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(shù)是非晶體。初中化學課本在溶液部分講述結晶過程時指出：在結晶過程中形成的具有規(guī)則外形的固體叫做晶體。高中化學課本在分別講述四類晶體的特點以前，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(guī)則的幾何外形呢？實驗證明：在晶體里構成晶體的微粒（分子、原子、離子等）是規(guī)則地排列的，晶體的有規(guī)則的幾何外形是構成晶體的微粒的有規(guī)則排列的外部反映”。這里所說的“實驗”主要指有Ｘ射線來測定分析晶體結構的實驗。高中化學課本下冊“金屬鍵”一節(jié)中就指出，金屬晶體的內(nèi)部結果是用Ｘ射線進行研究發(fā)現(xiàn)或證實的。其它晶體也是如此。 用Ｘ射線測定晶體結構的科學叫做Ｘ射線晶體學，它和幾何晶體學、結晶化學一道，對現(xiàn)代化學的發(fā)展起了很大作用。它們的重要性可概括為以下四點：（1）結晶化學是現(xiàn)代結構化學的一個十分重要的基本的組成部分。物質(zhì)的化學性質(zhì)是由共結構決定的，所以結構化學包括結晶化學，是研究和解決許多化學問題的指南。 結晶化學的知識在研制催化劑中的應用就是一例。（2）由于晶體內(nèi)的粒子排列得很有規(guī)則，所以晶態(tài)是測定化學物質(zhì)的結構最切實易行的狀態(tài)，分子結構的實際知識（如鍵長、鍵角數(shù)據(jù)）的主要來源是晶體結構。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）它們是生物化學和分子生物學的支柱。分子生物學的建立主要依靠了下列兩個系列的結構研究：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射線衍射方法所得的結果。（4）晶體學和結晶化學是固體科學和材料科學的基石。固體科學要在晶體科學所闡明的理想晶體結構的基礎上，著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）的關鍵部位。材料之所以日新月異并蔚成材料科學，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點和知識。 二、晶體的通性和分類 在介紹晶體結構研究的發(fā)展簡史以前，需要先說明一下晶體中微粒是怎樣有規(guī)則地排列的，并用晶體的這個本質(zhì)特征來解釋晶體的一些通性。應用Ｘ射線研究晶體內(nèi)部結構的大量實驗證明，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(guī)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(xiàn)。換句話說，在任一方向排在一直線上的相鄰兩種微粒之間的距離都相等，這個距離稱為周期。如果每一個微粒用一個點代表，則所有這些點組成一個有規(guī)則的空間點陣。過一點在不同方向取三根聯(lián)結各點的直線作為三個坐標軸，用三組平行于坐標軸的直線將所有的點聯(lián)結起來，則將空間點陣劃成所謂空間格子，空間格子的最小單位是一個平行六面體。晶體的空間格子將晶體截分為一個個內(nèi)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。晶體可以看作無數(shù)個晶胞有規(guī)則地堆積而成。在非晶體中，微粒的排列沒有規(guī)則，不存在空間點陣結構。 與非晶體不同，晶體具有以下幾個通性：（1）晶體有整齊、規(guī)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(nèi)微粒的排布具有空間點陣結構在晶體外形上的表現(xiàn)。對晶體有規(guī)則的幾何外形進行深入研究以后，人們發(fā)現(xiàn)不同晶體有不同程度的對稱性。晶體中可能具有的對稱元素有對稱中心、鏡面、旋轉(zhuǎn)軸、反軸等許多種。玻璃、松香、橡膠等非晶體都沒有一定的幾何外形。（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。晶體的力學性質(zhì)、光學性質(zhì)、熱和電的傳導性質(zhì)都表現(xiàn)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(nèi)不同方向上微粒排列的周期長短不同，而微粒間距離的長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(xiàn)為各向同性。（3）在一定壓力下，晶體有固定的熔點，非晶體沒有固定的熔點，只有一段軟化溫度范圍。這是由于晶體的每一個晶胞都是等同的，都在同一溫度下被微粒的熱運動所瓦解。在非晶體中，微粒間的作用力有的大有的小，極不均一，所以沒有固定的熔點。 晶體的分類在幾何晶體學上和在結晶化學上是不同的。在幾何晶體學上，按照晶體的對稱性將晶體分為七個晶系、32種宏觀對稱類型、230種微觀對稱類型（可參看大學《結構化學》教材有關部分）。在晶體化學中，如高中化學課本所說，是根據(jù)組成晶體的微粒的種類及微粒之間相互作用力的性質(zhì)，將晶體首先分為金屬晶體、離子晶體、原子晶體和分子晶體四大類。 關于離子晶體和金屬晶體結構研究的歷史過程，以及與另兩類晶體有關的共價鍵理論的歷史發(fā)展，分別在本章其它幾節(jié)中介紹。下面主要介紹幾何晶體學（其主要內(nèi)容是空間點陣理論）和Ｘ射線晶體學建立和發(fā)展的史實。 三、幾何晶體學是怎樣建立的？ 瑰麗多彩具有多面體外形的礦物晶體在古代就引起了人們的注意，成為人們觀察和欣賞的對象。人們對晶體一般規(guī)律的探索也是從研究晶體的外形開始的。1669年，丹麥人斯登諾（Steno,N.1638-1686），1783年法國礦物學家愛斯爾（DeI Isle,R.1736-1790）分別在觀測各種礦物晶體時發(fā)現(xiàn)了晶體的第一個定律──晶面夾角守恒定律。在19世紀初，晶體測角工作曾盛極一時，積累了關于大量天然礦物和人工晶體的精確觀測數(shù)據(jù)。這為進一步發(fā)現(xiàn)晶體外形的規(guī)律性（特別是關于晶體對稱性的規(guī)律）創(chuàng)造了條件。 在晶體對稱性的研究中，關于對稱群的數(shù)學理論起了很大作用。在1805－1809年間，德國學者魏斯（Weiss,C.S.1780-1856）開始研究晶體外形的對稱性。1830年德國人赫塞爾（Hessel,J.F.Ch. 1796-1872），1867年俄國人加多林分別獨立地推導出，晶體外形對稱元素的一切可能組合方式（也就是晶體宏觀宏觀對稱類型）共有32種（稱為32種點群）。人們又按晶體對稱元素的特征將晶體合理地分為立方晶系、六方晶系等七個晶系。 19世紀40年代 ，德國人弗蘭根海姆（Frankenheim,M.L.1801-1869）和法國人布拉維（Bravais A.1811-1863）發(fā)展前人的工作，奠定了晶體結構空間點陣理論（即空間格子理論）的基礎。弗蘭根海姆首行提出晶體內(nèi)部結構應以點為單位，這些點在三度空間周期性的重復排列。他于1842年推出了15種可能的空間點陣形式。其后，布拉維明確地提出了空間格子理論。他認為晶體內(nèi)物質(zhì)微粒的質(zhì)心分布在空間格子的平行六面體單位的頂角、面心或體心上，從而它們在三度空間作周期性的重復排列。布拉維于1848年指出，弗蘭根海姆的15種空間點陣形式中有兩種實質(zhì)上是相同的，確定了空間點陣的14種形式。關于晶體的微觀對稱性，德國人松克（Sohncke,L.1842-1897）在前人工作的基礎上進行深入研究以后，提出晶體全部可能的微觀對稱類型共有230種（稱為230個空間群）。在1885－1890年間，俄國結晶學家弗多羅夫完成了230個空間群的嚴格的推引工作。在19世紀的最后十年中，幾何晶體學理論已全部完成了。 幾何晶體學雖然在19世紀末已成為系統(tǒng)的學說，但直到1912年以前它還僅僅是一種假說，尚未被科學實驗所證實。它的抽象理論當時并未引起物理家和化學家們的注意，他們中還有不少人認為在晶體中原子、分子是無規(guī)則地分布的。1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了Ｘ射線。當時沒有一個科學家想到要把Ｘ射線和幾何晶體學這兩件幾乎同時出現(xiàn)的重大科學成就聯(lián)系起來。人們沒有料到，在晶體學、物理學和化學這三個不同學科領域的接合部，一個新的重大突破正在醞釀之中。 四、Ｘ射線晶體學的誕生 自1895年Ｘ射線發(fā)現(xiàn)以后，人們通過實驗研究逐步探明了它的很多性質(zhì)。但在十幾年內(nèi)對于它的本質(zhì)是什么，是電磁波還是粒子流，物理學家們一直爭議不休。1911年，勞厄詳細研究了光波通過光柵的衍射理論；厄瓦爾則以可見光通過晶體的行為作為他博士論文的研究課題。一天，厄瓦爾把論文拿去向勞厄請教。 這時，準確測定阿佛阿德羅常數(shù)的問題不久前已經(jīng)解決。根據(jù)已知的原子量、分子量、阿佛加德羅常數(shù)和晶體的密度等，可以估計出晶體中一個原子或分子所占空間的體積及粒子間的距離。當勞厄發(fā)現(xiàn)Ｘ射線的波長和晶體中原子間距二者數(shù)量級相同之后，他產(chǎn)生了一個非常重要的思想：如果Ｘ射線確實是一種電磁波，如果晶體確實如幾何晶體學所揭示的具有空間點陣結構，那么，正如可見光通過光柵時要發(fā)生衍射現(xiàn)象一樣，Ｘ射線通過晶體時也將發(fā)生衍射現(xiàn)象，晶體可作為射線的天然的立體衍射光柵。于是，弗里德里希和克尼平就在1912年4月21日以五水合硫酸銅晶體為光柵進行了勞厄推測的衍射實驗。經(jīng)過多次失敗，終于得到了第一張Ｘ射線衍射圖，初步證實了勞厄的預見，于1912年5月4日宣布他們實驗成功。 接著勞厄等人又以硫化鋅、銅、氯化鈉、黃鐵礦、熒石和氧化亞銅等立方晶體進行實驗，都得到了衍射圖。于是，晶體Ｘ射線衍射效應被發(fā)現(xiàn)了。這一重大發(fā)現(xiàn)一舉解決了三大問題，開辟了兩個重要研究領域。第一，它證實了Ｘ射線是一種波長很短的電磁波，可以利用晶體來研究Ｘ射線的性質(zhì)，從而建立了Ｘ射線光譜學；并且對原子結構理論的發(fā)展也起了有力的推動作用，1913年莫斯萊定律的建立就是一例。第二，它雄辯地證實了幾何晶體學提出的空間點陣假說，晶體內(nèi)部的原子、離子、分子等確實是作規(guī)則的周期性排列，使這一假說發(fā)展為科學理論。第三，它使人們可利用Ｘ射線晶體衍射效應來研究晶體的結構，根據(jù)衍射方向可確定晶胞的形式和大小，根據(jù)衍射強度可確定晶胞的內(nèi)容（原子、離子、分子的分布位置），這就導致了一種在原子──分子水平上研究化學物質(zhì)結構的重要實驗方法──Ｘ射線結構分析（即Ｘ射線晶體學）的誕生。這門新科學后來對化學的各分支以及材料學、生物學等都產(chǎn)生了深遠的影響。由于這一發(fā)現(xiàn)，勞厄于1914年被授予諾貝爾物理學獎。 在上述勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎上，英國人布拉格父子以及莫斯萊和達爾文（Darwin.C.G.1887-1962）為Ｘ射線晶體結構分析的建立作了大量工作，其中特別是Ｗ.Ｌ.布拉格貢獻最大。布拉格父子因此共同獲得1915年諾貝爾物理學獎。幾十年中，在Ｘ射線光譜學和Ｘ射線晶體結構分析兩方面做出卓越貢獻，從而獲得諾貝爾物理化學獎或生理醫(yī)學獎的學者，竟超過10人！ 應用Ｘ射線晶體結構分析方法于化學物質(zhì)的結構研究，使現(xiàn)代結晶化學迅速興起。其中關于無機物結晶化學的發(fā)展，本章在討論離子晶體和金屬晶體時作了介紹，它對有機結晶化學的發(fā)展，對蛋白質(zhì)、核酸等生物高分子結構的研究，也都起了巨大作用。 自然科學發(fā)展證明：在不同學科的接觸點上往往是科學發(fā)展的新的生長點，常可取得重大成果。幾何晶體學、Ｘ射線晶體學和結晶化學的發(fā)展又一次生動地證明了這一點。
本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.yy-art.cn/chuzhong/806798.html

相關閱讀：中考化學復習技巧：加強審題環(huán)節(jié)