晶體以其內(nèi)部原子、離子、分子在空間作三維周期性的規(guī)則排列為其最基本的結(jié)構(gòu)特征。任一晶體總可找到一套與三維周期性對應(yīng)的基向量及與之相應(yīng)的晶胞,因此可以將晶體結(jié)構(gòu)看作是由內(nèi)含相同的具平行六面體形狀的晶胞按前、后、左、右、上、下方向彼此相鄰“并置”而組成的一個集合。晶體學中對晶體結(jié)構(gòu)的表達可采取原子分立分布的方式,亦可用具連續(xù)分布的電子密度函數(shù)的方式。
晶體按照內(nèi)部質(zhì)點間作用力性質(zhì)不同,晶體可分為離子晶體、原子晶體、分子晶體、金屬晶體等四大典型晶體。按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為立方晶系、正方晶系、斜方晶系、單斜晶系、三斜晶系、三方晶系、六方晶系等七大晶系。
為了描述晶體的結(jié)構(gòu),我們把構(gòu)成晶體的原子當成一個點,再用假想的線段將這些代表原子的各點連接起來,就繪成了像圖中所表示的格架式空間結(jié)構(gòu)。這種用來描述原子在晶體中排列的幾何空間格架,稱為晶格。
由于晶體中原子的排列是有規(guī)律的,可以從晶格中拿出一個完全能夠表達晶格結(jié)構(gòu)的最小單元,這個最小單元就叫作晶胞。其形狀、大小與空間格子的平行六面體單位相同,保留了整個晶格的所有特征。晶胞是能完整反映晶體內(nèi)部原子或離子在三維空間分布之化學-結(jié)構(gòu)特征的平行六面體最小單元。其中既能夠保持晶體結(jié)構(gòu)的對稱性而體積又最基本特稱“單位晶胞”,但亦常簡稱晶胞。
許多取向相同的晶胞組成晶粒,由取向不同的晶粒組成的物體,叫做多晶體,而單晶體內(nèi)所有的晶胞取向完全一致,常見的單晶如單晶硅、單晶石英。大家最常見到的一般是多晶體。晶粒是結(jié)晶物質(zhì)在生長過程中,由于受到外界空間的限制,未能發(fā)育成具有規(guī)則形態(tài)的晶體,而只是結(jié)晶成顆粒狀,稱晶粒,晶粒的內(nèi)部晶胞方向與位置基本一致而外形不規(guī)則。
離子晶體是指由離子化合物結(jié)晶成的晶體,離子晶體屬于離子化合物中的一種特殊形式,不能稱為分子。由正、負離子或正、負離子集團按一定比例通過離子鍵結(jié)合形成的晶體稱作離子晶體。強堿、活潑性金屬氧化物和大多數(shù)的鹽類均為離子晶體。
離子晶體一般硬而脆,具有較高的熔沸點,熔融或溶解時可以導電。
相鄰原子之間只通過強烈的共價鍵結(jié)合而成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體叫做原子晶體。
在原子晶體這類晶體中,晶格上的質(zhì)點是原子,而原子間是通過共價鍵結(jié)合在一起,這種晶體稱為原子晶體。如金剛石晶體,單質(zhì)硅,SiO2等均為原子晶體。
由于分子間通過分子間作用力構(gòu)成的晶體叫分子晶體。分子晶體是由分子組成,可以是極性分子,也可以是非極性分子,在固態(tài)和熔融狀態(tài)時都不導電。所有非金屬氫化物、大部分非金屬單質(zhì)、所有的酸都是分子晶體。
金屬晶體都是金屬單質(zhì),構(gòu)成金屬晶體的微粒是金屬陽離子和自由電子(也就是金屬的價電子)。在金屬晶體中,金屬原子以金屬鍵相結(jié)合。從價鍵法的角度看,在金屬晶體中,金屬原子的價電子不會只與鄰近的某一金屬原子以共價鍵結(jié)合(也沒有這么多價電子與所有的鄰近金屬原子形成共價鍵),而是金屬原子以其價電子公共化。
立方晶系是指具有4個立方體對角線方向三重軸特征對稱元素的晶體。立方晶系晶體對稱性最高,其晶體理想外形必具有能內(nèi)接于(內(nèi))球面的幾何特點。立方晶系的特征對稱性決定了此類晶體具有立方體形狀的晶胞,三個具相等長度的基向量互相垂直,即其晶胞參數(shù)有a=b=c,α=β=γ=90°的特征。
屬于立方晶系的有:面心立方晶胞、體心立方晶胞、簡單立方晶胞。氯化鈉晶體是典型的屬于立方晶系的晶體,還有鉆石、明礬、金鐵鉛等。
正方晶系也叫四方晶系。四方晶系屬中級晶族,特征對稱元素為四重軸。在惟一具有高次軸的c軸主軸方向存在四重軸或四重反軸特征對稱元素的晶體歸屬于四方晶系。四重高次軸的特征對稱性決定了四方晶系晶體的二個副軸基向量和必與主軸垂直,和的大小相等,并彼此直交,即其晶胞必具有四方柱的形狀,晶胞參數(shù)有a=b≠c,α=β=γ=90° 的關(guān)系。
金紅石(TiO2)和硫酸鎳晶體、錫、金紅石、白鎢等多屬于正方晶系。
斜方晶系三條結(jié)晶軸彼此相互垂直但長度皆不同,外形為長方的柱狀或板狀結(jié)構(gòu)。托帕石(Topaz)的柱狀結(jié)晶是此晶系典型的例子。這一晶系的對稱特點是無高次對稱軸,但二次對稱軸和對稱面的總數(shù)不小于三個。晶體即以這三個相互垂直的二次軸或?qū)ΨQ面的法線作結(jié)晶軸。軸角α=β=γ=90°但軸單位a≠b≠c。故斜方晶系具有更強的非均質(zhì)性。平行c軸、b軸和a軸的折射率均不相同,即具有三個主折射率。
屬于這個晶系的常見晶形有斜方柱、斜方雙錐及它們的聚形。常見的寶石有黃玉、橄欖石、金綠寶石等。硫、碘、硝酸銀等屬于斜方晶系。
單斜晶系屬低級晶族。其對稱特點是,無高次軸,且二次對稱軸和對稱面均不多于一個。晶體即以此二次對稱軸或?qū)ΨQ面發(fā)現(xiàn)作為b軸。b軸與a軸、c軸均成正交,a軸與c軸則斜交,軸角α=γ= 90°,β≠90°,軸單位a不等于b不等于c。屬于單 斜晶系的有β-S、CaSO4·2H2O等。帶有底軸面的棱晶常見于這種晶系中。
硼砂、蔗糖、石膏中多呈現(xiàn)單斜晶系結(jié)構(gòu)。
三斜晶系(triclinic system)是七個晶系中對稱性最差的晶系,其特點是既無高次對稱軸,也無二次軸和對稱面,有的可以有對稱中心,有的連對稱中心都沒有。所以它的三個結(jié)晶軸均相互斜交,軸角a≠b≠c≠90°,軸單位口a≠b≠c。
三斜晶系礦物有膽礬、紅硅鈣錳、磷酸鋅礦等。
三方晶系屬中級晶族。特征對稱元素為三重對稱軸。可劃分出六方晶胞的菱面體晶胞。中級晶族包括有六方、四方和三方三個晶系。
六方晶系是指在唯一具有高次軸的c軸主軸方向存在六重軸或六重反軸特征對稱元素的晶體歸屬。亦稱“六角星系”,屬于中級晶族。六方晶系代表礦物有祖母綠、石英、碘化銀、鎂單質(zhì)、硫化銅等。
晶體與同種物質(zhì)的非晶體、液體、氣體比較,具有最小內(nèi)能。晶體是具有格子構(gòu)造的固體,其內(nèi)部質(zhì)點作規(guī)律排列。這種規(guī)律排列的質(zhì)點是質(zhì)點間的引力與斥力達到平衡,使晶體的各個部分處于位能最低的結(jié)果。
因為晶體是具有格子構(gòu)造的固體,同一晶體的各個部分質(zhì)點分布是相同的,所以同一晶體的各個部分的性質(zhì)是相同的,此即晶體的均一性;同一晶體格子中,在不同的方向上質(zhì)點的排列一般是不相同的,晶體的性質(zhì)也隨方向的不同而有所差異,此即晶體的異向性。
晶體的對稱表現(xiàn)在晶體中相等的晶面,晶棱和角頂有規(guī)律的重復出現(xiàn)。這是由于它具有規(guī)律的格子構(gòu)造。是其在三維空間周期性重復的體現(xiàn)。既晶體的對稱性不僅表現(xiàn)在外部形態(tài)上,而且其內(nèi)部構(gòu)造也同樣也是對稱的。