结晶学与矿物学教材

结晶学与矿物学结晶学与矿物学结晶学与矿物学2绪论一、矿物和矿物学1矿物的概念矿物是自然界中的化学元素，在一定的物理、化学条件下形成的天然物体。这种天然物体大多是结晶的单质和化合物。人们通常所说的矿物主要指的是地壳中作为构成岩石、矿物和粘土组成单位的那些天然物体。地壳中的矿物是通过各种地质作用形成的。它们除少数呈液态（如水银、水）和气态（如CO2和H2S等）外，绝大多数呈固态。固态矿物大多数具有比较固定的化学成分和内部结构。在适宜的条件下生长时，均能自发的形成规则几何多面体的外形。而在常温常压下的液态和气态矿物，因不具晶体结构，故没有一定的外形。任何一种矿物都不是一成不变的。当其所处的地质条件改变到一定程度时，原有矿物就要发生变化，并改组成为在新条件下稳定的另一种矿物。因此，从这个意义上来说：矿物又可被看做地壳在演化过程中元素运动和存在的一种形式。2矿物的经济意义矿物和矿物原料是发展国民经济建设事业的物质基础。对于矿物的利用，历来都之包括两个方面：一是利用它的化学成分；一是利用他的某些物理或化学性质。随着现代科学技术的日益发展和人们的某些特殊需要，可以毫不夸张的预言，在未来将没有一种矿物是没有用处的。为了加速实现我国“小康社会”，矿物工作者应急国家之所急，在扩大矿物原料基地的同时，更加积极地为寻找更多新的矿产基地和发掘矿物在各种工程技术领域内的新用途，作出应用的贡献。3矿物学在地质科学中的地位及与其它科学的关系矿物学是地质学的一门分科，是研究地球物质成分的学科之一。它研究的主要对象是天然矿物。其研究内容除包括矿物的成分、结构、形态、性质、成因、产状和用途外，还要研究矿物在时间和空间的分布规律及其形成和变化的历史，以此为地质学的其它分支学科在理论及应用上提供必要的基础与依据。因此，矿物学是地质学的一门重要的基础学科。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。许多新材料如结构材料、功能材料、非晶材料等合成的初始原料就是矿物，同时，这些材料的合成工艺及研究方法为矿物学的发展提供了广阔的前景。矿物学一方面为新技术的革命提供了必要的物质准备和发展平台，另一方面新技术又推动矿物学的进一步发展，所以，矿物学是材料科学的基础。此外，矿物学与结晶学、数学、物理学和化学特别是物理化学等基础学科的关系也是十分密切的，这些学科为矿物学的发展提供了必要的理论基础和研究方法。近年来，由于基础学科的新理论和实验技术在矿物学中的普遍应用，使得矿物学的一些内容正在经历着一场深刻的变化。为了适应这种变化的前进步伐，对基础学科的学习应当倍加注意。二、矿物学发展简史矿物学是地球科学中一门很古老的基础学科。但在十九世纪以前的漫长年代里，它始终处于对矿物记载和表面特征的描述方面。当然，期间也为本学科以后的发展，准备了大量的和不可缺少的基本资料。自十九世纪中期以来，随着科学技术的突飞猛进，矿物学的内容经历了如下几次重大突破。结晶学与矿物学3首先是1857年偏光显微镜的创制成功并应用于对矿物物理性质的鉴定和研究后，对矿物学的发展起了很大的推动作用，从而使矿物学由纯表面现象的描述进入对矿物实质问题的研究阶段；本世纪二十年代，由于将X-射线成功应用于矿物晶体结构分析后，在证实晶体结构几何理论的同时，又为统一矿物的化学成分和晶体结构之间的关系奠定了基础，从而导致矿物学在内容上的第二次大突破。由此，结晶化学便开始成为矿物的系统研究和矿物晶体化学分类的重要基础；三十年代以来，对形成矿物的物理化学条件所进行的研究（包括矿物组成、晶体成长、相平衡、热力学计算、矿物共生组合和包裹体测温、测压等），在深度和广度上都使矿物学显著地摆脱了以往那种春表面现象的描述状态，进入现代矿物学的阶段。尤其值得指出的是近二十多年来，矿物学受到现代核子科学、宇航技术、合成实验和电子计算机四大科技领域最新成就的促进和其它自然学科深入渗透的影响，内容上的再一次充实和完善将是无疑的。这一次的充实和完善必将由固体物理、量子物理和量子化学方面的理论应用于矿物的研究而引起。同时，它们必将也对整个地质科学带来深远的影响。三、矿物学现状和任务随着生产和现代科学技术的发展，现在的矿物学不仅在很大程度上摆脱了单纯描述矿物表面特征的阶段，而且有关矿物成因和晶体学问题的一般性研究，也已经不能满足当前的要求了。在过去的二十多年来，由于运用了晶体场理论、配位场理论、分子轨道理论和能带理论解决含过渡元素的硫化物、氧化物和硅酸盐等的一些矿物学问题上，已取得了很多有益的成果；由于固体物理学的理论和测试方法（如核磁共振谱、电子顺磁共振谱、红外吸收光谱、晶体场光谱、穆斯鲍尔谱）的引入矿物学，通过研究矿物晶体中原子、原子核以及电子的结构和精细结构来阐明矿物的形成条件、标型特征和物理性质等也已获得了良好的效果；由于运用了高分辨率透射电子显微镜对矿物晶胞大小和晶体精细结构的观察，发现了很多新现象，对矿物的某些节本概念进行了充实和发展，其中尤其令人鼓舞的是它使得人们长期来梦寐以求的渴望直接观察晶体结构的愿望终于得到实现；由于电子探针和离子探针的问世，是鉴定和研究微粒、微量矿物、查明微区内元素的分布状态成为可能，从而为矿物学的研究跨入更新领域开拓了广阔的前景；另外，近年来对宇宙矿物特别是对月岩矿物的研究也都获得了不少新成果，因此，可以说今天的矿物学无论在深度和广度上都达到了一个前所未有的新阶段。当前，矿物学的主要任务，就是要在不断总结上述成果的基础上，更加深入系统地要紧矿物的化学成分、晶体结构、物理性质、形态和形成条件以及这些方面的内在联系，进一步发掘矿物的新用途，揭示矿物在地壳中的分布规律及其形成表化的历史，并与地质学、材料学的其它分支学科相配合，解决当前科研和生产中的一些带有关键性的理论和实际应用问题，提供必要的依据。我国是世界上从事采矿实业最早的国家之一，对矿物的研究和利用具有很悠久的历史。特别是新中国成立后，随着大规模经济建设的开展，地质普查矿和采矿实业的突飞猛进，我国矿物学的研究也开始跨入了一个新的时期。在此期间，除先后发现了三十多种新矿物、新测定了近三十中矿物的晶体结构、编写出版了几个地区的区域矿物志和矿物学专著外，还在矿物学的十多个分支学科――宇宙矿物学、矿物物理学、矿物化学、实验矿物学、应用矿物学和成因矿物学等方面，也都取得了许多丰硕成果，为进一步丰富矿物学内容，作出了有益的贡献。当前，一个从地壳到地幔，从陆地到海洋，从地球到宇宙，从无机矿物到有机矿物，从天然矿物到人造矿物，从矿物到新材料的研究热潮，正在我国蓬勃兴起。结晶学与矿物学4第一篇几何结晶学基础天然矿物，绝大多数都是晶体。作为晶体，它们必然要体现结晶学特别是几何结晶学的所有规律。了解和掌握这些规律，是学习矿物学及其它与矿物有关的无机非金属材料学科必不可少的基础。因此，本篇将以若干章节介绍学习和研究矿物时，应当具备的一些有关几何结晶学的基本知识。第一章晶体和非晶质体在这一章里，将针对什么是晶体?构成物质的原子、离子和分子等依从怎样的几何规律构成晶体?晶体具有什么样的特性以及它们和非晶质体的根本区别等一系列问题，作如下扼要的介绍。一、晶体的定义对于晶体，人们常见而又熟悉的实物有水晶（石英SiO2），石盐（NaCl）和蔗糖等。于是，在一般人的心目中就认为只要是晶体，它们必然都是一些像水晶和石盐那样具有规则几何多面体的固体。其实，稍事考察，就会发现作为晶体并不一定都具备规则几何多面体的形状。例如，盐湖中产出的石盐就是这样，有的呈规则立方体，有的却是形态任意的颗粒。观察证明，它们之所以有上述差别，归根结底，主要是后者在结晶时受外界条件影响的结果，绝非因本质有什么不同造成的。因此，什么是晶体？应当从它的本质上来回答。有关晶体本质的探讨持续了好几个世纪，直到本世纪廿年代用X射线对晶体的结构进行研究后，才把它真正弄清楚了。原来，在一切晶体中，组成它们的物质质点（原子、离子、离子团或分子等）在空间都是按格子构造的规律来分布的。例如，在石盐中就可以明显地看出这种规律性。图1—1a为石盐晶体的结构图。图1—1b是从该结构中依一定条件取出的一个能代表整个结构规律的最小单位（晶胞）。图中大球代表氯离子（C1-），小球代表钠离子（Na+）。可以看出，这些离子在空间的不同方向上，各自都是按着一定的间距重复出现的。例如，沿着立方体的三条棱边方向，C1-与Na+各自部是每隔0.5628nm的距离重复一次，而沿着对角线方向，则各自都每隔0.3973nm的距离再现一次，其它方向上的情况也都类似，只不过各自重复的间距大小不同而已。例如用圈和点分别代表C1-与Na+中心点，并用直线将它们连接起来，这样，就可以得出一个如图1—1c所示格子状图形。实践证明，所有石盐，不论外部形态是否规则，它们的内部质点都是作如图1—1c所示的一种立方格子排列的。石盐之所以能够成为立方体的规则外形，正是格子构造规律制约的结果。经过大量工作，目前已经弄清了数以千计的不同种类的晶体结构，尽管各种晶体的结构互不相同，abc图1－1石盐的晶体结构结晶学与矿物学5但都具有格子状构造这一点则是一切晶体的共同属性。因此，在这里可以得出一个简明的结论：晶体即是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。或者概括地说：晶体是具有格子状构造的固体。与上述情况相反，有些状似固态的矿物，如蛋白石（SiO2²nH2O）和琥珀（C10H16Ｏ）等，它们的内部质点不作周期性的重复排列，即称为非晶质体。二、晶体的空间格子构造规律1．空间格子既然一切晶体都具有格子状构造，那么，各种晶体的格子构造是否都一样呢?各种晶体的格子之间有没有共同规律可循呢?为了弄清这两个问题，今仍以石盐为例，对它结构中质点的排列作较详细地剖析如下：在图1—1a所示的石盐晶体结构中，不难看出；每一个C1－中心点的上下，前后和左右都是Na＋；每个Na＋中心点的上下、前后和左右都是C1－。这就是说，所有C1－中心点周围的物质环境（即周围质点的种类）和几何环境（即周围质点对该C1－中心点的分布方位和距离）都是相同的。所有Na＋中心点的周围也是如此。晶体结构中物质环境和几何环境完全相同的点，称为等同点（或称相当点）。因此，石盐晶体结构中，所有C1－中心点为一类等同点，所行Na＋中心点为另一类等同点（其实，等同点所在位置，并不只限于这些质点的中心。在结构中任何地方取定一点，也都同样能得出与它相应的等同点）。如果对各类等同点在空间的分布规律进行考察，不难得出，每类等同点都构成如图1－3所示的图形。这也就是说，当C1－与Na＋组合组成石盐晶体时，不论是C1－还是Na＋，它们各自都是按照图1一3所限定的规律来进行排列的。由于图1—2只是从具体晶体结构中按等同点抽象出来的一个纯粹的几何图形，所以，其中的每个点也只是一个纯粹的几何点，这种点，称为结点。由结点在三维空间作周期性重复排列后均成的无限图形，即称之为空间格子。所以，空间格子虽是一个抽象的几何图形，但却不能脱离开具体晶体结构而单独存在。2．空间格子的特点由于空间格子能概括地表明晶体结构中各类等同点的排列规律，因此，了解空间格子所具有的特点，对于阐述晶体的共同性质是非常必要的。空间格子的一般形式，如图1—3所示。其特点可概括如下：（1）结点：空间格子中的结点代表晶体结构中的等同点。但就其本身而言，它们仅仅是标志等同点位置的一些抽象的几何点，本身并不等于实际的质点。（2）行列：空间格子中由结点组成的直线，称为行列（图1—4）。显然，空间格子中任意两个结点就能决定一条行列。每一行列各自都有一个最小的结点重复周期，它等于行列上两个相邻结点间的距离，简称结点间距。在空间格子中，有无数不同方向的行列。平行的各个行列上结点间距相等，不平行的行列，其上的结点间距一般不等。图1－2石盐晶体的空间格子图1－3空间格子的一般形式图1－4行列结晶学与矿物学6（3）面网：连接空间格子中分布在同一平面内的结点，即构成一个面网。显然，任意两个行列相交，就可决定出一个面网（