晶体和非晶质体.ppt

结晶学与结晶化学,主讲：王金香,参考资料：结晶学及矿物学潘兆橹 地质出版社结晶化学导论 钱逸泰 中科大出版社,绪论,一、结晶学与结晶化学 以晶体为研究对象的一门自然科学 研究：晶体发生、生成、物化性质、外部形态、内部结构、制备、结构、化学组成及性质之间的关系,研究对象晶体,食盐,冰糖,雪花,钻石,红宝石,蓝宝石,二、研究内容,几何结晶学 研究晶体外形的几何规律晶体生长学 研究晶体发生、成长机理、控制和 影响生长的因素及晶体的人工合成晶体结构学 研究晶体内部结构中质点的排布规 律及结构缺陷晶体化学 研究晶体的化学成分与结构及性质(物理化学性质)之间的关系晶体物理学 研究晶体的物理性质及产生机制,三、结晶学与其它学科关系,1、与矿物学的关系2、与基础学科 数学、物理学、化学的关系3、与应用技术科学部门 有的直接以晶体为研究对象：选矿学、陶瓷工艺学、水泥工艺学、玻璃工艺学；有的直接应用晶体作为核心部件，如半导体、超声波、激光技术等技术领域。,（1）材料制品大多是晶体或由结晶体所组成的。,4、结晶学是材料学科的理论基础,金属材料：纯金属、合金、金属化合物、金属铸件 基本都是晶体集合体无机非金属材料：除玻璃制品外，可分为两类 单晶材料：单晶硅、水晶、金刚石、红宝石等 多晶材料：陶瓷、水泥熟料、耐火材料等,（2）工业原料主要组成是晶体。天然矿石原料：无机非金属材料工业的所用天然矿石原料也都以结晶相为主要成分。水泥工业常用石灰岩、大理岩、铝矾土、石英、萤石等作原料。玻璃工业常用长石、石英、芒硝、纯碱、大理岩、石灰石等作原料耐火材料工业常用菱镁矿、白云岩、粘土岩、铝土矿等作为原料。陶瓷工业上，石英、长石、粘土矿物等作为原料,化工原料：天然矿石经加工或提取获得，主要用来制造新型无机材料，或作为硅酸盐制品得辅助原料。如：电子陶瓷主要应用的化工原料，如钛白粉(TiO2)、氧化铅(PbO)等，它们都是晶体。,工业废渣和工业尾矿：可作为无机非金属材料工业的原料。如：水泥工业大量使用的矿渣、粉煤灰、煤渣等。这些也主要由晶体组成。,（3）指导材料制品的研制和开发应用 A、金刚石，石墨 B、Al2O3+Cr 硬度、耐磨 C、微晶玻璃,四、课程特点及性质,性质：非金属专业重要专业基础课。,学习材料学、硅酸盐工艺学及材料现代分析测试方法等课程提供必需的晶体学基础,应用于材料的生产及研制利用.所以又具有专业课的性质。,特点：抽象性、空间性、共性,五、课程教学内容,一、晶体及非晶体二、晶体的宏观对称三、晶体定向与结晶符号四、单形和聚形五、晶体生长六、晶体的规则连生七、晶体内部结构的微观特征八、晶体化学,本课程以晶体形态对称规律及晶体内部结构对称规律为主，简介晶体化学与晶体生长。,第一章 晶体及非晶体,主要内容晶体概念空间格子的概念、空间格子的要素非晶体概念、准晶态的含义 晶体的基本性质,石英,最早发现石英晶体有这样一些特征：是一种固体，有棱有角，有规则的几何外形,远古年代的定义：天然具有规则几何外形的固体,1.1晶体的概念,晶体内部质点有序性的证明：1912年德国科学家劳厄用晶体作光栅，使X射线产生衍射，证明晶体内部质点是有序排列的1914年英国科学家布拉格父子用各种各样的晶体作大量的衍射实验三位科学家研究成果揭示了一切晶体皆具有格子构造的秘密,氯化钠内部质点排列,晶体的定义：晶体是内部质点（分子、原子或离子）在三维空间成周期性重复排列的固体。或者说，晶体是具有格子构造的固体。,氯化钠,氯化钠内部质点排列,晶体分单晶和多晶两类 单晶指的是单晶体，主要是天然的矿物晶体和人造的晶体材料，如：天然的水晶、长石、萤石和人造的云母、单晶硅、金刚石、红宝石等；多晶则是由无数颗细小的单晶体聚合而成的，如金属，土壤，粉末试剂等。,单晶和多晶,冰糖单晶,冰糖多晶,1.2空间格子,1、空间格子的定义表示晶体内部结构中质点重复排列规律的几何图形,NaCl,相当点(等同点)：在晶体结构中的种类相同，分布位置或周围环境也相同的一类点相当点必须具备的两个条件点的内容（或种类)相同点周围环境相同,(a)晶体平面结构,(b)相当点,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。,例1,空间格子推导,晶体平面结构中多套相当点及空间格子,晶体结构中等同点的分布（A）,空间格子推导例2,氯化钠的晶体结构(a)(b)与空间格子(c),(a)(b)(c),CsCl的晶体结构与空间格子,注意：空间格子与具体的晶体结构的区别,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。,注意:实际晶体中，结点的位置由同种质点所占据，但同种质点却并不一定只占据同一套结点,金红石晶体结构平面示意图,性质：不代表任何质点,它只具有几何意义，为几何点,(1)结点：空间格子中的点,代表晶体结构中的相当点。,2、空间格子要素,(2)行列:结点在直线上的排列称为行列。空间格子中任何两结点联结起来就是一条行列的方向,空间格子中的行列,结点间距:行列中相邻两结点之间的距离 性质:同一行列中结点间距相等，平行行列中结点间距不变,(3)面网:结点在平面上的分布空间格子中不在同一行列上的三个结点可构 成一面网。任意两相交行列决定一个面网。,空间格子中的面网,面网密度：面网单位面积内的结点数。面网间距：一个空间格子中任意两相邻平行面网之间的垂直距离。在一个空间格子中平行面网的面网密度与面网间距相等。而不平行的面网之间，面网间距和面网密度一般不等。面网间距较大者面网密度也较大。？,面网密度与面网间距关系,1,2,3,面网间距较大者面网密度也较大,(4)平行六面体:空间格子的最小单位。平行六面体由六个两两平行的面网组成，结点分布于角顶上，平行六面体的三个棱长，是三条相应行列的结点间距。,空间格子可看作是无数个平行六面体在三维空间毫无间隙地重复堆叠而成。,空间格子中平行六面体对应晶体结构中的晶胞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不同我们以后将会看到，平行六面体的形状一共有7种，对应有7套晶胞参数的形式，也对应7个晶系。,(a)晶体（b）玻璃（非晶体）,定义：物质内部质点在三维空间无规律排列，即不具格子构造的固体称为非晶体。,1.3非晶体,近程规律，远程规律,近程规律,晶体与非晶质体的区别可从形态和物性等方面考虑：比如：1)非晶体没有一定的外形 2）非晶体各向同性 3）非晶质体加热时逐渐软化，无定熔点。,晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的,晶化（crystallizing）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。这一过程可以自发进行。,非晶化（noncrystallizing）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一般需要外能。,非晶体实例,松香,沥青,橡胶,塑料,准晶态或准晶体,1984年在电子显微镜研究中，发现了一种新的物态，其内部质点排列具有远程规律，但没有平移周期，即不具格子构造。右图就是一种具有远程规律，但没有平移周期的图形，这种物态是介于晶体与非晶体之间的一种状态，人们称之为准晶态或准晶体（quasicrystal,具有远程规律但没有平移周期的图形,1.4晶体的基本性质,1、自限性（自范性）晶体在适当条件（能自由生长）下，可以自发形成规则几何多面体。,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、晶棱与角顶分别与格子构造中的面网、行列及结点相对应。,2、（结晶）均一性同一晶体的各个不同部分具有相同的性质 因为晶体的具有格子构造的固体，在晶体的各个不同部分质点的分布与排列都是一样的,注意:非晶体也具有均一性(统计均一性),3、异向性（各向异性）晶体的性质因观测方向不同而有差异。,黑云母解理,石墨-解理,A,B,晶体为什么具有异向性这是因为晶体在不同的方向上质点的排列方式不同而决定的。,氯化钠晶体结构,氯化钠,思考：均一性与异向性有矛盾吗？异向性与自限性有什么联系?,4、对称性 晶体中相同部分（晶面、晶棱、角顶）或性质（物理化学性质）在不同方向或位置上有规律地重复出现。,晶体的宏观对称是由晶体内部格子构造的对称性所决定,5、最小内能性 在相同的热力学条件下，与同种化学成分的非晶体、液体、气体比较，其内能最小,晶体加热曲线,6、稳定性 在相同的热力学条件下，具有相同的化学成分的晶体与非晶体比较，晶体是最稳定的。这是因为晶体的内能最小，内部质点在一定位置上振动保持格子的平衡，晶体总是处于最稳定状态。,本章重点总结：本章包括3组重要的基本概念:,3)晶体的基本性质：自限性、均一性、异向性、对称性、最小内能、稳定性，并利用格子构造简单解释为什么？,2)结点、行列、面网、平行六面体;结点间距、面网间距与面网密度的关系。,1)晶体、格子构造、空间格子、相当点；它们之间的关系。,面角守恒定律同种矿物的晶体，其对应晶面间角度守恒。,实际应用中，通常都用面角（晶面法线的夹角）来表示晶面间的夹角关系。,