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珠宝知识131:珠宝考研考证篇(五)晶体的性质

归档日期:06-04       文本归类:多面体模型      文章编辑:爱尚语录

  今天这一节中,我们讲一讲晶体的性质。在讲到晶体性质之前,要提醒一下,晶体既然是具有格子构造的固体,那么他所有的性质全部与晶体的格子构造密切相关。

  在上一节中,我们看到了很多图片,人们最初认为是具有非常规则形态的水晶为晶体,但是实际上,除了水晶以外,很多矿物都能够自发的形成规则的形态,例如黄铁矿、绿柱石、萤石、尖晶石等等,所以能够形成规则的形态并不是水晶的专利,而是晶体共同的性质,我们将这一能够形成规则形态的性质称之为自限性。其完整的定义如下:

  在这个概念中,我们需要强调一点:那就是晶体一定是在适当的条件下,才会形成规则的几何多面体,所以,当条件不适合的时候,晶体就无法形成规则的几个多面体的形态,因此有了三个名词,自形、半自形和它形(具体概念后面讲解),举两个简单的例子

  (1)下图是玄武橄榄岩的显微照片,在这张照片中,我们发现视域中心的橄榄石形态是非常规整的——面平棱直,那么说明当时的环境较为适合橄榄石,能够形成规则的几何多面体的形态。但是我们可以看到其他矿物的形态则是不规则的,当时的环境是不适合他们的生长,因此不能像橄榄石一样,形成非常规则的几何多面体的形态。

  (2)下图是一个玛瑙的横切面,很多朋友都会见到,仔细的观察你会发现一个非常明显的规律,在玛瑙原石的外侧,形成的颗粒是较粗的,逐渐向内则形成了水晶的晶洞,石英的颗粒是逐渐变粗的。在最外层由于温度降低相对较快,来不及结晶成颗粒较大,晶形完整的石英晶体,但是由于在玛瑙的内部,空间相对较大,温度降低相对较慢,足以为石英提供一个适合生长的环境,因此可以形成形态较为规则的石英晶体。

  下图是一个晶体的示意图,每一个平面,我们称之为晶面,面与面相交为一条线,称之为晶棱,棱与棱相交为一个点,称之为角顶。晶面、晶棱、角顶分别与晶体格子构造中的面网、行列和结点相对应。

  下图是一个晶体的结构示意图。由于晶体是具有格子构造的固体,而格子构造又是质点在三维空间内周期性的重复排列,所以对于晶体的各个部分来讲,质点的排列规律是相同的,所以对于晶体不同部位的性质(物理性质和化学性质)也都是相同的。下图中红框和绿框中,质点的排列规律是没有任何差异的,这就是晶体具有均一性最主要的原因。

  从字面理解,那就是不同方向上的性质是不同的,看下图,同样是晶体内部结构的示意图,在不同方向上的质点进行连线,看下图,以AA’和DD’这两条线为例,在AA’这条线上两个质点之间的距离明显要小于DD’这条线上两个质点之间的距离,也就是说,质点在不同方向上的排列规则是不一样的,所以导致晶体在不同方向上的性质是不同的,这种性质我们称之为异向性。

  (1)针状或柱状的矿物,在不同方向上晶体形成的比例是不同的,如果以晶体为中心,如果各个方向的长度都相同,那么晶体就只能是个球了,但是正是由于晶体具有异向性,才会导致晶体的规则形态中,没有“球形”的存在。

  在后面我们讲到宝石光学性质的时候就会讲到这一点,晶体会发生双折射的现象,不同振动方向上的光折射率不同,对光的选择性吸收也不同,形成多色性。下图是红宝石在二色镜下观察到的多色性。

  结晶学中举到的例子是蓝晶石,AA方向上的硬度明显大于BB方向上的硬度,具有差异硬度的宝石也有很多,比如说钻石,下图中的实线方向的硬度小于虚线方向的硬度,这也正是只有钻石才能切磨钻石的道理。

  实际上,只要与方向有关的性质,晶体上都会有异向性的表现,比如说光学性质(折射率、颜色、吸收光谱等)、力学性质(硬度、解理、裂理等)、电学性质(导电性)、热学性质(导热性)等都会存在异向性,在这里就不一一举例了。

  结晶学中的对称与日常生活中我们所能够理解到的对称是有一定差异的,实际上,对称就是相同的部分有规律的重复即为对称,而晶体的对称又是研究晶体的基础,它是晶体分类的依据。

  先从外形上看,下图中,左图是绿柱石原石的形态,有图是绿柱石理想的形态,无论怎样,上下左右都是对称的,这与我们通常认知的对称是相同的。

  但是根据对称的定义,相同的部分有规律的重复就是对称,而晶体又是格子构造的固体,是质点在三维空间周期重复排列形成的固体,所以,格子构造本身就是符合对称的定义的,因此,所有的晶体都是对称的。下图为格子构造示意图。

  需要强调的是,晶体的对称,不仅仅是体现在外形上,还会体现在晶体的物理化学性质上。

  我们之前也讲到,非晶体会自发的向晶体转化,而且这种转化是一种放热反应,所以非晶体的内能一定是高于晶体的,在看看下图中这雾凇,相同的温度压力条件下,水汽会自发的凝结,所以,对于晶体来讲,相对于同种物质的非晶体、液体和气体来讲,它的内能是最小的。

  实际上晶体的稳定性与最小内能性是相辅相成的,内能小,其性质也自然是稳定的,它是最小内能性必然的结果。

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