晶体的规则连生课件

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1、第八章第八章晶体的规则连生晶体的规则连生晶体在生长过程中或生长以后晶体在生长过程中或生长以后,会发生多会发生多个晶体之间的连生现象。个晶体之间的连生现象。本章涉及的是有规本章涉及的是有规则的连生现象则的连生现象,即有一定的几何规则即有一定的几何规则,包括同包括同种晶体连生与不同种晶体的连生。种晶体连生与不同种晶体的连生。（不规则的连生叫多晶集合体）。（不规则的连生叫多晶集合体）。一、平行连生（晶）一、平行连生（晶）同同种种晶晶体体不不同同单单体体之之间间所所有有的的结结晶晶方方向向(包包括括各各个个对对应应的的结结晶晶轴轴、对对称称要要素素、晶晶面面及及晶晶棱棱的的方方向向)都都一一一一对对应

2、应、相相互平行而组成的连生体。互平行而组成的连生体。各单体间的格子构造各单体间的格子构造是连续的，它们实际是连续的，它们实际上是外形上象多晶体上是外形上象多晶体的单晶体。的单晶体。卤钠卤钠石石(sulphohalitesulphohalite)的平行的平行连连生体生体 二、双晶（二、双晶（twins孪晶）的概念和双晶要素孪晶）的概念和双晶要素1双晶的概念双晶的概念两两个个或或两两个个以以上上的的同同种种晶晶体体按按一一定定的的对对称称关关系系相相互互取取向向连连生生。各单体间的格子构造是不连续的。各单体间的格子构造是不连续的。文石 Aragonite的双晶 l 两两侧侧格子不格子不连连续续l双

3、晶面双晶面/接合面接合面氯铜银铅矿氯铜银铅矿(Boleite)双晶双晶 2双晶要素双晶要素 双晶中相邻单体之间存在的对称要素。注意双晶要素双晶中相邻单体之间存在的对称要素。注意双晶要素与对称要素之间的区别与对称要素之间的区别,双晶要素是存在于两个单体之双晶要素是存在于两个单体之间的间的,而对称要素是存在于一个单体内部的。而对称要素是存在于一个单体内部的。(1)双晶面双晶面(2)双晶轴双晶轴一般来说双晶轴都是二次轴一般来说双晶轴都是二次轴.(3)双晶中心双晶中心在实际的双晶分析中很少用到在实际的双晶分析中很少用到.例例1例例2双晶要素决不可能平行单体中的相类似的对称要素！双晶要素决不可能平行单体

4、中的相类似的对称要素！（即双晶面不能平行对称面，双晶轴不能平行偶次轴）（即双晶面不能平行对称面，双晶轴不能平行偶次轴）为什么？为什么？举例说明：举例说明：3双晶接合面双晶接合面两单体之间的界面，可以是平面，也可以是不规则曲面。并形成两单体之间的界面，可以是平面，也可以是不规则曲面。并形成缝缝合线合线。例例1例例2例例3尖晶石双晶尖晶石双晶:萤石双晶萤石双晶:石英道芬双晶石英道芬双晶:接合面平直接合面平直接合面不规则接合面不规则接合面不规则曲线状接合面不规则曲线状4双晶律的概念双晶律的概念 单体之间形成双晶的具体规律。单体之间形成双晶的具体规律。用双晶要素及其方向来表征，并用双晶要素及其方向来表

5、征，并可命名。可命名。举例：举例：卡斯巴律：卡斯巴律：钠长石律：钠长石律：双晶轴双晶轴001（只针对长石）（只针对长石）.双晶轴双晶轴（010）（只针对长石）；（只针对长石）；5 双晶类型1)1)简单双晶简单双晶简单双晶简单双晶 (simple twin)(simple twin)：由两个单体构成的双晶。接触双晶接触双晶接触双晶接触双晶 (contact twin):(contact twin):两个单体间依一个明显而规则的接合面相接触。贯穿双晶贯穿双晶贯穿双晶贯穿双晶 (interpenetrate twin)(interpenetrate twin)：两个单体相互穿插，接合面常曲折而复杂。

6、2)2)反复双晶反复双晶反复双晶反复双晶 (multiple twin)(multiple twin)聚片双晶聚片双晶聚片双晶聚片双晶 (polysynthetic twin)(polysynthetic twin)：多个片状个体以同一双晶律连生，结合面彼此平行。聚片双晶可在某些晶面或解理上形成聚片双晶纹。轮式双晶轮式双晶轮式双晶轮式双晶 (cyclic twin)(cyclic twin)：由两个以上的单体按同一双晶律所组成，表现为若干组接触双晶或贯穿双晶的组合，各接合面依次成等角度相交，双晶总体呈轮辐状或环状，环可以开口，也可以封闭。3)3)复合双晶复合双晶复合双晶复合双晶 (compou

7、nd twin)(compound twin)：两个以上的单体彼此间按 不同的双晶律所组成的双晶。接触双晶贯穿双晶钙钙十十字字沸沸石石的的复复合合双双晶晶 简单双晶简单双晶cyclic twinning in cyclic twinning in inverted low quartzinverted low quartz轮式双晶聚片双晶反复双晶反复双晶金绿宝石1)生长双晶 growth twin 斜长石(Plagioclase)聚片双晶 6 双晶成因2)转变双晶 Transformation twin 碱性长石(K-feldsparK-feldspar)-石英因温度下降转变为石英因温度下降转

8、变为-石英时形成双晶石英时形成双晶3)机械双晶 斜长石(Plagioclase)在外界应力作用下晶体结构发生滑移在外界应力作用下晶体结构发生滑移形成双晶形成双晶.如方解石的聚片双晶如方解石的聚片双晶.Results from shear stress.3)机械双晶 方解石（Calcite）7矿物中双晶分布的概况矿物中双晶分布的概况双晶的分布很不均衡，有的矿物基本上都以双晶的双晶的分布很不均衡，有的矿物基本上都以双晶的形式出现，如斜长石；而有的矿物基本上不见双形式出现，如斜长石；而有的矿物基本上不见双晶，如磷灰石。晶，如磷灰石。另外，偶次对称越多的越不易出现双晶，如六方晶另外，偶次对称越多的越不

9、易出现双晶，如六方晶系、四方晶系，出现双晶的概率较小。双晶轴往系、四方晶系，出现双晶的概率较小。双晶轴往往平行往平行3次轴产生。次轴产生。8双晶的识别双晶的识别(1)凹入角：凹入角：有些双晶有凹入角，但并不是都有；有凹入角的一定不是有些双晶有凹入角，但并不是都有；有凹入角的一定不是单晶体。单晶体。(2)假对称：假对称：有些贯穿双晶形似一个有些贯穿双晶形似一个单晶体，但所表现出来的单晶体，但所表现出来的对称要比该晶体的单晶体对称要比该晶体的单晶体对称程度高，例如石英：对称程度高，例如石英：本应为三方对称，如果两本应为三方对称，如果两个单体贯穿在一起形成双个单体贯穿在一起形成双晶，就有可能表现为六

10、方对称。晶，就有可能表现为六方对称。(3)双晶缝合线：双晶缝合线：两个单体之间的接合缝。两个单体之间的接合缝。缝合线两边反光不同或缝合线两边反光不同或晶面花纹不连贯。晶面花纹不连贯。(4)聚片双晶纹：聚片双晶纹：一系列密集的缝合线。一系列密集的缝合线。(5)蚀像蚀像:a.缝合线两边因结晶方位不同导致缝合线两边因结晶方位不同导致的蚀像花纹不同的蚀像花纹不同;b.缝合线本身是一个晶格缺陷，容缝合线本身是一个晶格缺陷，容易被腐蚀而突出的表现出来。易被腐蚀而突出的表现出来。石英柱面上的双晶缝合线及两边的蚀像坑石英柱面上的双晶缝合线及两边的蚀像坑石英横截面的蚀像花纹（可区分道芬双晶或巴西双晶）石英横截面

11、的蚀像花纹（可区分道芬双晶或巴西双晶）三、浮生与交生三、浮生与交生不同晶体之间的规则连生不同晶体之间的规则连生。1、浮生浮生：一种晶体以一定一种晶体以一定的结晶学方位附生于另一的结晶学方位附生于另一晶体的表面。晶体的表面。例如：十字石以（例如：十字石以（010）面）面附生于蓝晶石的（附生于蓝晶石的（100）面。）面。2、交生：、交生：一种晶体嵌于另一种晶体中，但有方向性。一种晶体嵌于另一种晶体中，但有方向性。钠长石定向交生于钾长石中钠长石定向交生于钾长石中构成浮生、交生的内因是：构成浮生、交生的内因是：不同晶体之间有相似面网。不同晶体之间有相似面网。本章重点总结：1.双晶的概念、双晶要素及其与

12、对称双晶的概念、双晶要素及其与对称要素的区别、双晶的识别、双晶的要素的区别、双晶的识别、双晶的成因类型；成因类型；2.浮生与交生的原因。浮生与交生的原因。第九章第九章 晶体化学晶体化学Crystal chemistryCrystal chemistry本章的内容要将晶体内部质点作为原子、离子本章的内容要将晶体内部质点作为原子、离子来考虑其成分、键性等对晶体性质的影响。来考虑其成分、键性等对晶体性质的影响。一、一、原子半径和离子半径原子半径和离子半径在晶体中，质点保持一定的间距，各自有在晶体中，质点保持一定的间距，各自有一个球形的范围，它的半径被称为原子或离子一个球形的范围，它的半径被称为原子或

13、离子的有效半径。的有效半径。原子半径和离子半径变化的规律：原子半径和离子半径变化的规律：1、对于同种元素的原子半径来说，共价半径总是小于金属原子半径；2、对于同种元素的离子半径来说，阳离子半径总是小于原子半径，而且正电价越高，半径就越小；相反，阴离子半径总是大于原子半径，而且负电价越高，半径就越大；3、同种元素当氧化态相同时，离子半径随配位数的降低而减小；4、同族元素的原子半径和离子半径，都随着周期数的增加而增大；5、同周期元素，随着族次的增加，它们的原子半径以及核外电子数相同的阳离子之离子半径均随之而减小；6、镧系收缩核锕系收缩；7、镧系以后元素的原子半径核离子半径，均与同一族中上一元素的相

14、应半径近于相等（Nb-Ta,Zr-Hf）；8、过渡族元素离子半径的变化较为复杂，可用晶体场理论解释。二、离子类型二、离子类型（1）惰性气体型离子：惰性气体型离子：最外层8个电子（ns2np6）或两个电 子（1s2）。（2）铜型离子：铜型离子：最外层18个电子（ns2np6 nd10）。（3）过渡型离子：过渡型离子：最外层818个电子。三、三、球体紧密堆积原理球体紧密堆积原理在晶体结构中，质点间趋向于尽可能地相互靠近，形成最紧密堆积，以达到内能最小，而使晶体处于最稳定状态。二维平面内等大球体的最紧密堆积注意两种不同注意两种不同方向的空隙方向的空隙两层等大球体的最紧密堆积两层等大球体的最紧密堆积注

15、意：一种空隙被第二层球体全部盖上，而另一种空隙没有被盖上，用“”表示。三层等大球体的最紧密堆积三层等大球体的最紧密堆积注意：“”空隙穿过了3层。六方最紧密堆积：六方最紧密堆积：ABAB.A-layerA-layerB-layerB-layerC-layerC-layerA-layerA-layer立方最紧密堆积：ABCABC.在两种最基本的最紧密堆积在两种最基本的最紧密堆积 方式中，方式中，每个球体所接触到每个球体所接触到的同径球体个数为的同径球体个数为12（即配位数等于（即配位数等于12）。）。CN12 等大球体的最紧密堆积方式，最基本的就是等大球体的最紧密堆积方式，最基本的就是六方六方最紧

16、密最紧密堆积和堆积和立方立方最紧密堆积两种最紧密堆积两种。当然，。当然，还可出现更多层重复的还可出现更多层重复的周期性堆积周期性堆积，如，如ABAC、ABAC、ABAC四层重复；四层重复；ABCACB、ABCACB、ABCACB六层重复等。六层重复等。等大球体最紧密堆积中，球体之间依然有空隙。空隙占整个空间的25.95%。四面体空隙 八面体空隙N个等大球体作最紧密堆积时，产生N个八面体空隙和2N个四面体空隙。不等大的球体进行堆积时，其中较大的球做最紧密堆积，而较小的球则依自身体积的大小填入其中的八面体空隙或四面体空隙中，形成不等大球体的紧密堆积。石盐HaliteHaliteClClClClCl

17、ClClClNaNa四四、配配位位数数和和配配位位多多面面体体（Coordinationnumberandco-ordinationpolyhedron)在晶体结构中，原子或离子是按照一定方式与周围的原子或离子相接触的，每个原子或离子周围最邻近的原子或异号离子的数目称为该原子或离子原子或离子的配位数的配位数。以一个原子或离子为中心，将其周围与之成配位关系的原子或离子的中心联接起来，所获得的多面体称为配位多面体配位多面体。重要的是阳离子的配。重要的是阳离子的配位数。位数。四面体，配位数：四面体，配位数：4八面体，配位数：八面体，配位数：6配位多面体的形状和配位数的多少取决于阳离子半径(RK)和阴

18、离子半径(RA)的比值：RK/RA1.732=dC+dAIf dA=1 then dC=0.732dC/dA=RC/RA =0.732/1 =0.732阳离子配位数和阳离子与阴离子半径比值（RK/RA）的关系五、化学键与晶格类型五、化学键与晶格类型化学键化学键就是质点间的作用力。具有不同化学键的晶体，在晶体结构、物理性质和化学性质上都有很大的差异。1.离子晶格离子键离子晶格离子键 在离子晶格中，各种元素的原子相互结合时，电子重新配置，电子从一个原子转移到另一个原子，从而形成相对稳定的阳离子和阴离子，它们之间靠静电引力相互联系起来，从而形成离子键离子键。离子键使晶格具有最紧密堆积最紧密堆积，有较

19、高的较高的配位数配位数；为了保持电性中和，异号离子保持一定的数量比例；质点间的电子密度很小，对光的吸收较小，光子易通过，表现为透明或半透明、低折射率和反射率、非金属光泽、不导电等；晶体的机械性能、硬度、熔点较高。离子晶格遵守下列规则：离子晶格遵守下列规则：1）在阳离子周围，形成一个阳离子配位多面体，阴阳离子间距取决于它们的半径之和，而配位数取决于它们的半径之比。2）阳离子的电价为周围的阴离子的电价所平衡。3）当配位多面体共棱，特别是共面时，会降低晶体结构的稳定性。对高电价配位数的阳离子，这个效应更明显。4）在晶体结构中，有几种阳离子存在时，电价高、半径小、配位数低的阳离子趋向于远离。在晶体结构

20、中，晶体化学上不同的部分趋向于最小限度。2.原子晶格共价键原子晶格共价键 在此晶格中，原子以共用电子对的方式达到电子壳的稳定。二原子的电子云发生重叠，因而使介于原子间的电子密度增高，形成所谓的负电桥，把带正电荷的原子核联系起来，从而构成了牢固的共共价价键。键。共价键中共用电子对通常是由两个原子供给的，但也可以由一个原子单独提供，形成所谓的配位键配位键。晶体结构的紧密程度比离子晶格低，配位数也小；不导电；透明或半透明；非金属光泽；一般具有较高的熔点和较大的硬度。3.金属晶格金属键金属晶格金属键 金属原子一般倾向于丢失电子，在金属晶格中，这些电子作为自由电子而弥散于整个晶体中，失去了电子的金属阳离

21、子为自由电子所联系，从而形成金金属属键键。在晶体中有原子、阳离子和自由电子共存。金属键不具有方向性和饱和性，晶格做最紧密堆积，具有较高的配位数。由于自由电子的存在，晶体为良导体，不透明，高反射率，金属光泽，有延展性，硬度一般较小。4.分子晶格分子键分子晶格分子键 在分子晶格中，存在着中性分子，在分子内部通常为共价键结合，分子之间为相当弱的分子间力所联系。这是由于分子电荷分布不均匀而形成偶极，从而在分子间形成了电性引力。分子间力有三种类型：1）极性分子定向排列；2）非极性分子在结构中，极化形成极性分子；3）分子热运动产生的临时偶极。分子晶体的物性，既取决于分子键，如低熔点、低硬度；也取决于分子内

22、部的键性，如不导电、透明、非金属光泽等。氢键、氢氧键氢键、氢氧键 氢原子体积小，静电场强度大，它在晶格中具有一种独特的作用。它可以与两个电负性很大的原子相结合，从而产生一种附加的键力，我们称为氢键氢键。在矿物晶格中有OH存在时，有时氢键可以起作用，因而又有“氢氧键氢氧键”之称。注意：注意：在一些矿物中，只存在某种单一的键力，如自然金的金属键，金刚石的共价键等。这样的晶体被称为单键型晶体。对有过渡型键的晶体，两种键性融合在一起不能明显分开的，从键本身来说仍然只是单一的一种过渡型键，也属于单键型晶体。其晶格的归属，依占主导地位的键为准。如金红石中，TiO间的键性是以离子键为主，向共价键过渡的过渡型

23、键，便归属于离子晶格。还有一些晶体，如方解石的结构中，在CO之间存在着以共价键为主的键性，而CaO之间则为离子键，这两种键性在结构中是明显分开的，这类晶体属于多键型晶体。它们的晶格类型归属，以晶体的主要性质取决于哪种键性为划分依据。六、六、类质同象（类质同象（Isomorphism)1.概念概念 晶体结构中某种质点被它种类似的质点所代替，仅使晶格常数发生不大的变化，而结构型式不变，这种现象称为类质同象类质同象。类质同象混晶是一种固溶体。所谓固溶体实指在固态条件下，一种组分溶于另一种组分之中，而形成均匀的固体。它可以通过质点的代替而形成“代替固代替固溶体体”；也可以通过某种质点侵入它种质点的晶格

24、空隙而形成“侵入固侵入固溶体体”。在类质同象混晶中，若两种质点可以任意比例相互取代，则称为完完全全的的类类质质同同象象，它们可以形成一个连续的类质同象系列。斜长石系列 钠长石钙长石 若两种质点的相互代替局限在一个有限的范围内，称为不完全的类质同象不完全的类质同象，它们不能形成连续的类质同象系列。钾长石系列 钠长石钾长石 下面两种情况不能称为类质同像：1、例如，在白云石CaMgCO3，其CaMg的原子数之比必须是1:1，不能写为（Ca，Mg）CO32、例如，金红石TiO2与锡石SnO2结构相同，但Ti与Sn之间并没有代替关系。2类质同象的类型：完全类质同象系列-不完全类质同象系列 等价类质同象-

25、异价类质同象例如：霓辉石（Na,Ca）(Fe3+,Fe2+)Si2O6 存在两种取代:Na+-Ca2+Fe3+-Fe2+取代后总电价平衡。3.条件条件(1)内因内因 1)原子或离子半径差原子或离子半径差 形成类质同象的容积条件。当两种质点的半径差不超过较小质点的半径之15%时，就可以在晶体结构中互相代替。1015%一般形成完全类质同象；2025%在高温时形成完全类质同象，当温度下降时，固熔体就发生离溶；2540%在高温下也只能形成不完全类质同 象，在低温时不能形成类质同象。2)离子类型与键性离子类型与键性 惰性气体型离子多形成离子键结合，而铜型离子的化合物则以共价键为主。离子类型不同的不易互相

26、替代。3)离子电价离子电价 对离子化合物来说，代替与被代替的离子电价总和必须保持不变。4)晶格能量晶格能量 若干代替后使晶格能量下降，则晶体容易稳定，这样的替代容易发生；相反替代后能量增加，则代替不易发生。5)结构单位堆积紧密程度结构单位堆积紧密程度 在晶体结构中的离子若堆积紧密程度越差，则对类质同象的容量越大，类质同象代替种类越多。(2)外因外因1)温度温度 温度增高利于类质同象的代替。2)压力压力 压力的增大，既限制类质同象代替的范围，又能促使固溶体离溶。3)组分浓度组分浓度 如果溶液中缺乏某种组分，当结晶需要这种组分时，其它与之相类似的元素就可以类质同象混入物的方式加以补充。4、分解 原

27、来均匀混在一起的两个或多个组分，当温度下降或压力提高等条件下，会发生分离，形成不同组分的多个物相。通常会形成条带状相间定向排列。如条纹长石，是由碱性长石（钾、钠长石混晶）出溶成钾长石与钠长石条带定向排列形成的。5、研究类质同像的意义：1）矿物晶体成分变化的主要原因；2）了解稀有元素的赋存状态；3）反映矿物的形成条件。七、同质多象七、同质多象(polymorphism)同种化学成分的物质，在不同的物理化学条件下，形成不同结构的晶体的现象，称为同质多象同质多象。同质多象个变体之间的转变温度是较为固定的，所以某种矿物变体的存在或转化过程，可以帮助我们推测该矿物所存在的地质体的形成温度，因此，称之为“

28、地质温度计地质温度计”。SiO2同质多像变体相图同种物质的同质多象变体，依它们的形成温度从低到高，在其名称前冠以、。超石英柯石英方石英鳞石英 同质多象的转变分为可逆的和不可逆的两种类型。石英 石英 方解石 文石 同质多象变体间结构的差异，有如下几种类型：1）配位数不同，构造类型也不同。2）配位数不同，构造类型相同。3）配位数相同，构造类型不同。4）配位数、构造类型都相同，仅晶体 结构上有某些差异。八、多型八、多型(polytype)多型多型是一种元素或化合物以两种或两种以上层状结构存在的现象。这些晶体结构的结构单元层基本相同，只是它们的叠置顺序不同，从而构成不同的多型变体。如：辉钼矿的两种多型

29、中，其结构单元层堆垛的重复方式为有 2H型和3R型。多型符号：多形变体之间在结构、物性等方面相差很小，因此，不同变体属于同一“种”晶体，因此，命名相同，只是加一多形符号前缀。多型符号由两位构成，第一个位上的阿拉伯数字代表多型的重复层数；第二个位上的字母指示所属的晶系。如：2H-MoS2，3R-MoS2，九九、有序与无序结构、有序与无序结构 晶体结构中，在可以被两种或两种以上的不同质点所占据的某种（或某几种）配位位置上，若这些不同的质点有选择地分别占据其中的不同位置，相互间呈有规则地分布时，这种结构称为有有序序结结构构；反之，若这些不同的质点在其中全部随机分布，相互间没有一定的规则时，则称为无无

30、序结构序结构。在有序和无序之间还有过渡情况。用有序度来衡量。有序度S从0（完全无序）到1（完全有序）。1.Random 2.Perfect OrderAlternating A and BAlternating A and BNote larger unit cell!Note larger unit cell!Each atom is statistically identical Each atom is statistically identical(chance of being A is the same for(chance of being A is the same for each position)each position)High-T disordered High-T disordered Low-T orderedLow-T ordered例如AuCu3晶体结构，当为无序态时表现为立方面心格子；当呈有序态时，Au原子只占据立方格子角顶上的特定位置，立方格子的面心位置则只为Cu原子所占有。本章重点总结:1等大球最紧密堆积等大球最紧密堆积:堆积形式堆积形式,对称性对称性,空隙类型与数目。空隙类型与数目。2类质同像类质同像,同质多像同质多像,多型多型,型变型变,有序有序-无序。无序。致谢 本结晶学课件参考中国地质大学及闫峻、陈天虎老师的有关课件,谨致谢意!