chap1 晶体和晶体的基本性质

第一章晶体和晶体的基本性质教学内容：1．晶体的定义、空间格子构造的一般规律；晶体、非晶体、准晶体的区别；2．晶体的基本性质；3．布拉维法则、科塞尔理论、螺旋生长理论、面角守恒定律及其意义。

一、晶体与非晶体（一）晶体晶体的实例：食盐、冰糖、刀叉、陶瓷、冰和雪、土壤和岩石、固体化学药品。

晶体概念的形成：要理解什么是晶体，我们先从晶体概念的形成来理解：1．一般人对晶体的理解，可抽几个学生讲自己所认为的晶体是什么。

2．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。

3．认识的进步：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。

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。

4．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）与精盐（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（以NaCl 晶体模型举例说明）。

晶体内部质点这种规律排布，目前已可借助于高分辨透射电子显微镜直接观察到（P2，图1-2）。

由图及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称为结晶质。

周期性重复排列的理解综上所述，我们对晶体作出如下定义：晶体是具有格子构造的固体。

二）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液体。

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。

近程有序远程有序三）非晶质体与晶体间的转化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，趋向于形成规则排列，由非晶质的火山玻璃逐渐地向着结晶态转变（雏晶），最终成为晶体。

我们在一起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，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 —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。

其产物保留原有晶体的形态，称为变生矿物。

晶体——稳定——分布广泛非晶体——不稳定——数量少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。

非晶质体中的质点位能较大，故总是趋向于达到最小内能，以便稳定焉，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，都是放热瓜在，这些析出的热能，即为质点多出的位能。

3．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。

三）准晶体二、空间格子及其规律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？（一、晶体内部结构的平移有序性对照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，所以这一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，就包含了大的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NaCl模型演示）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，不管是原子种类有多少，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。

（二、空间格子及其规律晶体结构都是表现为三维的格子构造，通常称为晶格，但不同的晶体，其格子构造各不相同。

晶体数量非常大，为了方便于对晶体的研究，消除彼此间在质点种类和数目上不同的差异而揭示出晶体构造的共同几何规律，就需要从具体的晶体结构中抽象出能反映其质点重复规律的几何图形——空间格子。

1．空间格子的概念：空间格子是表示晶体内部结构中质点重复规律的几何图形。

以NaCl晶体结构为例导出空间格子。

第一步：确定等同点（相当点）。

晶体结构中等同点的条件是：（1）质点性质一样。

（因为相同性质的质点，如同为某种离子、层子，或同时位于结构中相同的位置）。

（2）所有共同点周围的环境以及方位就是相同的。

在晶体结构中任选一几何点（可以是Na+或Cl-中心，或Na+与Cl-之间的任意一点）。

然后在结构中找出此点的共同点。

第二步：将一系列在三维空间的共同点的等同点用三组不共面的直线连结起来，就构成了平行六面体格子状的空间格子。

由此可见，相当点（等同点）的分布可以体现晶体结构中所有质点的重复规律。

为了研究晶体内部结构中质点的重复规律而不受晶体大小的限制，我们设想共同点在三维空间是作无限排列的，因而等同点构成的几何图形——空间格子为无限图形。

2．空间格子要素：对照挂图讲解1）结点（阵点）：空间格子中的点，代表晶体结构中的共同点实际晶体中，结点的位置可为同种质点占据。

2）行列：结点在直线上的排列即构成行列。

空间格子中任意两个结点联结起来就是一条行列的方向。

行列中相邻法点间的距离称为该行列的结点间距。

在同一行列上结点间距是相等的，在平行的行列上结点间距也是相等的，而不同方向的行列，其结点间距一般是不等的。

（以NaCl格架讲解）3）面网：结点在平面上的分布即构成面网，空间格子中不在同一行列上的任意三点就可连结成一个面网。

换句话说，任意两个相交的行列就可决定一个面网。

面网上单位面积内结点的密度称为面网密度。

相互平行的面网，面网密度相同，互不平行的面网，面网密度一般不同（以NaCl模型讲解）。

4）平行六面体：从三维空间来看，空间格子可以划出一个最小重复单位，这就是平行六面体，它由六个两两平行而且相等的面组成。

如图。

而在实际晶体中所划分出的与之相应的单位则称晶胞。

整个晶体结构可视为晶胞在三维空间平行地毫无间隔地重复堆迭。

而晶胞的形状和大小，则取决于它的三个彼此相交的棱的长度a、b、c和它们之间的夹角α、β、γ。

5）面网间距：任意二相邻面网间的垂直距离。

3．空间格子的基本规律：平行的面网，其面网间距相等，不相平行的面网，其面网间距不相等。

而网密度大的面网，其面网间距也大，反之，面网密度小的面网，其面网间距也小。

这一规律是从纯几何角度推导而来的。

如图（以布拉维格子图讲解）三、晶体的基本性质我们将一切晶体所共有的，并且是由晶体的格子构造所决定的性质，称为晶体的基本性质，简述如下：1．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，所以晶体能按照自己的格子构造形态，自发地形成该种形态的晶体。

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。

2．均一性和异向性均一性：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是相同的，所以同一晶体的各个部分的性质是一样的，这就是晶体的均一性。

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。

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不同方向性质不同。

3．最小内能与稳定性在所有物质中，晶体具有最小的内能。

物体的内能包括动能与位能。

而位能的大小则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，故晶体有最小的位能，也即晶体具有最小内能。

晶体的内能最小是由于它具有格子构造的结果。

由于晶体具有最小的内能，所以处于相对稳定状态，这就是晶体的稳定性。

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。

晶体内部质点已达到平衡状态，故晶体有最小的内能，要破坏晶体的这种状态，必须从外界吸收能量，如热能。

同时，使晶体中每个质点脱离平衡位置所需的能量都相等，因此每种晶体都有自己确定的熔点。

4．对称性：是晶体最重要的性质，后章专门介绍。

四、晶面发育的一般规律（一）晶体的层生长理论该理论由科塞尔（Kossel, 1927）首先提出，后经Stranski加以发展的晶体的层生长理论，故又称为Kosse-stranski理论，解释如下：对照挂图讲解：假设晶格为同一种原子所组成的立方晶格，其相邻原子的间距为a。

由图可见，在晶体形成过程中，重要存在三种可能不同的位置。

位置1：为三面凹角；位置2：为两面凹角；位置3：一般位置。

每种位置都各有若干原子（邻近的）吸引它们。

我们知道，引力与距离的平方成反比，亦即距离近的原子间吸引力大。

在三面凹角处：当原子向晶格堆积时，有三个最近的原子吸引它，引力最大，故原子将优先落到三面凹角的位置上去，这样又产生了新的三面凹角，原子继续堆积，直至三面凹角消失。