矿石学基础课件

4）变晶 矿物在定向压力方向上溶解，而在垂 直压力方向上再结晶，因而形成一向延长或二 向延展的变质矿物，如角闪石、云母等，这样 的变质矿物称为“变晶” 5）由固态非晶质体结晶 由非晶质体向晶体的转化是自发的，是释放能 量的过程。这种由玻璃质转化为结晶质的作用 为晶化作用或脱玻化作用。与上一作用相反， 一些含放射性元素的晶体，由于受到放射性元 素发生蜕变时释放出来的能量的影响，使原晶 体的格子遭到破坏变为非晶质体，这一作用称 为变生非晶质化或玻璃化作用）。
三方双锥中级晶族单形4四方面体和菱面体复三方偏三角面体中级晶族单形6偏方面体类3高级晶族单形15种高级晶族单形立方体类及十二面体类对一个单形的描述要注意晶面的数目形状相互关系晶面与对称要素的相对位置以及单形的横切面形状等单形种晶面数目单面双面四面体单形横切面的形状四方柱六方柱开形和闭形
结晶学及矿物学
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 Nhomakorabea25
► 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。
晶体
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1. 由液相转变为晶体
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。
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2）从溶液中结晶 当溶液处于过饱和时，溶质从溶液中的结 晶出来。其方式有： A．温度降低，如岩浆期后的热液，远离岩 浆源越远温度将依次降低，各种矿物晶体陆续 析出。如含有各种金属物质的热水溶液中，可 沉淀出各种金属或非金属矿物，方铅矿、闪锌 矿、萤石、方解石等。 B．水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，盐类 矿物结晶出来。 C．通过化学反应，生成难溶物质。
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晶体生长速率R与溶液过饱和度S的关系
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五、影响晶体生长的内因（布拉维法则） 实际晶体的晶面常常平行于面网结点密 度最大的面网。这就是布拉维法则。
面网密度：
AB>DC>BC
生长速度： AB<DC<BC
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因此： 面网密度小的面，其面网间距也小， 从而相邻面网间的引力就大，因此将优先 生长。反之，面网密度大的面，成长就慢。 各晶面间的相对生长速度与其本身面网密 度的大小成反比。生长速度快的晶面，在 晶体的生长过程中，将会缩小而最终消失， 实际上保留下来的晶面将是面网密度大的 晶面。面网密度越大，被保留下来的几率 就越大，晶面本身的面积相应也越大。
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D. 平行六面体 联接分布在三维空间内的结点就构成了空间点阵。空间 点阵本身将被三组相交行列划分成一系列平行叠置的平 行六面体，结点就分布在它们的角顶上。平行六面体的 大小和形状可由结点间距a、b、c及其相互之间的交角a、 b、g 表示，它们被称为点阵参数。
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任两相邻平行面网之间的垂直距离－面网间距。 同一点阵中，面网密度大的面网，其面网间距亦 大；反之，密度小间距亦小。
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三、层生长理论 （Kossel 1927）晶体在理想情况下生长时， 先长一条行列，然后长相邻的行列；在长满 一层面网后 ，再开始长第二层面网；晶面 （最外面的面网）是平行向外推移而生长的。
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层生长的特点：
1．晶体常生长成面平、棱直的多面体形态。 2．在晶体生长过程中，环境会有变化，不同时刻生成的晶 体在物理性质和成分等方面可能有细微的变化，因而在 晶体的端面上常常可以看到带状构造，晶面是平行向外 推移生长的。 3．由于晶面是平行向外推移生长的，所以同种矿物不同晶 体上对应晶面间的夹角不变。 4．晶体由小长大，许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶 体中心为顶点的锥状体，称为生长锥。
• 结晶学（crystallography）：是以晶体为研究 对象的一门科学 • 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
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什么是晶体？
铬铅矿（Crocoite ）
石英（Quartz）
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二维图案
(a)－NaCl中xy平面Na+和Cl-排列的情况 (b)－Na+或Cl-的平面排列
(c)－抽象为平面点阵
(c)
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三维图案
左－NaCl中Na+和Cl-排列的情况 右－抽象为空间点阵
•等同点的分布可以体现晶体结构中所有质点的重复规 律。等同点在三维空间作格子状排列，我们称为空间格 20 子。同一晶体结构，其空间格子一定是固定和相同的。
闫峻 陈天虎
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第一部分 结晶学基础
• • • • • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 绪论 晶体及其基本性质 晶体的发生与成长 晶体的宏观对称 晶体的定向和晶面符号 晶体的理想形态 晶体的规则连生 晶体结构的几何理论 晶体化学
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第一章 绪论
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120o 120o
120o
120o
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四、 螺旋生长理论
Frank(1949)等科学家的研究表明，在达不到过 饱和或过冷却的条件下，晶体照样可以生长， 这种现象是层生长理论所不能解释的。根据实 际晶体结构中最常见的位错现象，提出了螺旋 生长理论。即在晶体生长界面上，螺旋位错露 头点所出现的凹角，及其延伸所形成的二面凹 角，可作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面 上的生长。
独立的学科；
★ 20世纪初, 内部结构的理论探索 。
结晶学的研究意义：
是矿物学的基础 是材料科学的基础 是生命科学的基础 …...
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现代结晶学的几个分支：
1、晶体生成学：研究天然及人工晶体的发生、成长和变
化的过程与机理，以及控制和影响它们的因素。
2、几何结晶学：研究晶体外表几何多面体的形状及其规 律性。 3、晶体结构学：研究晶体内部结构中质点排列的规律 性，以及晶体结构的不完善性。
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二、晶体的基本性质
► 自限性：晶体能自发地形成封闭的凸几何多面体外形的特性。
任何晶体在生长过程中，只要有适宜的空间条件，它们都 能自发地长成规则几何多面体。晶体为平的晶面所包围， 晶面相交成直的晶棱，晶棱相交会聚成尖的角顶。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。 晶体多面体形态受格子构造制约，它服从于一定的结晶学 规律。 ► 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。可以用数学公式来表示, 设在晶体的x处和x + x’处取 得小晶体, 则 F(x) F (x + x’) 此处F表示化学组成和性质等物理量度。 非晶质体也具有其均一性，但由于非晶质体的质点排 列不具有格子构造，所以其均一性是统计的、平均近似的 均一，称为统计均一性；而晶体的均一性是取决于其格子 构造的，称为结晶均一性。
非晶质体
晶体
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一、晶体的空间格子规律
晶体内部结构的最基本的特征是质点在三维空间 作有规律的周期性重复排列。
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空间点阵的引出：
一维图案
A－NaCl中沿y轴Na+和Cl-排列的情况 B－Na+的直线排列 C－抽象为直线点阵
•等同点的条件是：在晶体结构中占据相同的位置；具 有相同的环境。
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二、成核作用
晶体的生成一般是先生成晶核，然后再逐渐长大。 晶核：从母相中初始析出并达到某个临界大小，从而 得以继续成长的结晶相微粒。 均匀成核作用 初次成核作用 成核作用 非均匀成核作用 二次成核作用 晶核可由已达过饱和或过冷却的流体相本身自发 地产生，这种成核作用叫均匀成核作用；晶核也可借 助于非结晶相外来物的诱导而产生，叫非均匀成核作 用；晶体还可由体系中业已存在的晶体的诱导而产生， 这种成核作用叫二次成核作用。
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2．由气相转变为晶体
气体在过饱和蒸气压或过冷却温度下，直接由气 体转变为晶体。在火山口附近常由火山喷气直接生成 硫、碘或氯化钠晶体。萤石、绿柱石、电气石等等矿 物也可在岩浆作用期后由气体直接生成。雪花就是水 蒸气冷却直接结晶而成的晶体。
3．由固相直接转为固相
环境的变化可以引起矿物的成分在固态情况下产 生改组，使原矿物的颗粒变大或生成新的矿物。这种 再结晶可有以下几种情况： 1）同质多象转变 指某种晶体在热力学条件改变时， 转变为另一种在新条件下稳定的晶体，它们在转变前 后的成分相同，但晶体结构不同。 2） 原矿物晶粒逐渐变大 如由细粒方解石组成的石灰 石与岩浆接触时，受热结晶成为由粗粒方解石晶体组 成的大理岩。 3）固溶体分解 在一定温度下固熔体可以分解成为几种 独立的矿物。如由一定比例的闪锌矿和黄铜矿在高温 时组成为均一相的固熔体，而在低温时就分离为两种 30 独立的矿物。
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石盐的晶体结构
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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
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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
4、晶体化学：研究晶体的化学组成与晶体结构以及晶体
的物理、化学性质之间关系的规律性。 5、晶体物理学：研究晶体的各项物理性质及其产生的机 理。
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思考题
• • • • 什么是矿物？ 什么是晶体？晶体和非晶体有何本质区别？ 现代结晶学有哪几个分支? 判断下列物质中哪些是晶体，哪些是非晶体？ 哪些是矿物，哪些不是矿物？ 冰糖 金刚石 沥青 水晶 玻璃 水 空气 方解石
空间格子的基本规律：
A. 结点 空间格子中的点，它们代表晶体结构中的等同点。在实 际晶体中，在结点的位置上可为同种质点所占据。 B. 行列 结点在直线上的排列即构成行列。结点间距：行列上两 个相邻结点间的距离，即最小重复周期。在一个空间点 阵中，可以有无穷多不同方向的行列，相互平行的行列， 其结点间距必定相等；不相平行的行列，一般说其结点 间距亦不相等。 C. 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。互不平行 的面网，其面网密度一般不同。
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► 异向性：晶体的几何量度和物理性质与其方向性有关。设在
晶体任意取两个方向n1和n2, 则有 F(n1) F(n2) 即在不同方向上, 晶体的几何量度和物理性质均有所差异。 ► 对称性：指晶体中相同部分（如外形上的相同晶面、晶棱， 内部结构中的相同面网、行列或原子、离子等）或性质， 能够在不同的方向或位置上有规律重复出现的特性。 ► 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。
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电气石(Tourmaline)
石膏(Gypsum)
钼铅矿(Wulfenite)
5
祖母绿(Emerald Brooch)
钻石(Diamond)
金刚石(Diamond)
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石榴子石(Garnet)
火蛋白石(Fire Opals)
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紫锂辉石(Kunzite)
软玉 (Nephrite)
常林钻石 重158.786克拉
思考题： 1、面网密度大的面网，其面网间距也大，这种说明对 不对？试画简图加以定性的说明。 2、晶体和非晶体在内部结构和基本性质上的主要区别 是什么？ 3、为什么晶体具有均一性和异向性？
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第三章 晶体的发生与成长
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。 液相 气相 固相
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第二章 晶体及其基本性质
晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的 固体；或者说是具有格子状构造的固体。 矿物学上，凡结晶颗粒能用一般放大镜分清者， 称为显晶质；无法分辨者称为隐晶质。 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。外形上是一种无规则形状的固体，也称之为 无定形体。没有固定的熔点，实质上是一种呈凝固态 的过冷却液体。 自发地 外界能量
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晶体和非晶质体：
人们常见的晶体有水晶、石盐、蔗糖等，在一 般人的心目中就认为晶体就像水晶和石盐那样，具 有规则的几何多面体形状。 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。
homogeneous solid containing long-range order in three dimensional space.