世界上的晶体

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在我们日常所接触的物质世界乃至遥不可及的未知宇宙里，有一类奇妙的存在。

它们像是宏伟壮丽的宫殿，有着晶莹剔透的结构，组成坚不可摧的堡垒，宛如轻柔婉约的诗篇。人们在自然中发现的最坚硬的物体——金刚石，就属于这样一种神秘而又美丽的存在——晶体。

钻戒贵在所镶嵌的那颗金刚石

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一、物质世界的晶体

人们对物质世界的探索和认知，说来也并不复杂，就是发现重复，然后对重复单元和重复模式进行研究。其中最简单有趣、最吸引人的是平移对称。

在时间维度上平移对称就是各种周期，如昼夜、四季，一些科幻小说甚至干脆认定存在“时间晶体”；在空间维度上就是各种队列或阵列、堆积或堆叠，最典型的就是各种宝石。如红宝石，宛如燃烧的烈火，激情四溢；蓝宝石，好似深邃的海洋，宁静而神秘；祖母绿，犹如葱郁的森林，充满生机与活力。

各种颜色的宝石

晶体作为一种特别的物质形态，与之相对应的是准晶体、非晶体等。宏观形态上，日常生活中已经大量使用的液晶是指液体和晶体的混合物；也就是说，液晶并不是晶体的一种类别。

二、矿物晶体

截止到2023年3月，国际矿物学会（IMA）下属的新矿物命名分类委员会（CNMNC）维护的一份完整列表显示：已发现并确认的天然矿物共6126种。在1958年IMA成立之后，共正式批准了4218种新矿物，而其他1908种都是IMA成立之前人们有所认识的；其中前期认知无误、名称沿用至今的有1452种，重命名的85种，成分或结构重新定义的327种。

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三、晶体的化学种类

在矿物晶体的研究过程中，人们发现其化学本质可分为四类：离子晶体、原子晶体、分子晶体、金属晶体。对石墨的研究又新辟出一类——混合型晶体。这五类晶体延伸到矿物之外的领域如化学、生物中；蛋白质晶体和蛋白复合物晶体是结构生物学的主要研究对象。

3.1.原子晶体

原子间以共价键相结合而形成的三维网状结构的晶体。

代表物质：金刚石（C）、石英（SiO₂）、碳化硅（SiC）

特性：超高硬度（莫氏硬度≥7）、高熔点（>1500℃）、绝缘体

3.2.离子晶体

阴离子和阳离子间以静电引力（离子键）结合形成的晶体。

​代表物质​​：NaCl、CaF₂、LiF

​​特性​​：熔融态导电、硬而脆、熔点较高（通常>300℃）

​​3.3.分子晶体​​

​​由分子构成，相邻分子靠分子间作用力（范德华力或氢键）相互吸引构成的的晶体

​​代表物质​​：冰（H₂O）、干冰（CO₂）、碘（I₂）

​​特性​​：低熔点（通常<200℃）、硬度低、易升华

​​3.4.金属晶体​​

​​由金属原子以金属键堆垛排列形成的晶体

​​代表物质​​：Fe、Cu、Ag

​​特性​​：延展性、导电导热性、熔点差异大（如汞为液态）

3.5.混合型晶体​​

​​多种化学键共存形成的晶体

​​代表物质​​：石墨、滑石、云母、黑磷、石棉

​​特性​​：兼具多种晶体特性（如石墨导电但层间易剥离）

四、晶体的对称性分类

每一个晶体都是对称元素的完美载体，其内部原子的排列遵循着严格的数学规则。从钻石的璀璨棱角到半导体芯片的精密结构，三维晶体的对称元素不仅决定了物质的物理化学性质，更成为人类理解自然、改造世界的关键钥匙。

按照晶体外形的对称性，可分为七大晶系：等轴（立方）晶系、六角（六方）晶系、四方（正方）晶系、三角（三方、菱方）晶系、斜方（正交）晶系、单斜晶系、三斜晶系。

4.1.等轴（立方）晶系

等轴晶系的三个轴长度一样，且相互垂直，对称性最强。这个晶系的晶体通常从各角度看高低宽窄差不多。如正方体、八面体、四面体、菱形十二面体等，它们的相对晶面和相邻晶面都相似，这种晶体的横截面和竖截面一样。

等轴晶系几何模型示意图

此类晶体的代表性矿物有：萤石、磁铁矿、铬铁矿、蓝方石、方镁石、尖晶石。

萤石（Fluorite）晶体呈立方体及八面体单晶，个头较大，常显鲜艳的颜色，部分可发出荧光。透明、玻璃光泽，硬度4，解理好。比重为3.18。

萤石

磁铁矿（Magnetite）晶体通常呈八面体，少数呈菱形十二面体。集合体许多为粒状和块状，铁黑色，半金属光泽。硬度5.5～6。比重4.9～5.2。

磁铁矿

铬铁矿（Chromite）晶体为八面体，常呈不规则圆粒状及致密块状。黑色，半金属光泽。硬度5.5～5.7。比重4.0～4.8。

铬铁矿

蓝方石（Hauyne）晶体为菱形八面体或十二面体，常呈圆粒状。天蓝或带绿的蓝色。玻璃—油脂光泽。硬度5.5～6。比重2.4～2.5。

蓝方石

方镁石（Periclase）晶体为八面体、立方体或菱形十二面体。无色、黄色、绿色、黑色。玻璃光泽。透明至半透。硬度5.5～6。比重3.50～3.90。

方镁石

尖晶石（Spinel）晶体常呈八面体，有时与菱形十二面体和立方体呈聚集状。无色、红、蓝、黄、粉色等。硬度7.5～8.0。比重3.55。

尖晶石

4.2.四方（正方）晶系

四方晶系的三个晶轴相互垂直，其中两个水平轴（x轴、y轴）长度一样，但与z轴长度不同。该系晶体大多是四棱柱状，晶体横截面为正方形，有时四个角会发育成小柱面，称“复四方”；有长柱体，也有短柱体。

四方晶系几何模型示意图

此类晶体的代表性矿物有：锆石、符山石、锡石。

锆石（Zircon）单形晶体呈四方柱、四方双锥等，亦呈柱状。颜色绚丽多彩。玻璃到金刚光泽。透明至半透明。硬度7.5～8。

锆石

符山石（Vesuvianite）单形晶体为四方柱、复四方柱、四方双锥。亦常有致密块状和粒状或柱状集合体。颜色多样，常呈黄、灰、绿和褐色古半透明，玻璃光泽。硬度6.5～7。

符山石

锡石一般为不规则粒状集合体，呈明亮的暗褐色，可见无色·黄色及黑色，金刚至亚金刚光泽，不透明至透明。硬度6-7。不完全解理。

锡石

钼铅矿，一般呈透明至半透明，黄色、蜡黄色、稻草黄色、桔黄色至桔红色，硬度2.5-3，比重6.5-7，清楚的角锥形解理，贝壳状断口，油脂光泽或金刚光泽

柱状钼铅矿

4.3.三方（三角、菱方）晶系

三方晶系的晶轴有四根：一根竖直轴（z轴）、三根水平横轴（x、y、u轴）。竖轴与横轴垂直，三根横轴间夹角为120度。三方晶系晶体的主轴z轴是3次轴。

三方晶系常见的晶体有三棱柱状、三角片状等，有时呈六棱柱、六角片状（复三方、复三角面）及其各种聚形。有时候三方晶系会出现菱形六面体，易与三斜晶系的晶体混同。

三方晶系几何模型示意图

此类晶体的代表性矿物有：电气石、菱铁矿、菱锰矿、白云石。

电气石（Tourmaline）常见单形为三方柱和六方柱，晶体呈柱状。颜色多样，绿色、黑色、红色，有时一个晶体呈多种颜色（铬电气石）。玻璃光泽。硬度7～7.5。比重2．9～3.4。

电气石

菱铁矿（Siderite）晶体呈菱面体状、短柱状等。常见单形：菱面体。通常呈粒状，土状致密块状集合体。灰白、浅黄白、褐色、棕红、黑色。玻璃光泽。透明至半透明。硬度4。

菱铁矿

菱锰矿（Rhodochrosite）晶体呈菱面体状。主要单形：菱面体，有时出现六方柱。浅玫瑰红色、白色、黄色、褐黄色等。玻璃光泽。硬度3.5～4.5。

菱锰矿

白云石（Dolomite）晶体常呈菱面体状，晶面常弯曲成马鞍形，集合体常呈粒状、致密块状、有时呈多孔状、肾状。白色、灰色—暗褐色（含铁）。玻璃光泽。硬度3.5～4。

白云石

4.4.六方晶系

六方晶系的晶轴有四根：一根竖直轴（z轴）三根水平横轴（x、y、u轴）。竖轴与横轴垂直，三根横轴间的夹角为60度。六方晶系晶体的主轴z轴是6次轴。

六方晶系晶体常见有六棱柱状、六方板（片）状以及它们的各种聚形，偶然会出现十二棱柱体（复六方柱）。有时候六方晶系会出现菱形六面体晶型，易与三斜晶系的晶体混同。

六方晶系几何模型示意图

此类晶体的代表性矿物有：绿柱石、辉钼矿、霞石、赤铁矿。

绿柱石（Beryl）晶体常呈长柱状。由于含微量元素常呈不同艳丽之颜色，而成为不同级别的宝石。玻璃光泽。透明至半透明。硬度7.5～8。

绿柱石

辉钼矿（Molybdenite）晶体以钼为中心形成单个的三方柱。具有六方板片状外形，少数呈鳞片状集合体。铅灰色。金属光泽。硬度极小。比重5。

辉钼矿

霞石（Nepheline）晶体呈短柱状，通常呈粒状或致密块状。无色或白色，因混入物也带浅黄、浅褐、浅红等色。脂肪光泽或玻璃光泽。硬度5.5～6。比重2.55。

霞石

赤铁矿（Hematite）是人们在铁器时代就已熟知的矿物。z轴发育不良的片状赤铁矿，又名铁玫瑰。

赤铁矿

4.5.正交（斜方）晶系

斜方晶系的晶体中，三个轴互相垂直，但长短各不相同。相比于立方晶系和四方晶系具有高次旋转轴，斜方晶系没有高次轴，即没有理论上的主轴。

该晶系的实际晶体多显示为菱形长柱体、菱形板状体、或长方型柱状体。

常见的斜方晶系矿物有夕线石、辉铋矿、重晶石、黄玉、白铅矿辉锑矿、白铁矿、文石、橄榄石、异极矿。

夕线石（Sillimanite）也叫矽线石或硅线石。晶体呈针状，集合体呈放射状或纤维状。有时呈毛发状在石英、长石晶体中作为包裹体存在。毛发状夕线石称为细夕线石。白色、灰色、浅绿色。玻璃光泽。硬度6.5～7. 5。

夕线石

辉铋矿（Bismuthinite）晶体呈针状、毛发状或板状。晶面大都有纵纹。集合体常呈针状、毛发状、放射状、粒状等。

辉铋矿

重晶石（Barite）晶体呈板块状。有时呈柱状，少数为三向等长。纯净的晶体无色透明。一般呈白色、浅白色、浅蓝、浅褐等。透明。玻璃光泽。硬度3～3. 5。

重晶石

黄玉

4.6.单斜晶系

单斜晶系的三个晶轴长短不一，x轴与z轴不垂直，其它轴间仍垂直。相比于正交晶系，单斜晶系的x轴变得倾斜，而y、z不变，因此得名“单斜”。下面示意图看起来跟正交晶系很像，实际上顶面和底面是斜的。

单斜晶系几何模型示意图

单斜晶系的代表性矿物有：硼砂、普通辉石、透闪石、普通角闪石、独居石、石膏、霓石。

硼砂（Borax）晶体为短柱状，也有呈板状，多数为土状块状。白色、浅灰色。玻璃光泽。透明。硬度低2～2. 5。比重小1.71。

硼砂

普通辉石(Augite）晶体呈短柱状，集合体呈致密块状或粒状。黑色或黑褐色。玻璃光泽。硬度5～6。比重3.2～3.6。

普通辉石

透闪石（Tremolite）晶体常呈长柱状或针状；集合体呈放射状或纤维状，有时呈致密隐晶质块体。呈石棉纤维状者称透闪石石棉。呈隐晶质块体称软玉（有阳起石）。白色或灰色。透明—半透明。玻璃光泽。

透闪石

普通角闪石（Hornblende）晶体一般为长柱状，集合体成纤维状和粒状。暗绿至黑色。琉璃光泽。硬度5.5～6。比重3.1～3.42。

普通角闪石

独居石（Monazite）晶体呈小的板状。棕红色、黄色。油脂光泽。硬度5～5.5。

独居石

石膏（Gypsum）晶体呈板状，也有的呈粒状。双晶常见（为燕尾双晶等），无色及白色。无色透明晶体称透石膏。因含杂质而染成灰、浅黄、浅褐。玻璃光泽，集合体呈丝绢光泽。硬度1.5～2。

石膏

霓石（Aegirine）晶体常呈针状，晶面有细纹。见有简单的双晶和聚片双晶。暗绿至黑绿色。玻璃光泽。硬度6。

霓石

4.7.三斜晶系

三斜晶系的三根晶轴的交角均非直角，故得名“三斜”。

三斜晶系几何模型示意图

三斜晶系是自然界对称性最低的晶系，矿物晶体少见完美形态，常见于变质岩或复杂硅酸盐体系，其鉴定依赖 X 射线衍射或晶体测量，肉眼观察时可通过解理夹角非直角初步判断。

此类晶体的代表性矿物有：蔷薇辉石、微斜长石、钠长石、胆矾、斧石、钙长石、蓝晶石。

蔷薇辉石

微斜长石

钠长石

矿物晶体的理论晶型与实际晶型是有差距的。地质化学和成矿过程极其复杂，不可能形成与理论模式完全一样的晶体。矿物晶体没有绝对理想的状态，任何一颗晶体都是有缺陷的，只不过多少而已。

五、结语

晶体的世界，是一个充满奇幻与魅力的仙境，它们以各自独特的姿态和华丽的外表，向我们诉说着大自然的鬼斧神工和无尽奥秘。让我们沉醉在这绚丽多彩的晶体世界中，感受着它们带来的震撼与惊喜。

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