一、研究晶體結構的重要意義

　　自然界中的固體物質(zhì)絕大部分都是晶體，只有極少數是非晶體。初中化學(xué)課本在溶液部分講述結晶過(guò)程時(shí)指出：在結晶過(guò)程中形成的具有規則外形的固體叫做晶體。高中化學(xué)課本在分別講述四類(lèi)晶體的特點(diǎn)以前，先講了所有晶體在結構上的共同特征。它指出：“晶體為什么具有規則的幾何外形呢？實(shí)驗證明：在晶體里構成晶體的微粒（分子、原子、離子等）是規則地排列的，晶體的有規則的幾何外形是構成晶體的微粒的有規則排列的外部反映”。這里所說(shuō)的“實(shí)驗”主要指有Ｘ射線(xiàn)來(lái)測定分析晶體結構的實(shí)驗。高中化學(xué)課本下冊“金屬鍵”一節中就指出，金屬晶體的內部結果是用Ｘ射線(xiàn)進(jìn)行研究發(fā)現或證實(shí)的。其它晶體也是如此。

　　用Ｘ射線(xiàn)測定晶體結構的科學(xué)叫做Ｘ射線(xiàn)晶體學(xué)，它和幾何晶體學(xué)、結晶化學(xué)一道，對現代化學(xué)的發(fā)展起了很大作用。它們的重要性可概括為以下四點(diǎn)：（1）結晶化學(xué)是現代結構化學(xué)的一個(gè)十分重要的基本的組成部分。物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)是由共結構決定的，所以結構化學(xué)包括結晶化學(xué)，是研究和解決許多化學(xué)問(wèn)題的指南。

 

　　結晶化學(xué)的知識在研制催化劑中的應用就是一例。（2）由于晶體（晶振）內的粒子排列得很有規則，所以晶態(tài)是測定化學(xué)物質(zhì)的結構最切實(shí)易行的狀態(tài)，分子結構的實(shí)際知識（如鍵長(cháng)、鍵角數據）的主要來(lái)源是晶體結構。很多化合物和材料只存在于晶態(tài)中，并在晶態(tài)中被應用。（3）它們是生物化學(xué)和分子生物學(xué)的支柱。分子生物學(xué)的建立主要依靠了下列兩個(gè)系列的結構研究：一是從多肽的α螺旋到DNA的雙螺旋結構；二是從肌紅蛋白、血紅蛋白到溶菌酶和羧肽酶等的三維結構。它們都是應用測定晶體結構的Ｘ射線(xiàn)衍射方法所得的結果。（4）晶體學(xué)和結晶化學(xué)是固體科學(xué)和材料科學(xué)的基石。固體科學(xué)要在晶體科學(xué)所闡明的理想晶體結構的基礎上，著(zhù)重研究偏離理想晶態(tài)的各種“缺陷”，這些“缺陷”是各種結構敏感性能（如導電、擴散、強度及反應性能等）的關(guān)鍵部位。材料之所以日新月異并蔚成材料科學(xué)，相當大的程度上得力于晶體在原子水平上的結構理論所提供的觀(guān)點(diǎn)和知識。

二、晶體的通性和分類(lèi)

　　在介紹晶體結構研究的發(fā)展簡(jiǎn)史以前，需要先說(shuō)明一下晶體中微粒是怎樣有規則地排列的，并用晶體的這個(gè)本質(zhì)特征來(lái)解釋晶體的一些通性。應用Ｘ射線(xiàn)研究晶體內部結構的大量實(shí)驗證明，一切晶體在結構上不同于非晶體（以及液體、氣體）的最本質(zhì)的特征，是組成晶體的微粒（離子、原子、分子等）在三維空間中有規則的排列，具有結構的周期性。所謂結構的周期性，是指同一種微粒在空間排列上每隔一定距離重復出現。換句話(huà)說(shuō)，在任一方向排在一直線(xiàn)上的相鄰兩種微粒之間的距離都相等，這個(gè)距離稱(chēng)為周期。如果每一個(gè)微粒用一個(gè)點(diǎn)代表，則所有這些點(diǎn)組成一個(gè)有規則的空間點(diǎn)陣。過(guò)一點(diǎn)在不同方向取三根聯(lián)結各點(diǎn)的直線(xiàn)作為三個(gè)坐標軸，用三組平行于坐標軸的直線(xiàn)將所有的點(diǎn)聯(lián)結起來(lái)，則將空間點(diǎn)陣劃成所謂空間格子，空間格子的最小單位是一個(gè)平行六面體。晶體的空間格子將晶體截分為一個(gè)個(gè)內容（組成粒子、粒子的排布、粒子間的作用力的性質(zhì)等）完全等同的基本單位——晶胞。晶胞的形狀、大小與空間格子的平行六面體單位相同。晶體可以看作無(wú)數個(gè)晶胞有規則地堆積而成。在非晶體中，微粒的排列沒(méi)有規則，不存在空間點(diǎn)陣結構。

 

　　與非晶體不同，晶體具有以下幾個(gè)通性：（1）晶體有整齊、規則的幾何外形。例如，只有結晶條件良好，可以看出食鹽、石英、明礬等分別具有立方體、六角柱體和八面體的幾何外形。這是晶體內微粒的排布具有空間點(diǎn)陣結構在晶體外形上的表現。對晶體有規則的幾何外形進(jìn)行深入研究以后，人們發(fā)現不同晶體有不同程度的對稱(chēng)性。晶體中可能具有的對稱(chēng)元素有對稱(chēng)中心、鏡面、旋轉軸、反軸等許多種。玻璃、松香、橡膠等非晶體都沒(méi)有一定的幾何外形。（2）晶體具有各向異性。一種性質(zhì)在晶體的不同方向上它的大小有差異，這叫做各向異性。晶體的力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱和電的傳導性質(zhì)都表現出各向異性。例如，石墨晶體在平行于石墨層方向上比垂直于石墨層方向上導電率大一萬(wàn)倍；云母片沿某一平面的方向容易撕成薄片等。這是由于在晶體內不同方向上微粒排列的周期長(cháng)短不同，而微粒間距離的長(cháng)短又直接影響它們相互作用力的大小和性質(zhì)。非晶體由于微粒的排列是混亂的，表現為各向同性。（3）在一定壓力下，晶體有固定的熔點(diǎn)，非晶體沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，只有一段軟化溫度范圍。這是由于晶體的每一個(gè)晶胞都是等同的，都在同一溫度下被微粒的熱運動(dòng)所瓦解。在非晶體中，微粒間的作用力有的大有的小，極不均一，所以沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。
 
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