晶体和晶体的基本性质.ppt

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1、矿物岩石学基础,课程提纲,矿物学部分：一.绪论（1）二.矿物的化学成分和内部结构（2）三.矿物的形态（1）四.矿物的物理性质（2）五.矿物的命名和分类（1）六.矿物各论（2）,岩石学部分：七.岩浆和岩浆作用（1）八火成岩的结构、构造和产状（2）九火成岩的成分和火成岩分类（2）十火成岩各论（2）十一沉积岩的形成过程和一般特征（4）十二 陆 碎 沉积岩类（2）十三 自生沉积岩类（2）十四 变质岩的基本概念（2）十五变质岩的基本特征和分类命名（2）十六 变质岩各论（2）,课程提纲,教材、参考书,教材 矿物学简明教程，戈定夷，地质出版社，1989 岩石学，乐昌硕，地质出版社参考书 基础结晶学与矿物学，

2、罗谷风，南京大学出版社，1993 结晶学及矿物学（上、下），潘兆橹，地质出版社，1993,考试方式,平时成绩占40%(包括出勤、上课和实验报告情况)期末考试成绩占60%,一、矿物的概念,矿物（mineral）：矿物是指在地壳各种地质作用的综合作用下形成的天然单质或化合物。它们具有均匀且相对固定的化学组成和确定的晶体结构；它们在一定的物理化学条件范围内稳定，是组成岩石和矿石的基本单元。目前，已发现的矿物种数有3000多种，基本上都产自地壳中。矿物形式:固态、液态、气态。,关于矿物的几点说明：,1.矿物系地壳中各种地质作用天然形成的产物（以知矿物3000多种，人造矿物不属于地质学范畴）。人造矿物(

3、合成矿物)：在实验室或工厂里用人工方法制造出来的、与相应的天然矿物具有相同或相似的成分、结构及性质的产物。,2.矿物具有一定的成分(每种矿物都可以用化学式表达)、结构、形态和性质，藉此可鉴别矿物种。方铅矿：PbS 闪锌矿：ZnS 方解石：CaCO3 但是，由于形成环境的复杂性，矿物的这些特征可在一定范围内变化。,3.绝大多数矿物内部质点有序排列晶质体。4.任何一种矿物均只是在一定的物理化学条件下相对稳定，得以保存。当外界条件改变至超出矿物的稳定范围时，矿物即会变成在新的条件下稳定的其他矿物。例：2FeS2（黄铁矿）+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4 4FeSO4+6H2O+O2=4

4、FeOOH（褐铁矿）+4H2SO4,5.矿物的集合体即组成岩石或矿石。,花岗岩常见矿物有石英、长石、黑云母等。,准矿物(mineraloid)的概念：自然作用中形成的、具有一定的化学成分的非晶态的单质或化合物，称为准矿物。例：蛋白石 Opal SiO2nH2O 非晶铀矿 Nasturan Um4+Un6+O2m+3n,矿石通常，从金属矿床中开采出的并具有冶炼金属价值的固体物质均称作矿石，俗名常简称为矿。矿石一般是由有用的金属矿物，（矿石矿物）与其伴生的脉石所构成。矿石矿物大多数是不透明矿物，往往具有金属光泽，如黄铜矿、方铅矿分别为铜、铅的矿石矿物。,二、矿物学及与其他学科的关系,（一）、矿物学

5、(mineralogy)的概念 研究矿物(包括准矿物)的形态、成分、结构、性质、成因、产状、用途和它们相互间的内在联系，以及矿物的时空分布规律及其形成和变化的历史的科学。,矿物史学 描述矿物学理论矿物学应用矿物学,系统矿物学,新矿物学,区域矿物学,宇宙矿物学,成因矿物学,矿物晶体化学,矿物物理学,找矿矿物学,宝玉石矿物学,环境矿物学,（二）现代矿物学的分支谱系,矿物学是地质学科中最基本的学科之一，它是岩石学、矿床学、地球化学、构造地质学、地史学、水文地质学、工程地质学等学科的基础，而且与结晶学、数学、物理学和化学等基础科学密切相关。由此可见，学好本门课程是十分重要的。,第一阶段：萌芽阶段（19

6、世纪中叶以前）石器时代青铜器时代铁器时代 山海经、梦溪笔谈、本草纲目、天工开物、管子地数、淮南子、抱朴子；西方的似金属论、石头论 德国人阿格里科拉(Georgius Agricola)论矿物的起源(1556年)首先将矿物与岩石分开，提出“矿物”概念。特点：对矿物的记载和表面宏观特征的描述。,（三）矿物学发展简史,技术与方法：偏光显微镜（1857）化学分析 晶体测角研究内容：化学成分，几何形态、物理和化学性质、产状，化学成分分类,形成独立的学科。代 表 作:美国J.D.Dana描述矿物学(18371892)。特 点：能够利用显微镜，结合化学分析、晶体测量、简单物性分析，对矿物进行系统描述性研究。

7、,第二阶段：描述矿物学阶段（19世纪中叶20世纪初）,技术与方法：X射线晶体结构分析、各种微束分析、高温高压实验新理论：物理化学 晶体化学 特点：微区、微量、动态、相互联系。,第三阶段：现代矿物学阶段（20世纪初以来）,矿物学与其他学科的关系,（四）、矿物的用途 矿物的用途：作为提取其中有用成分（特别是冶炼金属）的原料；作为制造其他产品的原料；利用矿物的某种特殊性能 而作为材料直接应用。,以提取有用成分为目的矿物主要是金属矿物；而作为材料直接应用或用作制造其他产品的原料的矿物，则以非金属矿物为主。,三、晶体与晶体的基本性质,1.晶体、非晶体与准晶体的概念。2.空间格子的概念，空间格子要素。3.

8、晶体的基本性质。,石英（Quartz）,什么是晶体？,1.晶体、非晶体与准晶体的概念。,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。,石盐的晶体结构,晶体？,非晶体？,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。,1.晶体、非晶体与准晶体的概念。,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。homogeneous solid containing long-range order in three dimensional space.短程有序长程有

9、序（short+long range order）非晶体noncrystal：仅短程有序,1.晶体、非晶体与准晶体的概念。,晶体,非晶体,SiO2,非晶质体：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。（非晶体、非晶质、玻璃质）,例如：气体和液体、部分固体：松香、琥珀、玻璃等（从内部结构的角度来看，其质点的分布类似于液体）。,准晶体(quasi-crystal):具有准周期格子构造的固体。准周期构造不同于晶体中的平移周期,但具有自相似性(放大或缩小)。准晶体的质点排列虽具有长程有序，但不体现平移的周期重复，即不存在格子构造。,具五次对称轴定向长程有序但无重复周期的图形,

10、小结晶体：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。非晶质体：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。,2.空间格子的概念,一切晶体都具有格子构造，寻找其格子构造的规律便引出空间格子的概念。,晶体（远古年代的定义：自发形成规则形态的物体；现代的定义：内部结构具有周期重复性，即具有 格子构造 的固体。）格子构造（晶体结构的周期重复规律，这种规律是可以 用格子状的图形空间格子表示的。）空间格子（表示晶体结构周期重复规律的简单几何图形 要画出空间格子，就一定要找出相当点。）相当点（两个条件：1、性质相同，2、周围环境相同。）,2.空间格子的概念,相当

11、点 两个条件：1.性质相同，2.周围环境相同。,2.空间格子的概念,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。,2.空间格子的概念,空间格子：由相当点排列而成的几何图形，它反映晶体质点排列的规律性。空间格子为无限图形。,图2-3空间格子的一般形状,（1）结点-node,相当点，几何点（2）行列-row，任意二结点，结点间距（row-spacing）（3）面网-net 面网密度、面网间距（4）平行六面体-parallel hexahedron,相互平行的面网间面网密度相等，其面网间距也相等，不相平行的一般不等，且面网密度大的面网间距大，反之

12、，网密度小的面网间距小。,d1,d2,d3,2.空间格子的概念,平行六面体：空间格子中的最小单位体积。空间格子可以被看成是由无数个平行六面体在三维空间无间隙地重复堆叠而成。,a,b,c,平行六面体对应的实际晶体中相应的范围叫晶胞。,2.空间格子的概念,NaCl晶胞,金红石晶胞,3.晶体的基本性质,3.晶体的基本性质,我们将一切晶体所共有的，并且由晶体的格子构造所决定的性质，称为晶体的基本性质。1.自限性:晶体能够自发地生长成规则的几何多面体形态。,3.晶体的基本性质,2.均一性:同一晶体的不同部分物理化学性质完全相同。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

13、+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。,3.晶体的基本性质,3.异向性：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：AA方向，H45，小刀可刻动。BB方向，H65，小刀不能刻动。思考：均一性与异向性有矛盾吗？,3.晶体的基本性质,4.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。例如下面的晶体形态是对称的：,3.晶体的基本性质,5.最小内能性：晶体与同种物

14、质的非晶体相比，内能最小。内能=动能+势能 质点在平衡点 质点间相对 周围作无规则 位置所产生 振动的能量 能量,3.晶体的基本性质,6.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。,下面的问题请同学们思考并讨论：1)非晶体（玻璃）的定义及特点？（远程规律与近程规律）2)液体、气体的结构具有什么规律？3)晶体与非晶体的转化？,4)准晶体的发现及定义：1984年发现的新现象，具有远程规律但没有重复周期。这是什么意思呢？5)准晶体与晶体、非晶体的关系？,本章重点总结：本章包括4组重要的基本概念:1)晶体、格子构造、空间格子、相当点；它们之间的关系。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.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，并解释为什么。,