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选矿学第一篇矿石学基础贵州大学矿业学院矿物加工教研室选矿学第一篇矿石学基础主讲人：张杰教授1晶体1.1晶体及其基本性质古代，无论中外都把具有规则多面体形态的水晶称为晶体。后来扩展为用晶体称呼那些天然就具有规则多面体形态的固体,如食盐、水晶，方解石、黄铁矿、绿柱石等。晶体：是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。或者说晶体是具有格子构造的固体。§1-1晶体结晶学与晶体化学基础1.2非晶体与晶体相对应的是非晶体。其特点是内部结构不具有格子构造。广义上包括气体、液体和一部分固体物质，如玻璃、琥珀、松香、树脂、沥青、大部分塑料等。内部质点不作规则排列，不具格子构造的物质，称为非晶质或非晶质体。1.3空间格子的几何要素1.3.1结点结点是空间格子中的点，它们代表晶体结构中的相当点。实际晶体中在结点的位置上可为同种质点所占据。1.3.2行列结点在直线上的排列即构成行列(图I-1-6)。空间格子中任意两个结点联结起来就是一条行列的方向。行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距(如图I-1-6中的a)。1.3.3面网结点在平面上的分布即构成面网。空间格子中不在同一行列上的任意三个结点就可以决定一个面网的方向，或者说任意两个相交的行列就可决定一个面网。面网上单位面积内结点的密度称为面网密度。1.3.4平行六面体从三维空间来看，空间格子可以划出一个最小重复单位，那就是平行六面体。1.4建立坐标系——格子常数对于一个单位平行六面体，以交于一点、不在一个平面上的三个棱作为三个坐标轴，棱长a、b、c为坐标刻度，彼此的夹角为α、β、γ。即可表示出它的形状。a、b、c及α、β、γ合称为格子常数，对于实际晶体则称之为晶胞参数。1.5晶体的基本性质1.5.1自限性自限性是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。由图1-5-1中可以看出晶体为平的晶面所包围，晶面相交成直的晶棱，晶棱会聚成尖的角顶。图1-5-1晶面、晶棱、角顶与图1-5-2蓝晶石晶体的硬度面网、行列、结点的关系示意图AA-BB方向硬度不同1.5.2均一性因为晶体是具有格子构造的固体，在同一晶体的各个不同部分，质点的分布是一样的，所以晶体的各个部分的物理性质与化学性质也是相同的，这就是晶体的均一性。1.5.3异向性晶体结构中不同方向上的质点种类和排列方式不同，导致晶体的各种物理和化学性质随方向不同而异，这就是晶体的异向性。例如：蓝晶石的硬度，石墨的导电性等随方向的差异很大。1.5.4对称性晶体具异向性，但这并不排斥在某些特定的方向上具有“相同的性质”。在晶体的外形上，也常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出现。1.5.5最小内能在相同的热力学条件下，晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小。1.5.6稳定性晶体具有最小内能，因而结晶态是一个相对稳定的状态。这种稳定性可由质点的运动状态来说明：§1-2晶体生长的基本规律与布拉维法则1.1结晶作用方式晶体是在物相转变的情况下形成的。1.2由液相转变为固相1.3.1从熔体中结晶当温度低于熔点时，晶体开始析出，即只有当熔体过冷却时晶体才能发生。如水低于0℃时结晶成冰；金属熔体冷却到熔点以下结晶成金属晶体。1.3.2从溶液中结晶溶液达到过饱和时析出晶体。1)温度降低，如岩浆期后热液随着远离岩浆源，渐次析出矿物晶体；2)水分蒸发，如天然盐湖盐类结晶；3)化学反应，生成难溶物质。1.4由气相转变为固相条件：有足够低的蒸气压。火山口附近常直接生成硫、碘或氯化钠的晶体；雪花由水蒸气冷却直接结晶而成。1.5由固相再结晶为固相1.5.1同质多象转变指某种晶体在热力学条件改变时，转变为另一种在新条件下稳定的晶体，而转变前后的成分相同，但晶体结构不同。如SiO2，温度达573℃以上由低温石英转变为晶体结构不同的高温石英。1.5.2原矿物晶粒逐渐变大1.5.3固溶体分解在一定温度下固溶体可以分离成为几种独立矿物。例如一定比例的闪锌矿(ZnS)和黄铜矿(CuFeS2)在高温时组成均一相固溶体，而在低温时就分离成为两种独立矿物。1.5.4变晶矿物在定向压力下溶解，在垂直于压力方向上再结晶，形成一向或二向延伸的变质矿物，称为“变晶”。如角闪石、云母等。在变质岩中发育成斑状晶体称为“变斑晶”。1.5.5由固态非晶质结晶火山熔岩迅速冷凝固结为非晶质的火山玻璃，经过千百年演变可逐渐转变为结晶质。1.6.1晶体的形成晶体(crystal)生成的一般过程：先生成晶核，再逐渐长大。从液相或气相中生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；③生长阶段。1.6.2晶核的形成若介质体系的质点同时进入不稳定状态形成新相，称为均匀成核作用。即各处的成核几率相等，这要克服相当大的表面能位垒，即需要相当大的过冷却度才能成核。在单位时间内，单位体积中所形成的核的数目称成核速度。它决定于物质的过饱和度或过冷却度。过饱和度和过冷却度越高，成核速度越大。另外，介质粘度大会阻碍物质的扩散，降低成核速度。1.6.3布拉维法则早在1855年，法国结晶学家布拉维(A．Bravis)从晶体具有空间格子构造的几何概念出发，论述了实际晶面与空间格子构造中面网之间的关系:即实际晶体的晶面常常平行网面结点密度最大的面网，这就是布拉维法则。所谓晶面生长速度是指单位时间内晶面在其垂直方向上增长的厚度。1.6.4面角恒等定律面角恒等定律是指同种物质（成分构造相同）的所有晶体，其对应晶面间的夹角恒等。晶面夹角是指晶面法线间的夹角。1.6.5影响晶体生长的外部因素在不同生长条件下形成的同种晶体，形态上可能有所差别。【1】温度在不同的温度下，同种物质的晶体，其不同晶面的相对生长速度有所改变，影响晶体形态，如方解石(CaCO3)在较高温度下生成的晶体呈扁平状，而在地表水溶液中形成的晶体则往往是细长的。石英和锡石矿物晶体亦有类似的情况。【2】杂质溶液中杂质的存在可以改变晶体上不同面网的表面能，所以其相对生长速度也随之变化而影响晶体形态。例如，在纯净水中结晶的石盐是立方体，而在溶液中有少量硼酸存在时则出现立方体与八面体的聚形。【3】粘度溶液的粘度也影响晶体的生长。粘度的加大，将妨碍涡流的产生，溶质的供给只有以扩散的方式来进行，晶体在物质供给十分困难的条件下生成。由于晶体的棱角部分比较容易接受溶质，生长得较快，晶面的中心生长得慢，甚至完全不长，从而形成骸晶。【4】结晶速度结晶速度大，则结晶中心增多，晶体长的细小，且往往长成针状、树枝状。反之，结晶速度小，则晶体长得粗大。如岩浆在地下缓慢结晶，则生长成粗粒晶体组成的深成岩，如花岗岩；但在地表快速结晶则生成由细粒晶体甚至于隐晶。1.7晶体的溶解与再生1.7.1晶体的溶解晶面溶解时，将首先在一些薄弱地方溶解出小凹坑，称为蚀像。1.7.2晶体的再生破坏了的和溶解了的晶体处于合适的环境又可恢复多面体形态，称为晶体的再生，如斑岩中石英颗粒的再生。§1-3晶体的对称、对称组合和晶体分类1.1对称的概念对称——就是物体相同部分有规律的重复。晶体对称性(symmetry)最直观的表现在外形上,相同的晶面(plane)、晶棱(arris)和角顶(cornerangle)作有规律的重复1.2晶体对称的特点1)所有的晶体都具有对称性。2)晶体的对称是有限的。3)晶体的对称既是外形上的对称，同时也是物理性质上的对称。由于以上特点，晶体的对称可以作为晶体分类(classifycrystal)的最好依据。1.3晶体外形对称要素1.4对称面(P)是一个假想的平面；相应的对称操作为对于此平面的反映。它将图形平分为互为镜像的两个相等部分。晶体中对称面与晶面、晶棱可能有如下关系:1)垂直并平分晶面；2)垂直晶棱并通过它的中心；3)包含晶棱。1.5对称轴(Ln)是一根假想的直线。相应的对称操作是围绕此直线的旋转。当图形围绕此直线旋转可使相等部分重复。旋转一周重复的次数称为轴次(n)。重复时所旋转的最小角度称基转角α，α＝360／n。对称轴可能出露的位置：晶面的中心、晶棱的中点或角顶。蝴蝶的对称对称的花冠1.6对称中心(C)是一个假想的点；相应的对称操作是对此点的反伸(或称倒反)。如果通过此点作任意直线，则在此直线上距对称中心等距离的两端，必定可以找到对应点。1.7旋转反伸轴(Lin)是一根假想的直线；相应的对称操作是图形围绕此直线旋转一定角度后再对此直线上的一个点进行反伸，可使相等部分重复。Lin的轴次也可为1、2、3、4、6次。因此，结晶多面体中可能存在的对称要素只有9种，分别是：对称轴L1、L2、L3、L4、L6对称面P对称中心C旋转反伸轴Li4，Li6单个晶体中全部对称要素的组合称为该晶体的对称型。晶体中全部对称要素相交于一点(晶体中心)，在进行对称操作时至少有一点不移动，因此对称型也称为点群。对称要素的组合必须满足组合定理，即符合空间格子构造规律，因此对称型是有限的。按照晶体对称特点进行的分类，分类依据如下：1)把属于同一对称型的晶体归为一个晶类。晶体中存在32种对称型，亦即有32个晶类。2)根据是否有高次轴以及有几个高次轴，把32个对称型归纳为低级、中级、高级三个晶族。低级晶族无高次轴中级晶族有一个高次轴高级晶族有多于一个的高次轴3)在各晶族中，再根据对称特点划分晶系，共有七个晶系。§1-4晶体的理想形态、晶体定向及晶面符号1.1单形理想形态指的是晶体由理想晶面构成。即晶体上同种性质的面网能得到同等发育，形成同形等大的晶面。分为单形和聚形两种。单形的概念由对称要素联系起来的一组晶面的总合。即藉对称型中全部对称要素的作用可以相互重复的一组晶面。单形上所有晶面不能封闭空间而占有一定体积者称为开形。开形不能独立存在，必需与其他单形聚合才能形成封闭的几何形态。闭形：单形上所有晶面能封闭空间而占有一定体积者。闭形能单独存在，也可以与其他单形相聚。1.2四十七种几何单形受对称要素的约束，47种单形在7个晶系中的分布有一定规律性。1.2.1低级晶族（7种）1.2.2中级晶族（25种）1)柱类：由若干晶面围成柱体，晶面平行于高次轴(z轴)，横切面的形状如图。注意：复三方、复四方和复六方不等于六方、八方和十二方，因为复柱晶面的交角是相间地相等。2)单锥类：属于本类的单形系由若干晶面相交于高次轴上的一点而形成的单锥体。与柱的情况相似，按其横切面的形状，可分为属于四方晶系的四方单锥、复四方单锥，属于三、六方晶系的三方单锥、复三方单锥、六方单锥、复六方单锥等六种单形。3)双锥类4)四方四面体和复四方偏三角面体5)菱面体与复三方偏三角面体6)偏方面体组1.2.3高级晶族1)四面体组5种2)八面体组5种3)立方体组5种两个以上的单形的聚合称为聚形。单形的聚合不是任意的，必须是属于同一对称型的单形才能相聚；换句话说，也就是聚形也必属于一定的对称型，因此，聚形中的每一单形的对称型当然都与该聚形的对称型一致。1.2.4聚形1.2.5晶体定向【1】晶体定向的概念晶体定向就是在晶体中确定坐标系统。目的：晶面和晶棱的空间方位可用一定的指数予以表征。1)晶轴2)轴角3)轴长与轴率4)晶体常数【2】晶轴选择晶轴的选择应遵循下列原则：1)符合晶体所固有的对称性。因此，晶轴应与对称轴或对称面的法线重合；若无对称轴和对称面，则晶轴可平行晶棱选取。2)在上述前提下，应尽可能使晶轴垂直或近于垂直，并使轴长趋于或近于相等，即尽可能使之趋向于α=β=γ＝90，a=b=c。3)使轴率尽可能为1：1：1，即轴单位尽可能相等。【3】晶轴安置1)三轴定向Z轴（c）-直立、正端朝上Y轴（b）-左右方向，正端朝右X轴（a）-前后方向，正端朝前2）四轴定向（只适用于三方和六方晶系）X、Y、U轴均与Z轴垂直，且正端互成120度夹角，Y-左右、X-左前，偏左30度、U-右前，正端朝后偏左30度【4】各晶系的晶体定向各晶系的对称特点不同，因而各有其具体选择晶轴的方法。其晶体常数特点也不一样。1）等轴晶系2）四方晶系3）三方及六方晶系4）斜方晶系5）单斜晶系6）三斜晶系【5】晶面符号表征晶面空间方位的符号，称为晶面符号。通常采用米氏符号，系英国人米勒尔(W.