水晶的化学成分是二氧化硅单晶体吗

玻璃与水晶身价的问题是个商业问题，是个哲学问题，同时也是科学问题。归根结底它还是个科学问题。

所以我们今天就从科学的角度来分析一下水晶究竟比玻璃贵在哪里。

灰姑娘为什么穿的是水晶鞋而不是玻璃鞋？

前几天，我在《同样是固体，为什么玻璃透光而铝不透光？》一文中简单提到了水晶与玻璃的区别，结果引发许多朋友的大讨论。大家争论的焦点在于，同样主要成分是二氧化硅，为什么水晶是晶体而玻璃却不是。

虽然主要成分同是二氧化硅，水晶的“基因”却比玻璃要优良许多。

水晶完美地继承了二氧化硅（SiO?）的晶体结构，二氧化硅晶体是由1个Si与2个O组成的立体空间网状结构，其中并没有单个的SiO?分子，这样的结构相当于是4个O位于四面体的顶角上，四面体中心是一个Si；与此同时，每4个O近似共价键合到Si，满足了Si的化合价外壳。如果每个O是两个多面体的一部分，则O的化合价也被满足。

二氧化硅的晶体结构

由于二氧化硅相邻原子之间只通过强大的共价键结合成为空间网状结构，所以它是原子晶体。原子晶体中原子之间相互结合的共价键非常强，要打断这些键而使晶体熔化必须消耗大量能量，所以原子晶体一般具有较高的熔点、沸点和硬度。我们前面说了，在二氧化硅的晶体结构中并没有单个的SiO?分子，它整个的晶体被视为是一个大的分子，所以二氧化硅晶体与钻石一样拥有相似的物理特性。

水晶是完美的二氧化硅晶体，一块好的水晶晶体与拥有类似于钻石那样的物理特征：坚硬、耐磨、耐热。

天然结晶水晶柱体

反观玻璃则不同。虽说我们见到的大多数玻璃的主要成分也是二氧化硅，但为了降低成本、加工的方便以及满足各种不同的应用需要，工厂会在其中加入各种各样其它的物质。

比如钠钙玻璃，它除了SiO?外，还包括Na2SiO3、CaSiO3或Na?O·CaO·6SiO?等物质，这种玻璃成本便宜、易成型、适合大规模生产，我们日常所见的窗户玻璃、水杯、瓶瓶罐罐等等大约有90%都属于这种，它又被称为普通玻璃。

一个玻璃杯子

对于一些需要耐高温的场合，在SiO?原料中加入B2O3制成的硼硅酸盐玻璃、以SiO?和Al2O3为主要原料的铝硅酸盐玻璃等等都可以满足相应的需求。

耐高温玻璃制的锅

由于绝大多数的玻璃其化学成分非常复杂，并且这些化学成分组合在一起的硅酸盐复盐是无规则结构的非晶态，所以它通常不具备水晶的晶体结构和物理特性。

你也许已经注意到了，有一种“石英玻璃”并不像其它玻璃那样添加了其它的化学物质，它由纯度很高的二氧化硅熔炼而成。为什么我们称之为玻璃而不是水晶呢？

这是因为石英玻璃尽管由纯度很高的二氧化硅组成，但它的原子间并没有形成水晶那样的晶体结构，与水晶不同，石英玻璃是非晶体的“玻璃态”。

玻璃态的二氧化硅无序排列

水晶的晶体结构是因其生长过程决定的。

在自然界，除了遍地都是的硅砂外，还有一种自然长大的石英晶体。石英晶体的生长需要满足苛刻的自然条件和漫长的岁月沉淀：在温度高达550－600℃、压力达到2 -3 倍大气压的地下溶洞里，缓慢流淌着的地下水含有饱和的二氧化硅，当一部分二氧化硅小晶体“成核”析出时，高温液体中游离的二氧化硅分子会在其晶核上一层一层慢慢地堆积，这种堆积会依照“三方晶系”的自然法则进行，经过几千几万年，甚至数千万年时间的累积，这些析出的二氧化硅分子就会长成一个一个的“水晶洞”。因为时间的漫长，并且由于堆积过程中往往会掺杂气泡、裂纹或其它化学物质，品相完美的水晶晶体少之又少，这是天然水晶显得珍贵的原因之一。

一个天然的水晶洞，因含有锰和铁元素而呈现紫色

当了解到水晶生成的原理后，聪明的人类也开始人工制造水晶。他们按照水晶自然生长的条件，用高温高压的反应釜人为营造同样的生长环境，然后注入饱和的高温二氧化硅溶液，使二氧化硅在事先设置的晶核上慢慢堆积。在人工条件下，由于溶液的饱和度及各方面条件能持续满足要求，水晶的生长速度可以达到每天0.8mm，通常只需要半年时间，就可以“堆”出100mm的水晶球原坯。即便人工生产水晶的速度比自然生长的水晶快百万倍、品质也好很多，但与制造玻璃相比，其各方面成本也要高出许多。

这是一只很有名的水晶天鹅，由人造水晶制成

除了在溶液里慢慢生长，我们能更快地生产出真正的水晶单晶吗？很遗憾，并不能。

即便是使用高纯度的石英砂做原料，我们也只能熔炼出100%的石英玻璃，而不是水晶。制作石英玻璃的方法通常是将石英材料或水晶废料加热到熔融温度，然后快速冷却到玻璃的固态相。由于这样得到的石英微观结构是一种由SiO?四面体结构单元组成的单纯非晶态网络，并且Si-O化学键能很大，结构很紧密，所以石英玻璃具有接近于水晶物理特性的独特性能。比如说它的硬度可达莫氏7级，具有耐1400℃高温、膨胀系数低、耐热震性、化学稳定性和电绝缘性能良好，并能透过紫外线和红外线。但从本质上说，石英玻璃属于玻璃态，它不是晶体。

作为一种天然宝石，完美的水晶具有稀缺性，因此它更多地被人们用来收藏或制成各种昂贵装饰品。相比之下，玻璃在经济与科学上的用途则要广泛得多，这也是玻璃在我们的生活中无处不在的原因之一。

无处不在的玻璃幕墙是城市现代化的象征

普通的玻璃可以用来制作门窗、制作锅碗瓶罐，经过特殊的处理后它还可以用来制作成各种交通工具的玻璃窗；铝硅酸盐玻璃可以用于制作灯泡、耐高温的温度计、化学试管；铅硅酸盐玻璃能阻挡X射线和γ射线；石英玻璃、高硅氧玻璃和硼硅酸盐玻璃可以用作光学材料、光纤甚至用做飞船的玻璃窗。这些都是昂贵的水晶所无法做到的。

国际空间站上一个用于地球观测的大玻璃窗此前经受住了太空垃圾的撞击，尽管被撞出了一个小坑，但这个由熔融石英/硅硼硅酸盐玻璃制作的直径80cm圆顶玻璃窗确保了空间站的安全。由此也证明了玻璃并不总是廉价和脆弱的。

国际空间站被撞击的观察窗玻璃