类，进而根据高次对称轴的有无和高次轴的数量，将32个晶类划分为高级、中级和低级三个晶族。
再根据晶族中各晶类的对称要素特点，把三个晶族划分为7个晶系。
说出下列对称型所属的晶族和晶系。
C L2PC 3L23PC 3L i44L36P L33L2 L44L25PCL66L27PC 3L24L33PC 3L44L36L29PC2．在47种几何单形中，下列单形能否相聚？六方柱与菱面体，五角十二面体与立方体，三方双锥与六方柱，斜方柱与四方双锥。
3．晶体与非晶体有何本质区别？晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体，非晶质体是内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体。
4．什么是晶体结构中的相当点——结点？空间格子中的点，代表晶体结构中的等同点。
在实际晶体中，结点的位置可为同种质点所占据。
5．什么是结构基元？空间格子和晶胞有何区别？由于晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元就叫作晶胞。
晶胞就是结构单元空间格子; 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。
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面网
平行六面体
面网AA’间距d1 面网BB’间距d2 面网CC’间距d3 面网DD’间距d4
面网间距依次减小,面网密度也是依次减小的. 所以: 面网密度与面网间距成正比.
面网间距与面网密度的关系：
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 ）
矿物自限性
矿物自限性
晶体、非晶体与准晶体的概念 1、晶体crystal ：内部质点在三维空间呈周期性平移重复排列形成的具有格子构造的固体。短程有序＋长程有序（short+ long range order） 2、 非晶体noncrystal ：仅短程有序 3、准晶体 quasicrystal ：质点的排列符合短程有序但不体现周期平移重复，即不存在格子构造。
具体投影过程：球面上任一点A与南极点S连线，此连线与投影面（赤道平面）的交点A’即为投影点。如果A点在下半球，就与北极点N连线。
晶面的球面投影将晶面转化为球面上的点，晶面的方位就可用点的球面坐标方位角与极距角来表征。（相当于纬度与经度）
● 空间格子：相当点在三维空间呈格子状排列称空间格子。 ● 空间格子是表示晶体构造规律的几何图形，是无限图形。
空间格子
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。）
石英晶体
晶面夹角与面角（晶面法线的夹角）的区别！ 它们之间的关系为互补的关系。通常都用面角（晶面法线的夹角）表示。
接触测角 反射测角：单圈反射测角仪 双圈反射测角仪
1.1.5 晶体的投影：
（一）极射赤平投影： 投影的原理及过程：投影球、投影面（赤平面）、投影轴, 北极点与南极点（目测点）。
1.1.4 布拉维法则和面角守恒定律 ● 布拉维法则：晶体通常被面网密度大的晶面所包围。 ● 晶面的生长速度与其面网密度一般呈反比关系。 ● 生长速度大的BC晶面逐渐变小，甚至消失；生长速度小的AB、CD晶面将逐渐扩展，最后保留下来。
面网密度与晶面生长过程的关系
●面角守恒定律 丹麦矿物学家斯丹诺发现，同种晶体虽然它们的形状和大小各不相同，但各相对应的晶面夹角是相等的。由此提出了面角守恒定律：在相同的温度、压力条件下，成分和构造相同的所有晶体，其对应晶面间的夹角恒等。
1.1 晶体及其基本性质 1.1.1 晶体 ● 对晶体的认识始于外部形态的观察。 ● 晶体的传统定义：外形具有规则几何多面体● 对晶体本质的揭示始于1912年应用X射线对晶 体构造进行研究。 ● 严格的晶体定义：晶体是内部质点在三维空间 呈周期性重复排列的固体，或说是具有格子构 造的固体。
空间格子与具体的晶体结构的关系： 可以这样认为：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。
1.1.2 相当点及空间格子 ● 相当点：结构中种类、化学性质及周围的环境、方位完全相同的空间位置。 ● 对NaCl晶体结构，所有Na＋点属于一类等同点，所有Cl－点属于另一类等同点。等同点位置不限于质点中心，任 何位置能引出一类等同点且构成上图的c图形。
a
5.628Ǻ
2.8148Ǻ
b
c
NaCl结构（a、b）及相当点分布（c）
a
b
c
平行六面体对应的实际晶体中相应的范围叫晶胞。
NaCl晶胞
金红石晶胞
1.1.3 晶体的基本性质（所有晶体具有的共性） ● 自限性：晶体在一定条件下能够自发地 生长成规则的几何多面体形态。 ● 均一性：同一晶体的不同部分物理化学性质完全相同。 晶体是绝对均一性，非晶体是统计的、平均近似均一性。 ● 各向异性：晶体性质随方位不同而有差异的特性同一晶体不同方向具有不同的物理性质。例如：蓝晶石的不同方向上硬度不同。 ● 对称性：同一晶体中，晶体形态相同的几个部分（或物理性质相同的几个部分）有规律地重复出现。 ● 最小内能性：在相同热力学条件下，与同种成分的非晶体、液体、气体相比，其内能最小。
晶体
非晶体
SiO2
具五次对称轴，无格子构造
短程有序
兴趣点！ 1.晶体、非晶质体、准晶体有何区别？ 2.结点间距、面网密度、面网间距之间有何联系？ 3.如何根据晶体的格子构造解释其基本性质？ 4.晶体不一定呈规则的几何多面体外形，这是否与晶体的自限性矛盾？ 5.某些固体生长时可以自发地形成规则的几何多面体外形，这些固体肯定是晶体吗？为什么？
空间格子（space lattice)有下列几种要素存在： ● 结点（node）：空间格子中的相当点。 ● 行列（row)：结点在直线上的排列。 行列中相邻结点间的距离称结点间距。同行列方向上结 点间距相等；不同方向的行列，结点间距一般不等。 ● 面网（net)：结点在平面上的分布。 单位面积内结点的数目称面网密度；相邻面网间的垂直 距离称面网间距。 相互平行的面网间面网密度和面网间距相等；否则一般 不等且面网密度大的其面网间距亦大。 ● 平行六面体（parallelepiped）：空间格子中的最小单位。