第一节　晶体和非晶体

一、晶体与非晶体的概念

自然界中所见到的固体物质可以分为两种：一种是结晶态固体，即晶体；另一种则是非晶态固体，即非晶体。

结晶学与矿物学理论告诉我们，晶体是具有格子构造的固体，其内部结构最基本的特征是质点在三维空间作有规律的周期性重复排列。晶体的格子构造决定了晶体具有自限性、均一性、异向性、对称性和稳定性等基本性质。

非晶体，也称非晶质体，是与晶体相对立的固体物质。它既不遵循晶体所共有的空间格子规律，也不具备晶体所共有的基本性质。非晶体的外部形态呈一种无定形的凝固态，它的内部构造则是统计上均一的各向同性体，其质点的分布类似于液体。因此，过去曾有人把它看成是过冷却了的液体。确切地说，非晶体是内部质点排列无规律、不具格子构造的无定形体。通常天然岩矿中的火山玻璃、胶体矿物、琥珀、松香以及部分人造无机固体物质中的玻璃、部分塑料、树脂、沥青等均属非晶体行列。

二、晶体与非晶体的区别

晶体与非晶体虽是固态物质的两种形态，但它们之间的差别却很大。

第一，晶体与非晶体的内部结构不同，这是两者之间最本质的区别。晶体内部具有格子构造，质点在三维空间作有规律的重复排列，被称为既“近程有序”又“远程有序”，见图2-1（a）。石英晶体中每个硅周围的氧排列是一样的，而硅和氧这种组合方式在空间也是作有规律重复排列的。非晶体内部不具格子构造，被称为“近程有序”而“远程无序”，如图2-1（b）所示。石英玻璃属非晶体，其内部每个硅周围的氧排列虽然是一样的，但硅和氧的组合方式在空间却是无规律、杂乱无章地排布的。

图2-1　石英SiO₂晶体（a）与石英玻璃（b）的结构示意

圆圈代表氧；黑点代表硅

第二，晶体与非晶体的外部形状不同。晶体由于具有格子构造，在适当的条件下可以自发地形成封闭的几何多面体外形。如金刚石晶体多具八面体外形，食盐晶体多具立方体外形等，而非晶体则无此性质，它只能通过人工切磨而成各种形状。如玻璃可以人为地制作成长方体、球体、锥体、筒体等各种形状，但却不能自发地形成。

第三，晶体与非晶体的均一性不同。晶体的均一性取决于其格子构造，可称为“结晶均一性”并具有各向异性的特征；而非晶体由于不具有格子构造，它的均一性是统一的、平均的、近似的均一，称为“统计均一性”。并且非晶体的性质不因方向不同而有所差别，具有等向性。两种均一性有本质的差别，不能混为一谈。

第四，晶体与非晶体的热稳定性不同。晶体内部质点作有规律的排列，其质点间距一定，相对势能稳定且较低。而非晶体内部质点排列无规律，质点间距离不可能是平衡距离，其势能较晶体大。因此，在相同的热力学条件下，非晶体的内能较晶体大，即晶体具有最小内能。图2-2和图2-3分别为晶体与非晶体的加热曲线。从图中可看出，当晶体受热时，起初温度随时间逐渐上升，当达到一定温度时，晶体开始熔解，同时温度停止上升。此时所加的热量用于破坏晶体的格子构造，直到晶体完全熔解，温度才继续上升。由于格子构造中各部分的质点是按同一方式排列的，在同样的温度下可以破坏晶体的各个部分，因此，晶体具有一定的熔点。非晶体则不同，加热时，非晶体首先变软，逐渐变为黏稠的熔体，最后变为真正的液体，在此过程中没有温度的停顿，因此，非晶体无一定的熔点。

图2-2　晶体的加热曲线

图2-3　非晶体的加热曲线

第五，晶体与非晶体的分布范围不同。晶体的分布十分广泛，不仅在自然界中有，就是在工厂和实验室里以及在我们日常生活中也到处可见。天然产出的矿物绝大多数是晶体，工厂和实验室里生产的人造矿物、人工晶体及生活中使用的白糖、食盐和药品，甚至人工合成的有机蛋白质——结晶牛胰岛素等也是晶体。晶体不仅分布广、种类多，而且大小相差很大，大的如苏联乌拉尔产出的天河石，整座采石场就坐落在一个天河石晶体上；小的一般肉眼都无法分辨，必须借助于显微镜、X射线衍射分析乃至高分辨率的透射电镜才能判断。相比之下，非晶体的分布范围很小，而且种类也不如晶体繁多。

第六，晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化。但晶体向非晶体转化较非晶体向晶体转化要难，这与能量的传入或物质成分的改变有关。因为结晶状态是一个相对稳定的状态，而非晶体相对于晶体而言是不稳定的，有自发地向晶体转化的趋向。如自然界早期喷发出的岩浆所形成的火山玻璃，由于经历了漫长的地质年代，其内部质点进行了缓慢的扩散和调整，逐渐趋向于形成规则的排列，并逐渐向结晶态转化：开始时形成如同毛发般细小的雏晶，而后逐渐长大，最后变成了结晶质矿物。这种由非晶质体调整其内部质点的排列方式向晶体转化的作用，称为退玻璃化（脱玻化）作用或晶化作用。相反的转化，称为玻璃化作用。如有些含放射性元素的矿物，由于受到破坏（但仍可保持原来的晶形）而转变成非晶质矿物。不过这种非晶质矿物，在高于室温的某个适合的温度下保持一段时间后，又可以恢复成为晶体。