玻璃與水晶身價的問題是個商業問題，是個哲學問題，同時也是科學問題。歸根結底它還是個科學問題。

所以我們今天就從科學的角度來分析一下水晶究竟比玻璃貴在哪裡。

灰姑娘為什麼穿的是水晶鞋而不是玻璃鞋？

前幾天，我在《同樣是固體，為什麼玻璃透光而鋁不透光？》一文中簡單提到了水晶與玻璃的區别，結果引發許多朋友的大讨論。大家争論的焦點在于，同樣主要成分是二氧化矽，為什麼水晶是晶體而玻璃卻不是。

雖然主要成分同是二氧化矽，水晶的“基因”卻比玻璃要優良許多。

水晶完美地繼承了二氧化矽（SiO₂）的晶體結構，二氧化矽晶體是由1個Si與2個O組成的立體空間網狀結構，其中并沒有單個的SiO₂分子，這樣的結構相當于是4個O位于四面體的頂角上，四面體中心是一個Si；與此同時，每4個O近似共價鍵合到Si，滿足了Si的化合價外殼。如果每個O是兩個多面體的一部分，則O的化合價也被滿足。

二氧化矽的晶體結構

由于二氧化矽相鄰原子之間隻通過強大的共價鍵結合成為空間網狀結構，所以它是原子晶體。原子晶體中原子之間相互結合的共價鍵非常強，要打斷這些鍵而使晶體熔化必須消耗大量能量，所以原子晶體一般具有較高的熔點、沸點和硬度。我們前面說了，在二氧化矽的晶體結構中并沒有單個的SiO₂分子，它整個的晶體被視為是一個大的分子，所以二氧化矽晶體與鑽石一樣擁有相似的物理特性。

水晶是完美的二氧化矽晶體，一塊好的水晶晶體與擁有類似于鑽石那樣的物理特征：堅硬、耐磨、耐熱。

天然結晶水晶柱體

反觀玻璃則不同。雖說我們見到的大多數玻璃的主要成分也是二氧化矽，但為了降低成本、加工的方便以及滿足各種不同的應用需要，工廠會在其中加入各種各樣其它的物質。

比如鈉鈣玻璃，它除了SiO₂外，還包括Na2SiO3、CaSiO3或Na₂O·CaO·6SiO₂等物質，這種玻璃成本便宜、易成型、适合大規模生産，我們日常所見的窗戶玻璃、水杯、瓶瓶罐罐等等大約有90%都屬于這種，它又被稱為普通玻璃。

一個玻璃杯子

對于一些需要耐高溫的場合，在SiO₂原料中加入B2O3制成的硼矽酸鹽玻璃、以SiO₂和Al2O3為主要原料的鋁矽酸鹽玻璃等等都可以滿足相應的需求。

耐高溫玻璃制的鍋

由于絕大多數的玻璃其化學成分非常複雜，并且這些化學成分組合在一起的矽酸鹽複鹽是無規則結構的非晶态，所以它通常不具備水晶的晶體結構和物理特性。

你也許已經注意到了，有一種“石英玻璃”并不像其它玻璃那樣添加了其它的化學物質，它由純度很高的二氧化矽熔煉而成。為什麼我們稱之為玻璃而不是水晶呢？

這是因為石英玻璃盡管由純度很高的二氧化矽組成，但它的原子間并沒有形成水晶那樣的晶體結構，與水晶不同，石英玻璃是非晶體的“玻璃态”。

玻璃态的二氧化矽無序排列

水晶的晶體結構是因其生長過程決定的。

在自然界，除了遍地都是的矽砂外，還有一種自然長大的石英晶體。石英晶體的生長需要滿足苛刻的自然條件和漫長的歲月沉澱：在溫度高達550－600℃、壓力達到2 -3 倍大氣壓的地下溶洞裡，緩慢流淌着的地下水含有飽和的二氧化矽，當一部分二氧化矽小晶體“成核”析出時，高溫液體中遊離的二氧化矽分子會在其晶核上一層一層慢慢地堆積，這種堆積會依照“三方晶系”的自然法則進行，經過幾千幾萬年，甚至數千萬年時間的累積，這些析出的二氧化矽分子就會長成一個一個的“水晶洞”。因為時間的漫長，并且由于堆積過程中往往會摻雜氣泡、裂紋或其它化學物質，品相完美的水晶晶體少之又少，這是天然水晶顯得珍貴的原因之一。

一個天然的水晶洞，因含有錳和鐵元素而呈現紫色

當了解到水晶生成的原理後，聰明的人類也開始人工制造水晶。他們按照水晶自然生長的條件，用高溫高壓的反應釜人為營造同樣的生長環境，然後注入飽和的高溫二氧化矽溶液，使二氧化矽在事先設置的晶核上慢慢堆積。在人工條件下，由于溶液的飽和度及各方面條件能持續滿足要求，水晶的生長速度可以達到每天0.8mm，通常隻需要半年時間，就可以“堆”出100mm的水晶球原坯。即便人工生産水晶的速度比自然生長的水晶快百萬倍、品質也好很多，但與制造玻璃相比，其各方面成本也要高出許多。

這是一隻很有名的水晶天鵝，由人造水晶制成

除了在溶液裡慢慢生長，我們能更快地生産出真正的水晶單晶嗎？很遺憾，并不能。

即便是使用高純度的石英砂做原料，我們也隻能熔煉出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廢料加熱到熔融溫度，然後快速冷卻到玻璃的固态相。由于這樣得到的石英微觀結構是一種由SiO₂四面體結構單元組成的單純非晶态網絡，并且Si-O化學鍵能很大，結構很緊密，所以石英玻璃具有接近于水晶物理特性的獨特性能。比如說它的硬度可達莫氏7級，具有耐1400℃高溫、膨脹系數低、耐熱震性、化學穩定性和電絕緣性能良好，并能透過紫外線和紅外線。但從本質上說，石英玻璃屬于玻璃态，它不是晶體。

作為一種天然寶石，完美的水晶具有稀缺性，因此它更多地被人們用來收藏或制成各種昂貴裝飾品。相比之下，玻璃在經濟與科學上的用途則要廣泛得多，這也是玻璃在我們的生活中無處不在的原因之一。

無處不在的玻璃幕牆是城市現代化的象征

普通的玻璃可以用來制作門窗、制作鍋碗瓶罐，經過特殊的處理後它還可以用來制作成各種交通工具的玻璃窗； 鋁矽酸鹽玻璃可以用于制作燈泡、耐高溫的溫度計、化學試管；鉛矽酸鹽玻璃能阻擋X射線和γ射線；石英玻璃、高矽氧玻璃和硼矽酸鹽玻璃可以用作光學材料、光纖甚至用做飛船的玻璃窗。這些都是昂貴的水晶所無法做到的。

國際空間站上一個用于地球觀測的大玻璃窗此前經受住了太空垃圾的撞擊，盡管被撞出了一個小坑，但這個由熔融石英/矽硼矽酸鹽玻璃制作的直徑80cm圓頂玻璃窗确保了空間站的安全。由此也證明了玻璃并不總是廉價和脆弱的。

國際空間站被撞擊的觀察窗玻璃

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