晶體的外形是微觀晶胞的一種宏觀體現,鹽的形狀就是它離子的形狀


晶體的外形是微觀晶胞的一種宏觀體現,鹽的形狀就是它離子的形狀

紫水晶

晶體,我們最能想到的應該就是水晶了吧,當然像冰,石英,玻璃,甚至是鑽石等,其實也是晶體。這些晶體能給人最大的印象就是它們是透明的,也正因為它們的透明才使得它們在我們眼前得以充分展現出它們的美。

晶體的透明,就其根本的原理來說是由於晶體內部分子原子結構有序的排兵佈陣而使得在可見光波段內的光子無法被原子上的電子吸收,從而使得光子可以順利地穿過晶體的內部而呈現出來的一樣結果。簡單的說就是光子可穿越晶體,所以晶體才變透明就那麼簡單。那麼晶體除了其透明的特徵外,還有什麼是比較明顯的?

晶體的外形是微觀晶胞的一種宏觀體現,鹽的形狀就是它離子的形狀

雪花

雖然像我這樣的南方人,到目前為止還沒有見過真正的雪花,但是鋪天蓋地的雪花圖片卻早已讓我跟其他人一樣,認定了雪花是擁有其比較特別的形狀的(因雪花形成的過程沒有絕對的相同,因此世界上沒有兩朵完全一樣的雪花)。雪花中的冰晶也屬於晶體中的一種,而實際上,不只是雪花,食鹽,味精,白糖,硫酸銅等晶體都有屬於它們特別的形狀,而這形狀的形成無非就一個原因,那就是晶體的宏觀對稱性是晶體微觀對稱性的宏觀表現。

晶體形狀通常是其微觀結構的宏觀表現

晶體物質的形狀是由於其在分子原子層面上的排列布陣所呈現出來的,在宏觀的外形上,物質是什麼樣的形狀,而在微觀的分子原子中的形狀也就會是什麼樣的了。當然,這說的只是物質在自然狀態下形成的原始形狀,而不是在它形成了之後再用外力去改變它的一種狀態。

晶體在外形上所體現出來的美在於它所持有的均衡形狀,而這個均衡就是美的最大特點。比如像我們人臉一樣,假如在中間劃一條線,然後眼睛、鼻子、耳朵、嘴唇將各佔一半,而這均衡的物質分配就是絕大多數人第一概念裡面所能認知到的對稱。

宏觀上的對稱,那是從晶體的幾何外形去辨識的,而微觀上的對稱則是從晶體的內部去辨別的,就晶體的內部結構而言,它是由結構單元組成的無限圖形,這種無限圖形指的就是結構單元在微觀上所擁有的就是一種特性。比如說鹽中,也即是氯化鈉(NaCl)晶體中的鈉離子與氯離子之間的距離為0.563nm,那麼通過計算就可以得知一粒體積為1立方毫米鹽晶體中所含的鹽NaCl晶胞共有7*10^17個。一粒鹽晶體就是由這極大量的晶胞進行無限平移與疊加而形成的

晶體的外形是微觀晶胞的一種宏觀體現,鹽的形狀就是它離子的形狀

NaCl晶體結構模型

晶體的外形是微觀晶胞的一種宏觀體現,鹽的形狀就是它離子的形狀

鹽晶體

通常在宏觀層面上所呈現出來的晶體結構就是其微觀層面上晶胞的一種結構體現,或者也可以跟前面所說的那樣,將宏觀晶體的結構視作為微觀晶胞的一種宏觀體現。

晶體在所具有的對稱美是晶體內部的微觀結構對稱的宏觀體現

在宏觀的對稱性上所具有的對稱特點,其實都能在微觀世界中得以體現,可在微觀世界中,宏觀就不一定具備了,比如說微觀分子中的點陣,如金剛石內部碳原子的架構陣勢;滑移面,如石墨中碳原子平面滑動;還有螺旋軸,如說DNA的結構。

以上這三個對稱元素是微觀世界所特有的,因為在宏觀世界,那是不可能實現用宏觀的物質來代替微觀粒子進行無限平移或疊加的操作的。

晶體內含著一種均衡的力的平衡

晶體分子或者原子本身能有序而穩定的存在是依靠化學鍵或者分子間的範德華力來體現維持,所以說晶體的存在實際上就是分子或原子間的一種力的平衡的結果。它們都在一定的強度和範圍之內互相制衡,從而使得分子或者晶體結構能夠達到一種相對穩定的狀態。

晶體的內部結構本就是一種簡單而卻也複雜的,在很多晶體的分子體系中,其實也是有著主體與客體的,而客體分子通常是在主體分子的空穴或者空道之中充當著一種填充的作用的,可雖它看起來像是隻是填充主體分子所留出來的空隙,但實際上它卻還是與主體分子之間產生著不可忽視的影響作用力的。所以對於晶體來說,要想形成一個穩定且對稱的結構,這主體與客體之間的互相作用力是需要和諧共處的。

晶體的外形是微觀晶胞的一種宏觀體現,鹽的形狀就是它離子的形狀

玫瑰花超分子結構

比如說一個大型的玫瑰花超分子結構,在這個分子中有苯環這種比較剛性的分子結構,也有比較柔性的碳氫鏈,所以在某種程度上,這分子可以理解為一種剛柔相濟的分子。而同時在這個分子中,它還形成氫鍵的功能基團,所以這個分子在一定的條件下,它會通過分子之間的氫鍵識別作用而自行組裝成一個較小單位組裝體。由於這個小單位組裝體只用到了其中一部分的氫鍵基能團,因此其他還未利用到的還可以再通過與其他的小單位進行拼裝。

大量不對稱的分子依靠其本身具有的氫鍵或者化學鍵來進行一種有規律的拼接,最終所形成的通常也就是一種結構有序的晶體架構。

晶體的外形是微觀晶胞的一種宏觀體現,鹽的形狀就是它離子的形狀

水分子通過氫鍵鏈接起來的結構模型

其實,無論是在宏觀還是在微觀中,所有一切的外形亦或者是結構的存在,那都是分子之間的作用力共同作用的結果

比如水,它在結成了冰的過程中,也即是它在形成冰晶的過程中,由於水分子中的一邊有兩個氫原子,氫原子的電子被氧原子拿來填補了它的第二層電子軌道,從而使得氫原子呈現出了正電性,而氧則呈現出負電性。

正負電性在水分子中呈現,然後水分子就會通過這正負電的電磁力而互相吸引,當水溫降低到水分子無法再活躍到可有效掙脫它們之間所形成的一種氫鍵力的時候,水分子也就被氫鍵給束縛住了。被束縛的水分子因動力不夠而無法再移動便成了由氫鍵搭建而成的一種水分子架構空間群的一個群點,群點經無限地平移與疊加就構建出了一個龐大而穩定的水分子微觀架構出來,這個微觀架構最終所體現出來的就是我們在宏觀上所看到的冰。


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