晶体结构的几何理论2课件.ppt

1、晶体结构的几何理论v十四种空间格子：晶体的基本性质和外形规律特征的根本原因在于它内部的空间格子构造，在理想晶体中，其内部质点均按照格子构造规律排列。平行六面体是空间格子的最小单位，整个晶体结构可视为平行六面体（即晶胞）在三维空间平行的、毫无间隙的重复堆砌而成。v晶体的空间格子可分为以下四种类型: 原始格子、面心格子、体心格子、底心格子。原始格子、面心格子、体心格子、底心格子。v选取最小平行六面体原则：反映结点分布所固有对称性；直角最多；体积最小。十四种空间格子十四种空间格子1、原始格子（P）：结点分布于平行六面体的八个角顶上。2、底心格子：结点分布于平行六面体的角顶及某一对面的中心。其中又可细

2、分为三种类型： 、C心格子（C）：结点分布于平行六面体的角顶和平行 （001）一对平面的中心； 、A心格子（A）：结点分布于平行六面体的角顶和平行 （100）一对平面的中心； 、B心格子（B）：结点分布于平行六面体的角顶和平行 （010）一对平面的中心。 一般情况下所谓底心格子即为C心格子，对A心或B心格子，能转换成C心格子时，应尽可能地予以转换。3、体心格子（I）：结点分布于平行六面体的角顶和体中心。4、面心格子（F）：结点分布于平行六面体的角顶和三对面的中心。 按晶系的不同，空间格子具以下十四种类别。晶系原始格子（P）底心格子（C）体心格子（I）面心格子（F）三斜C=II=FF=P单斜I=

3、FF=C斜方四方C=PF=I三方与本晶系对称不符I=FF=P六方与本晶系对称不符与空间格子的条件不符与空间格子的条件不符等轴与本晶系对称不符几种典型晶体结构vNaCl型、 CaF2型几种典型晶体结构 NaCI晶体质点排列NaCl的晶体构造、空间格子几种典型晶体结构v黄铁矿vCsCl型（立方面心）几种典型晶体结构vMoS（层状）vZnS几种典型晶体结构vPbS、Sb2S3几种典型晶体结构v石膏型、TiO2几种典型晶体结构vSnO2、BaSO4型晶体化学一、原子和离子半径：原子核和和外电子所占据的空间（体积）。理论半径和有效半径、共价半径、金属半径、分子半径。二、紧密堆积原理：等大秋体的最紧密堆积

4、（六方最紧密堆积和立方最紧密堆积）与堆积空间25.95%。（八面体与四面体空隙）n个球堆积有n个八面体空隙；2n个四面体空隙。堆积形式晶体化学v配位关系：晶体结构中原子或离子只能按一定的方式与周围的原子或异-号离子相结合而形成的关系。v配位数和配位多面体：每个原子或离子周围最邻近的原子或异号离子的数目；以一个原子或离子为中心将周围与其成配位关系的原子离子的中心连接起来所获得的多面体。v与阳离子/阴离子半径比有关。R阳/R阴=0-0.155(2,哑铃形);0.155-0.225(3三角形);0.225-0.414(4四面体);0.414-0.732(6八面体);0.732-1(8立方体);1(1

5、2,立方八面体)。p126晶体化学v化学键与晶格类型：按照质点间作用力的不同，晶体又可分为离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体四种基本类型，如食盐为离子晶体，金刚石为原子晶体，冰为分子晶体，铁为金属晶体。离子键-离子晶格；共价键-原子晶格；金属键-金属晶格；分子键-分子晶格；氢键、氢氧键v元素电负性：一个元素的原子与其他原子作用时从后者接受电子的能力,是电子亲合能和电离 势之和。越大接受电子能力越强。v离子极化：在电场作用下原子或离子不再为球形,出现大小变化的现象。离子本身具有极化力（使其他离子变形的能力）晶体化学类质同像:晶体结构中某种质点为其他类似质点所带代替，结构不变常数有不大变化。这

6、是一种固溶体。条件：1，原子或离子半径（容积条件）：r1-r2/r2：10-15%，完全，20-25%，高温完全，大于25%-40%不能。2，相同离子类型（惰性气体型离子和铜型离子）和化学键；3，代替后晶格能量增加则稳定，相反则不易代替。4，离子电价保持不变：同价替代（Fe2+Zn2+）；补偿类质同像：少高代多低云母（3Mg2+2Al3+），高低合代磷灰石（Ce3+Na+）2Ca2+，阴阳离子同时替代，磷灰石（Ce3+O2-）Ca2+F-、附加阳离子补偿：角闪石中：Al3+Na+Si4+5，外界条件： 温度升高有利；压力加大不利，浓度过剩、不足其他补充。v意义：普遍现象，综合利用，物理化学性质

7、变化。晶体化学同质多像：同种化学成分的物质在不同物理化学条件下形成不同结构晶体的现象。这些不同结构的晶体为该成分的同质多像变体。如C有金刚石和石墨。同质多象变体多有一定热力学稳定范围，具有自己的形态物理性质特征，是独立的矿物种。1，温度升高形成配位数减少、比重降低变体，转变温度，作为地质温度计：Q：（573） 鳞 硅石（1470）。2，压力升高形成配位数多的变体。如金刚石。3，介质成分、杂质和酸碱性：FeS2在碱性介质中生成黄铁矿（等轴），在酸性介质中生成白铁矿（斜方）。差异：1，配位数不同，晶体构造也不同。如C金刚石（4），石墨（3）；2，配位不同，构造相同：CaCO3变体方解石（6，三方岛

8、状）文石（9，斜方，岛状）；3，配位相同，构造不同，TiO2金红石链状、锐钛矿架状，四方晶系，配位数4。4，配位数、构造都相同，晶体结构有不同，Q的几种变体，仅在SiOSi连接角度有区别。v多型：一种一维的同质多像，是层状结构的特殊现象。结构单元层相同叠置顺序不同。石墨、云母、高岭土等。晶体化学固溶体：一种晶体的质点溶人另一种晶体的结构中，而不影响其晶格类型的变化，所形成的固态物质就称为固溶体。它与普通液态的溶液或溶体相类似，只不过溶剂是固态物质，而其中被溶解的物质(溶质)则可以是固体、液体或气体。由此可见，固溶体的含义更为广泛。 固溶体一般分三种类型：置换固溶体（离子或原子能够互相替换而形成

9、的） 、侵入固溶体(或称嵌入固溶体、间隙固溶体)是一种组分(溶质)侵入另一种组分(溶剂)晶格的原子或离子的间隙之中形成的。侵入固溶体的发生，只有当两种组分的原子或离子的大小相差很大时，才有可能。缺位固溶体（晶体间的质点相互替代时，如果进入晶格的质点数比取代出来的质点少，则形成的固溶体 ）固溶体类型固溶体类型矿物的化学成分v矿物是地质作用或宇宙作用的产物，是地壳或宇宙中自然存在的各种元素所形成的自然物体。分布广泛。有固态、液态、气态。具有一定化学成分、内部结构和物理化学性质的物质。是岩石矿石的基本组成单位。v元素在地壳中分布规律：丰度、v元素的地球化学分类：惰性气体型离子（亲氧元素）、铜型离子（

10、亲硫元素）、过渡型离子（过渡元素）。Group12 3456789101112131415161718Period 11H 2He23Li4Be 5B6C7N8O9F10Ne311Na12Mg 13Al14Si15P16S17Cl18Ar419K20Ca21Sc22Ti23V24Cr25Mn26Fe27Co28Ni29Cu30Zn31Ga32Ge33As34Se35Br36Kr537Rb38Sr39Y40Zr41Nb42Mo43Tc44Ru45Rh46Pd47Ag48Cd49In50Sn51Sb52Te53I54Xe655Cs56Ba*71Lu72Hf73Ta74W75Re76Os77Ir78

11、Pt79Au80Hg81Tl82Pb83Bi84Po85At86Rn787Fr88Ra*103Lr104Rf105Db106Sg107Bh108Hs109Mt110Uun - *Lanthanides*57La58Ce59Pr60Nd61Pm62Sm63Eu64Gd65Tb66Dy67Ho68Er69Tm70Yb *Actinides*89Ac90Th91Pa92U93Np94Pu95Am96Cm97Bk98Cf99Es100Fm101Md102No 矿物化学成分v胶体矿物：胶体是一种物质微粒（10-1000）分散分散相相分散在另一种物质之中分散媒所形成的不均匀细分散系。对呈凝固状的胶体称为胶

12、凝体。v胶体矿物既是水胶凝体。细小、带电荷、具有选择吸附性、巨大表面能。形成于胶体溶液的凝聚。胶体矿物矿物化学v矿物中的水：1，吸附水：不参加晶格，颗粒、裂隙吸附。2，结晶水结晶水：以中性水分子存在于矿物中，在晶格中有一定位置，：以中性水分子存在于矿物中，在晶格中有一定位置，起着构造单位作用；有逸出温度，起着构造单位作用；有逸出温度，H2O逸出改变结构；是矿物逸出改变结构；是矿物化学成分一部分，与其他成分有简单比例。出现在具有大半径化学成分一部分，与其他成分有简单比例。出现在具有大半径络阴离子团的含氧盐中。阳离子半径与络阴离子团的半径相差络阴离子团的含氧盐中。阳离子半径与络阴离子团的半径相差较

13、大，需要水以一定配位形式围绕阳离子形成结晶水化物，才较大，需要水以一定配位形式围绕阳离子形成结晶水化物，才能形成稳定矿物晶格。能形成稳定矿物晶格。如如CaSO42H2O、NiSO46H2O。3，沸沸石水石水：存在沸石中的中性水。水逸出不引起结构变化，并能再：存在沸石中的中性水。水逸出不引起结构变化，并能再吸水。吸水。4，层间水：层状硅酸盐中中性水分子。5，结构水（OH）-、H+、（H3O）+的形式。水逸出结构变化重组。矿物的性质v形态：理想晶体与实际晶体，晶体习性、晶面花纹、集合体形态。v光学性质：颜色、光泽、透明度、发光性；v力学性质：解理、断口、硬度、弹性与韧性；v电磁学性质：磁性、导电性

14、、热电性；v化学性质：稳定性、吸附性、耐酸碱性、v其他性质：比重、形态v理想晶体与实际晶体，晶体习性、晶面花纹、集合体形态。矿物的光学性质v矿物颜色：矿物对白光中不同波长的光波吸收的结果。均匀吸收：黑、灰、白；选择吸收：彩色。1，过渡元素内部电子跃迁：使矿物呈色的主要离子为色素离子。是产生颜色的物质基础。离子在d轨道或f轨道发生分裂产生能量差 25000-14000cm-1，与某种可见光波长相当。在白光照射晶格，其中具有一定的电子被相应波长的光波激发，跃迁到高能级上，该光波被吸收，其他波长的光波则透射或反射，透射光与反射光混合产生矿物颜色。2，电子转移：在外来能量作用下产生电子转移。Fe2+F

15、e3+、Mn2+Mn3+等，产生颜色。矿物光学性质v产生颜色机理3，能带间电子转移：电子与邻近原子的电子相互作用形成一定宽度的能量范围的能带。被电子占满为满带，部分占据为导带，之间为禁带。禁带能量与可见光所具有能量相当时，电子从满带向导带跃迁，引起颜色。v4，晶体结构缺陷造成电子转移：在晶体结构中存在具有能够吸收光而呈现颜色的晶体结构缺陷色心。常见F色心是一种电子占据了阴离子空位。矿物颜色矿物光学性质v透明度：是指矿物透过可见光波的能力。决定因素：与矿物的化学成分和结构构造有关。金属键矿物中因具有较多自由电子，对可见光吸收多透射少，故透明度差；离子键共价键矿物因不存在自由电子，故对可见光透过多

16、吸收少，此类矿物透明度高。自然界没有绝对透明矿物或绝对透明矿物。v透明度观察：厚度为0.003厘米的薄片。v透明度分级：透明、半透明、次半透明、不透明。v影响矿物透明度因素：杂质、包裹体、气泡、裂隙、放射性的影响、集合体方式的不同而发生的差异等。矿物光学性质v光泽：矿物表面反光的能力。实际上是矿物表面的总光量。在绝大多数情况下是由矿物表面的反射光量所组成，但对于透明矿物来说，是反射光量和透射光量的总和。v具离子键、共价键的矿物对可见光透过多反射少，呈非金属光泽，金属键可见光本身能量被吸收且大部分能量当激发电子重返基态时再发射出来成为反射光，没有光子透射，故呈金属光泽。v光泽分级：金属光泽、非金

17、属光泽（半金属光泽、金刚光泽、玻璃光泽）和特殊光泽（丝绢光泽、珍珠光泽、沥青光泽、土状光泽等）。p204矿物光学性质 矿物的发光性：矿物在外加能量如紫光、紫外光、X-射线等的照射下能发出可见光的性质。实质：是矿物晶格吸收了较高的外加能量，然后以较低能量（可见光）在发射出来造成的。荧光：外界刺激作用停止时，矿物的发光现象停止，这种性质为。磷光：在外界能量停止后矿物仍能继续发光的性质，称为。热光性：当矿物被加热，能使被抑制的激发电子活化，突破能量屏障落回基态而发射出某种可见光的性质，称之为。矿物力学性质v解理：矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂成光滑平面的性质。是晶体异向性的表现。光滑平

18、面称之为解理面。解理面平行于网面密度大的面网、阴阳离子中和面网、两层同号离子相邻的面网、化学键力最强方向。即为化学键力最薄弱的方向。v体现对称性：在某方向有解理，与之具对称关系的方向有性质相同的解理。用单形符号表示。闪锌矿110，表示六组，菱形12面体。v解理分级：极完全解理、完全解理、中等解理、不完全解理和极不完全解理。矿物力学性质v断口：是矿物在外力作用下在任意方向病破裂并出现各种凹凸不平的断面称之为。v断口与解理成消长关系，且可在非晶体矿物出现。v断口种类：贝壳状、锯此状、参差状、土状。v裂开：矿物晶体在外力作用下沿一定结晶方向裂开的性质。v裂开产生原因：双晶（聚片双晶）结合面、包体方向

19、出现的平面。矿物力学性质v硬度：是指矿物抵抗某种外来机械作用力（如刻划、压入、研磨等）侵入的能力。v决定因素：矿物的化学键型和强度。离子键型矿物硬度较高、共价键型矿物硬度高、金属键型矿物硬度低、分子键型矿物硬度最低。v摩氏（1822年Mohs提出）硬度相对硬度表：1滑石2石膏3方解石4萤石5磷灰石6正长石7石英8黄玉9刚玉10金刚石。v绝对硬度：是通过显微硬度仪测定出矿物的显微硬度。体现对称性和异向性。与原子价态、间距、配位数、键性相关。矿物力学性质v矿物的比重：指纯净、均匀的单矿物在空气中的重量与同体积水在40C时的重量比。决定因素：矿物的化学成分和内部结构。主要与组成元素的原子量、原子或离

20、子半径和堆积方式有关。温度、 压力对矿物的比重也有重要作用。矿物的脆性：指矿物受外力作用容易破碎的性质。脆性离子键矿物的一种特性。离子键型程度越大，矿物的脆性越强。矿物的延展性：指矿物在锤击或拉引下，容易形成薄片和细丝的性质。是金属键矿物的一种特性（塑性形变）。金属受外力作用下离子能够重新排列而不失去粘结力，是金属矿物具有延展性的根本原因。金属键程度不同，延展性有差异。矿物力学性质矿物的弹性：矿物受外力作用时发生弯曲形变，但外力作用取消后，能使弯曲形变恢复原状，此为。如云母、石棉。弹性的实质是层状矿物其单位层之间存在一定的离子键结合力，但其受外力弯曲时，离子键也被拉长或压短，各单位层能够变弯或

21、移动。外力取消这些粒子键能恢复正常，并使各单位层复位。 矿物的挠性：当外力取消后，弯曲了的形变不能恢复原状，此性质称为挠性。如滑石、绿泥石等。挠性的实质具挠性的矿物其内部单位层之间是靠余键相连。当它受到外力弯曲时，两种层之间相对移动，形成新的余键而处于新的平衡，没有恢复力，故弯曲后不能恢复原状。矿物其它性质v电学性质：导电性矿物对电流的传导能力。依赖于化学键的类型；与自由电子存在与否以及原子或离子和化学键的空间分布有关。v介电性：指矿物在电场中被极化的性质。v压电性：某些矿物晶体在机械作用的压力或张力影响下因变形而呈现的 荷电性质。在压缩时发生正电荷的部位在伸张时就发生负电荷，在一压一张的相互

22、不断作用下，就可以产生一个电场，这种效应称为压电效应。反过来具有压电性的矿物晶体，把它放在一个交变电场中，它就会产生一伸一缩的机械运动，这种效应称为电致伸缩。如石英晶体的压电效应。v焦电性：当温度变化时，在矿物晶体某些结晶方向产生荷电的性质。如电气石等。矿物其它性质v磁学性质：指矿物能被永久性磁铁或电磁铁吸引，或本身能够吸引铁质物体的性质（与矿物成分中含有铁、钴、镍、铬、钛、钒等元素有关）。强磁性：磁铁矿；v导热性、热膨胀性、熔点v放射性：含有放射形元素（U、Th、Ra）的矿物。经过衰变后产生稳定元素过程中放射出能量。v易燃性：如自然硫、有机物等；v挥发性：辉锑矿、雄黄、雌黄等；v吸水性：高岭石、光卤石等；v塑性（石膏）、嗅觉（毒砂、自然硫）、味觉（石盐、明矾、泻利盐）、触觉（石墨、滑石、叶蜡石、硅藻土）等。矿物分类v大类：化合物类型与化学键；类：具有相同的络阴离子团或阴离子；族：晶体结构和阳离子性质；种：具具有一定的晶体结构、一定化学成分；有一定的晶体结构、一定化学成分；亚种完全类质同像系列；变种结构相同成分或物性稍异。v有自然元素、硫化物、氧化物与氢氧化物、含氧盐、卤化物；含氧盐包括：硅酸盐、硼酸盐、磷（砷、钒）酸盐、钨（钼）酸盐、铬酸盐、碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐；v例：钠长石NaAlSi3O8：含氧盐大类、硅酸盐类、长石族、钠长石。