无机材料科学基础-24常见硅酸盐的晶体结构
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硅酸盐晶体结构
物理性质: 呈不同色调的绿色，翠绿色的亚种 称祖母绿(emerald)，蔚蓝色的亚种称海蓝宝石 (aquamarine)，玻璃光泽，硬度7.5~8, 比重 2.66~2.83。
鉴定特征: 以其六方柱状形态和柱面上具纵为 特征。
层状结构硅酸盐
翡翠（jadeite）， 也称翡翠玉、翠玉、缅甸玉，是 玉的一种。 翡翠的正确定义是以硬玉矿物为主的辉石类矿物组 成的纤维状集合体。但是翡翠并不等于硬玉。翡翠 是在地质作用下形成的达到玉级的石质多晶集合体， 主要由硬玉或硬玉及钠质（钠铬辉石）、钠钙质辉 石（绿辉石）组成，可含有角闪石、长石、铬铁矿、 褐铁矿等。
岛状结构硅酸盐
橄榄石 化学组成: Olivine (Mg, Fe)2[SiO4]
结金构属阳特点离子:正M交g2+晶Fe系2+连；接晶起体来结。构氧表离现子为近[S似iO成4]4六-由方 紧密堆积，八面体空隙被二价阳离子占据。
物理性质: 灰橄榄绿色；玻璃光泽。硬度6~7，比 重随成分不同而变化大。
3、链状硅氧骨干
硅氧四面体彼此之间共用两个角顶构成延伸 的单链[Si2O6]4-
硅氧四面体部分共用两个角顶，部分共用三 个角顶相互联接构成延伸的双链[Si4O11]6-
4、层状硅氧骨干
硅氧四面体共用三个角顶构成二向延展 的平面层状[Si4O10]4-
架状硅氧骨干
这种络阴离子可用通式 [(AlxSin-x)O2n]x-表示
概述
1．硅酸盐结构特点与分类 硅酸盐是数量极大的一类无机物。硅酸盐晶体可以按硅（铝）氧骨干的形式 分成岛状结构、环状结构、链状结构、层状结构和架状结构。
2. 硅酸盐化学式表示法： 1）用氧化物表示 如钾长石可写成K2O•Al2O3•6SiO2;高岭石可写为： Al2O3•2SiO2•2H2O 2)用无机配合物的形式表示 如钾长石可写成KAlSi3O8; 高岭石可写为： Al4[Si4O10](OH)8
《硅酸盐晶体结构》PPT课件
1 ：2
镁橄榄石 Mg2[SiO4] 镁铝石榴石 Al2Mg3[SiO4]3 硅钙石 Ca3[Si2O7] 蓝锥矿 BaTi[Si3O9] 斧石
Ca2Al2(Fe,Mn)BO3[Si4O12](OH) 绿宝石 Be3Al2[Si6O18] 透辉石 CaMg[Si2O6] 透闪石 Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2 滑石 Mg3[Si4O10](OH)2 石英 SiO2 钾长石 K[AlSi3O8] 方钠石 Na[AlSiO4] 4/3H2O
三、组群状结构
2个、3个、4个或6个[SiO4] 通过共用氧相连接形成单独硅 氧络阴离子团（有限硅氧四面体群），它们之间再通过其它金 属离子连接。
（1）桥氧（或公共氧、非活性氧）：有限四面体群中连 接两个Si4+的氧，其电价已饱和，一般不再与其它正离子配位
（2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+
属斜方晶系，空间群Pbnm
晶胞参数 a=0.476nm，b=1.021nm，c=0.599nm
晶胞分子数 Z=4
O2-近似于六方最紧密堆积排列（即ABAB……层 序堆积），Si4+填充1/8四面体空隙；Mg2+填充1/2八面 体空隙
（a） （100）
面上的 投影图
（c） 立体 侧视图
（b）（001）面上的投影图
硅酸盐晶体结构特点：
• 基本结构单元：[SiO4]四面体。Si－O－Si键为夹角不 等折线，一般145o左右；
• [SiO4] 每个顶点，即O2-最多为两个[SiO4] 所共用； • 两相邻[SiO4] 之间只能共顶而不能共棱或共面连接； • [SiO4] 中心Si4+可部分被Al3+ 所取代。
硅酸盐晶体分类方法：
镁橄榄石 Mg2[SiO4] 镁铝石榴石 Al2Mg3[SiO4]3 硅钙石 Ca3[Si2O7] 蓝锥矿 BaTi[Si3O9] 斧石
Ca2Al2(Fe,Mn)BO3[Si4O12](OH) 绿宝石 Be3Al2[Si6O18] 透辉石 CaMg[Si2O6] 透闪石 Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2 滑石 Mg3[Si4O10](OH)2 石英 SiO2 钾长石 K[AlSi3O8] 方钠石 Na[AlSiO4] 4/3H2O
三、组群状结构
2个、3个、4个或6个[SiO4] 通过共用氧相连接形成单独硅 氧络阴离子团（有限硅氧四面体群），它们之间再通过其它金 属离子连接。
（1）桥氧（或公共氧、非活性氧）：有限四面体群中连 接两个Si4+的氧，其电价已饱和，一般不再与其它正离子配位
（2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+
属斜方晶系，空间群Pbnm
晶胞参数 a=0.476nm，b=1.021nm，c=0.599nm
晶胞分子数 Z=4
O2-近似于六方最紧密堆积排列（即ABAB……层 序堆积），Si4+填充1/8四面体空隙；Mg2+填充1/2八面 体空隙
（a） （100）
面上的 投影图
（c） 立体 侧视图
（b）（001）面上的投影图
硅酸盐晶体结构特点：
• 基本结构单元：[SiO4]四面体。Si－O－Si键为夹角不 等折线，一般145o左右；
• [SiO4] 每个顶点，即O2-最多为两个[SiO4] 所共用； • 两相邻[SiO4] 之间只能共顶而不能共棱或共面连接； • [SiO4] 中心Si4+可部分被Al3+ 所取代。
硅酸盐晶体分类方法：
硅酸盐晶体结构
▲▲
如果八面体以共棱方式相连，但O2被3个正离子所共用，这种八面体称为三
八面体，即 全部八面体空隙都被正离
子填充，[MgO6] 就属此种情况。
材料科学基础
• 不管是二八面体还是三八面体，八面
体层网络中仍有一些O2-不能与Si4+配位 （活性氧），因而剩余电价就要由H+来 平衡，所以层状结构中都有OH-出现。
五、层状矿物
层状结构是[SiO4]之间通过三个桥氧相 连，在二维平面无限延伸构成的硅氧四面 体层。
结构基元：[Si4O10]4－ 化学式：[Si4O10]n4n－ Si/O： 4：10 共用O2－数： 3
（a）立体图
（b）投影图
层状结构硅氧四面体
层的类型：
按照硅氧层中活性氧的空间取向不同，硅氧
第二节 硅酸盐晶体结构
一、概述 1、硅酸盐晶体化学式的写法
氧化物法：将所用氧化物由低价到高价按比例写 出，（最后写H2O） 无机络盐法：低价离子→高价离子→氧→(OH)基
Mg2[SiO4]
2、硅酸盐晶体结构的特点
1）[SiO4]是硅酸盐晶体结构的基础；
2）硅酸盐结构中的Si4＋之间不存在直接的键，
通过金属正离子连接，最常见的是Mg2+和Ca2。
角闪石类硅酸盐含有双链[Si4O11]，如斜方角
闪石（Mg，Fe）7[Si4O11]2（OH）2和透闪石
Ca2Mg5[Si4O11]2（OH）2等。
例：透辉石， CaMg[Si2O6]
结构与性质的关系：
介电性 解理性Si-O键要比M-O键要强
石英 磷石英 方石英 熔体
870 C 1470 C 1723 C
硅酸盐晶体结构讲解
13
结构与性质的关系：
结构中每个O2-离子同时和1个[SiO4]和3个[MgO6] 相连接，因此，O2-的电价是饱和的，晶体结构稳定。 由于Mg-O键和Si-O键都比较强，所以，镁橄榄 石表现出较高的硬度，熔点达到1890℃，是镁质耐火 材料的主要矿物。 由于结构中各个方向上键力分布比较均匀，所以， 橄榄石结构没有明显的解理，破碎后呈现粒状。
结构和性质上特征等
2
一、硅酸盐晶体的组成表征、结构特点及分类
在地壳中形成矿物时，由于成矿的环境不可能十分 纯净，矿物组成中常含有其它元素，加之硅酸盐晶体中的 正负离子都可以被其它离子部分或全部地取代，这就使得 硅酸盐晶体的化学组成甚为复杂。因此，在表征硅酸盐晶 体的化学式时，通常有两种方法：一种是所谓的氧化物方 法，另一种是无机络盐表示法。
14
三、组群状结构
组群状结构是2个、3个、4个或6个[SiO4]四面体通过 共用氧相连接形成单独的硅氧络阴离子团，如图1-33所示。 硅氧络阴离子团之间再通过其它金属离子连接起来，所以， 组群状结构也称为孤立的有限硅氧四面体群。
有限四面体群中连接两个Si4+离子的氧称为桥氧，由 于这种氧的电价已经饱和，一般不再与其它正离子再配位， 故桥氧亦称为非活性氧。相对地只有一侧与Si4+离子相连 接的氧称为非桥氧或活性氧。
第二章 晶体结构(Structure of Crystal)
§２.1 结晶学基础知识
§２.2 晶体中质点的堆积 §２.3 单质晶体结构 §２.4 决定离子晶体结构的基本因素 §２.5 无机化合物结构 §２.6 硅酸盐晶体结构
1
§2.6 硅酸盐晶体结构
铝: 7.45 wt% 硅: 26.0wt% 氧: 49.130wt % 地壳中的优势矿物为硅酸盐和铝硅酸盐 基本结构单元的构造 基本结构单元之间的连接
结构与性质的关系：
结构中每个O2-离子同时和1个[SiO4]和3个[MgO6] 相连接，因此，O2-的电价是饱和的，晶体结构稳定。 由于Mg-O键和Si-O键都比较强，所以，镁橄榄 石表现出较高的硬度，熔点达到1890℃，是镁质耐火 材料的主要矿物。 由于结构中各个方向上键力分布比较均匀，所以， 橄榄石结构没有明显的解理，破碎后呈现粒状。
结构和性质上特征等
2
一、硅酸盐晶体的组成表征、结构特点及分类
在地壳中形成矿物时，由于成矿的环境不可能十分 纯净，矿物组成中常含有其它元素，加之硅酸盐晶体中的 正负离子都可以被其它离子部分或全部地取代，这就使得 硅酸盐晶体的化学组成甚为复杂。因此，在表征硅酸盐晶 体的化学式时，通常有两种方法：一种是所谓的氧化物方 法，另一种是无机络盐表示法。
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三、组群状结构
组群状结构是2个、3个、4个或6个[SiO4]四面体通过 共用氧相连接形成单独的硅氧络阴离子团，如图1-33所示。 硅氧络阴离子团之间再通过其它金属离子连接起来，所以， 组群状结构也称为孤立的有限硅氧四面体群。
有限四面体群中连接两个Si4+离子的氧称为桥氧，由 于这种氧的电价已经饱和，一般不再与其它正离子再配位， 故桥氧亦称为非活性氧。相对地只有一侧与Si4+离子相连 接的氧称为非桥氧或活性氧。
第二章 晶体结构(Structure of Crystal)
§２.1 结晶学基础知识
§２.2 晶体中质点的堆积 §２.3 单质晶体结构 §２.4 决定离子晶体结构的基本因素 §２.5 无机化合物结构 §２.6 硅酸盐晶体结构
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§2.6 硅酸盐晶体结构
铝: 7.45 wt% 硅: 26.0wt% 氧: 49.130wt % 地壳中的优势矿物为硅酸盐和铝硅酸盐 基本结构单元的构造 基本结构单元之间的连接
硅酸盐晶体的结构特点
硅酸盐晶体的结构特点
硅酸盐晶体是由硅、氧和金属元素构成的化合物，其结构特点包括：
1. 硅氧四面体：硅酸盐的基本结构单元是硅氧四面体，其中硅原子居中心，与四个氧原子形成化学键，而氧原子位于顶角。
2. 晶体结构：硅酸盐晶体多数具有金属阳离子与硅、氧离子结合的空间结构，形成了规则的晶体结构。
不同的阳离子会诱导不同的晶体结构，产生特定的光学和电学性能。
3. 多种硅氧比：在硅酸盐中，硅与氧的原子个数比(硅氧比)可以变化很大，这导致晶体结构的变化，从而影响其物理化学性质。
4. 复杂的连接方式：硅酸盐晶体中，硅氧四面体可以通过顶角共享的方式连接成复杂的网络。
不同连接方式会形成不同的晶体结构，进一步影响其物理化学性质。
5. 离子性：硅酸盐晶体的离子性较强，这与其结构中存在的离子键有关。
【精品】硅酸盐晶体结构
目的要求：1.了解固体中各类结合键的特性，明确键性与晶体结构的关系及其对固体性质的影响。
2.掌握最紧密堆积原理（等径球体）和两种堆积方式（六方、立方）及其晶胞特点。
3.掌握晶胞、离子半径、配位数、配位多面体、离子极化等概念。
4.能理解当正离子极化力不强，负离子的极化性不大时，负离子多面体的形状主要由正离子半径和负离子半径之比来决定。
5.能理解CsCl、NaCl、立方ZnS、CaF2、CaCO3的晶体结构。
6.理解鲍林规则的内容，并能分析不复杂的离子化合物晶体结构符合鲍林规则各条规则。
7.明确硅酸盐矿物的分类依据及各类结构（岛状、组群状、链状、层状、架状）的特征，清楚几种典型矿物（镁橄榄石、高岭石、蒙脱石、石英）结构特点及对性质的影响。
重点：最紧密堆积原理、晶胞、离子半径、配位数、配位多面体、离子极化、鲍林规则典型离子晶体、硅酸盐晶体的结构难点：典型离子晶体结构、硅酸盐晶体的结构的特点1.晶体：如立方体岩盐，菱面体天然菱镁矿(单晶：晶体慢慢冷却形成)非晶体：玻璃、松香、沥青等（无定形）(玻璃：SiO2原料熔化，急冷形成)有的物质如石英SiO2，可成为晶体亦可成为非晶体性质与结构紧密相关，如何区分晶体与非晶体?①各向异性晶体对光、电、磁、热以及抵抗机械和化学作用在各个方向上是不一样的。
晶体的各向异性是区别于物质其它状态最本质性质。
②固定熔点晶体在熔化时必须吸收一定的熔融热才能转变为液态(同样在凝固时放出同样大小的结晶热)，随时间的延长，温度升高，当晶体开始熔解，温度停止上升，此时所加的热量，用于破坏晶体的格子构造，直到晶体完全熔解，温度才开始继续升高③稳定性晶体能长期保持其固有状态而不转变成其它状态。
这是晶体具有最低内能决定的，内能小，晶体内的质点规律排列，这是质点间的引力斥力达到平衡，结果内能最小，质点在平衡位置振动，没有外加能量，晶体格子构造不破坏，就不能自发转变为其它状态，处于最稳定状态，而非晶体就不稳定，如玻璃有自发析晶（失透）倾向。
2-2硅酸盐晶体结构
无机材料科学基础
一、硅酸盐晶体的一般特点及分类
硅酸盐结构的一般特点:
r （1）据鲍林第一规则，si /rO =0.041/0.140=0.293 ，Si4＋的配位数为 4，形成[SiO 4]四面体。Si－O之间的平均距离为0.160nm， 此值小于硅氧离子半径之和0.181nm，说明硅氧键并非简单 的离子键，尚含有相当成分的共价键，一般认为，离子键和 共价键各占50％。Si4＋之间不直接相连，而必须通过O2－相 连。
表 硅酸盐晶体结构分类
Si:O 公用氧 硅氧骨干 类型 例子
无机材料科学基础
1:4
0
[SiO4]4[Si2O7]6[Si3O9]6[Si4O12]8-
孤岛状
1:3.5 1
1:3 2 2
有 双四面体 限 硅 三元环 氧 四元环 基 团
镁橄榄石Mg2[SiO4] 硅钙石Ca3[Si2O7]
蓝锥矿BaTi[Si3O9] 斧石 Ca2Al2(Fe,Mn)BO3[Si4O12](OH) 绿宝石Be3Al2[Si6O18]
其它同类型晶体：蓝晶石Al2O3· 2、莫来石 SiO
3Al2O3· 2以及水泥熟料中的-C2S、-C2S和C3S等。 2SiO
无机材料科学基础
橄榄石
• 自然界中，橄榄石（Peridot或 Olivine）因具有橄榄绿色而得名， 以酷似祖母绿色者最佳，次为浓绿 色和黄绿色，为八月诞辰石，产于 河北，吉林。
Neo-: from Greek Means:island
无机材料科学基础
（1）镁橄榄石（Mg2SiO4）（Olivine）
• 基本特征：斜方晶系，Pbnm空间群。晶格常数 a=0.467nm,b=1.020nm,c=0.598nm,每个晶胞中有4 个“分子”，故可以写成Mg8Si4O16。 • 按鲍林第一规则: r /r =0.041/0.140=0.293 • 所以Si4＋的配位数为4，形成[SiO4]四面 rMg 体； /rO =0.065/0.140=0.464 ，所以Mg2＋的配位数为 6，形成[MgO6]八面体。 • 按鲍林第三规则，[SiO4]四面体应该孤立存在， 而[MgO6]八面体可以共棱。
1.3 硅酸盐晶体结构
2. 结构式：以结构单元为主体，先与硅氧 团相连的金属离子、后硅氧团，之后写结 构水、层间水(
高岭土
·)
K[ AlSi3O8 ]
【Eg.】 钾长石
Al2 [Si2O5 ](OH )4
多水高岭土 Al2 [Si2O5 ](OH )4 nH 2O
硅酸盐矿物中的水分子
1.吸附水：中性水分子，不参与晶体结构， 物理吸附于矿物颗粒表面/缝隙，含量不固 定，100 ℃以上逸出
硅酸盐化学式表示方法：
1. 氧化物式：先低价、后高价，SiO2在最 后，之后写结构水、层间水(＋) 【Eg.】 钾长石
K2O Al2O3 6SiO2
高岭土
Al2O3 2SiO2 2H 2O
多水高岭土
Al2O3 2SiO2 2H 2O nH 2O
硅酸盐化学式表示方法：
1：1型（单网层）：一层四面 体层和一层八面体层相连 2：1型（复网 层）：两层四面 体层中间夹一层 八面体层相连
二八面体和三八面体
非桥氧和Al3＋、Mg2＋等阳离子相连构成八面 体（4个O、2个OH构成）
二八面体：八面体空隙2/3被金属离子填满/八面体
共棱相连，O2－被两个金属阳离子共用
三八面体：八面体空隙全被金属离子填满/八面体
存在。处于硅酸盐结构中的正离子起双重
作用：
(1)、保证电中性
(2)、以离子键间接连接阴离子团
[SiO4]孤立
Mg2＋形成 [MgO6]连接 [SiO4]单元
岛状结构: 镁橄榄石
16
B、环状硅酸盐
环状，共用2顶：
三节环（三元 环、三方环）
[Si3O9 ]6 －
四节环
[Si4O12]8－
六节环
高岭土
·)
K[ AlSi3O8 ]
【Eg.】 钾长石
Al2 [Si2O5 ](OH )4
多水高岭土 Al2 [Si2O5 ](OH )4 nH 2O
硅酸盐矿物中的水分子
1.吸附水：中性水分子，不参与晶体结构， 物理吸附于矿物颗粒表面/缝隙，含量不固 定，100 ℃以上逸出
硅酸盐化学式表示方法：
1. 氧化物式：先低价、后高价，SiO2在最 后，之后写结构水、层间水(＋) 【Eg.】 钾长石
K2O Al2O3 6SiO2
高岭土
Al2O3 2SiO2 2H 2O
多水高岭土
Al2O3 2SiO2 2H 2O nH 2O
硅酸盐化学式表示方法：
1：1型（单网层）：一层四面 体层和一层八面体层相连 2：1型（复网 层）：两层四面 体层中间夹一层 八面体层相连
二八面体和三八面体
非桥氧和Al3＋、Mg2＋等阳离子相连构成八面 体（4个O、2个OH构成）
二八面体：八面体空隙2/3被金属离子填满/八面体
共棱相连，O2－被两个金属阳离子共用
三八面体：八面体空隙全被金属离子填满/八面体
存在。处于硅酸盐结构中的正离子起双重
作用：
(1)、保证电中性
(2)、以离子键间接连接阴离子团
[SiO4]孤立
Mg2＋形成 [MgO6]连接 [SiO4]单元
岛状结构: 镁橄榄石
16
B、环状硅酸盐
环状，共用2顶：
三节环（三元 环、三方环）
[Si3O9 ]6 －
四节环
[Si4O12]8－
六节环
硅酸盐晶体结构的基本特点
硅酸盐晶体结构的基本特点嘿，大家好啊！今天咱来聊聊这个听起来有点高大上的“硅酸盐晶体结构的基本特点”。
你们想想哈，这硅酸盐晶体结构啊，就像是一个超级有组织、有纪律的大家庭。
每个成员都有自己特定的位置和作用呢！这些小家伙们排列得那叫一个整齐有序，就跟阅兵式上的士兵似的。
先说说它的一个特点——四面体结构。
哎呀呀，这就像是搭积木一样，硅原子和氧原子凑在一起，就组成了一个个四面体形状。
这四面体啊，稳定又可靠，就像家里的顶梁柱一样。
还有哦，它们还喜欢玩“抱团”游戏呢！这些四面体可以通过共用顶点呀、边呀啥的连接起来，组成各种复杂又奇妙的结构。
就好比大家手牵手，形成了一个团结友爱的大集体。
这硅酸盐晶体结构还有个特点，就是它的多样性。
哇，那真的是让人眼花缭乱呀！就像一个大杂烩，什么样的结构都有。
有的像钻石一样闪亮，有的像棉花糖一样柔软，真是无奇不有。
而且啊，它们还特别“固执”呢！一旦形成了某种结构，就不太容易改变。
就像有些人的脾气，一旦拗起来，九头牛都拉不回来。
不过这也说明它们很稳定嘛，可靠着呢！我跟你们说，了解了这些硅酸盐晶体结构的特点，就感觉像是打开了一个新世界的大门。
以前看到那些奇奇怪怪的矿物质，都不知道从哪儿下手去理解它们。
现在好了，知道了它们的结构特点，就好像找到了一把钥匙，能解开这些矿物质的秘密。
咱在生活中不也经常会遇到各种结构嘛，想想那些高楼大厦，不也是由各种材料按照一定的结构搭建起来的嘛。
所以说啊，这硅酸盐晶体结构的基本特点，不仅仅是在科学领域有用，在咱日常生活里也能找到影子呢！总之，这硅酸盐晶体结构的特点啊，真是有趣又神奇。
让我这个好奇宝宝越研究越觉得有意思呢！你们觉得呢？是不是也对这个神秘的领域充满了好奇呀！。
无机材料科学基础-之-硅酸盐的晶体结构
整理ppt
10
[ SiO4]4－ 共 三个顶点相联， 可形成片状（层 状）结构，层与 层之间通过阳离 子约束，
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11
第二节 硅酸盐晶体结构
一、岛状结构 1）岛状结构的特点 所谓岛状结构硅酸盐晶体是指结构中的硅
氧四面体以孤立状态存在。 硅氧四面体之间没有共用的氧。 硅氧四面体中的氧离子，除了和硅离子相连外，
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22
硅氧四面体组群状结构包括：双四面 体、三节环、四节环和六节环，如下：
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23
2）绿宝石(绿 柱石)
绿宝石的化 学式是
Be3A12(Si6018)。 其晶体结构属于 六方晶系；空间 群为P6∕mcc
ao=0.921nm co=0.917nm Z＝2。
（001）面投影图
115
35
类型，分为：岛状、组群状、链状、层状和架状。
硅酸盐晶体种类归纳于下表。
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7
硅酸盐晶体的结构类型
斧石Ca Al (Fe,Mn)BO [Si O ](OH)
22
3 4 12
8
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8
不同的结构在组成上得到反映，可以用 O/Si比值来表征。
当O/Si=4时，[SiO4]完全孤立存在，通过其 他离子配位多面体连接形成硅酸盐晶体；
145°
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5
(6)在硅酸盐晶体 中，对于每个硅氧 四面体之中的氧， 又可分为桥氧和非 桥氧。
桥氧、非活性氧： 两个[SiO4]四面体 之间共用的氧离子。
非桥氧、活性氧、 自由氧：只与一个 [SiO4]四面体中的 Si4+配位的氧。
非桥氧、活性 氧、自由氧
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桥氧、非活 性氧
硅酸盐晶体结构
• 结构和性能的关系： • 镁橄榄石结构紧密，静电键也很强，硬度较高，
结构稳定，熔点高达1800℃，是一类重要的耐火材料。 同时在各个方向上结合力分布差异不大，所以没有显 著的解理，常呈粒状。
示意图
无机材料科学基础
50
OH 0 100
OH 50
OH 0
50
13
50
50 75
50
镁橄榄石在（100）面投影
• 按鲍林第一规则: rsi4+ /rO2- =0.041/0.140=0.293 • 所以Si4＋的配位数为4，形成[SiO4]四面
体；rMg2+ /rO2- =0.065/0.140=0.464 ，所以Mg2＋的配位数为 6，形成[MgO6]八面体。 • 按鲍林第三规则，[SiO4]四面体应该孤立存在， 而[MgO6]八面体可以共棱。
75 Al 50
0 50 13
50
镁橄榄石结构中的同晶取代：
无机材料科学基础
➢ 镁橄榄石中的Mg2+可以被Fe2+以任意比例取代，形成铁 橄榄石（FexMg1-x）SiO4固溶体。
➢ 部分Mg2+被Ca2+取代，则形成钙橄榄石CaMgS水iO泥4。的主要 ➢ 如果Mg2+全部被Ca2+取代，则形成-Ca2SiO4组，成即矿-物C2S之，一
无机材料科学基础
一、硅酸盐晶体的一般特点及分类
硅酸盐结构的一般特点:
（1）据鲍林第一规则，r si
4+
/rO2-
=0.041/0.140=0.293，Si4＋的配位数为
4，形成[SiO4]四面体。Si－O之间的平均距离为0.160nm，
此值小于硅氧离子半径之和0.181nm，说明硅氧键并非简单
结构稳定，熔点高达1800℃，是一类重要的耐火材料。 同时在各个方向上结合力分布差异不大，所以没有显 著的解理，常呈粒状。
示意图
无机材料科学基础
50
OH 0 100
OH 50
OH 0
50
13
50
50 75
50
镁橄榄石在（100）面投影
• 按鲍林第一规则: rsi4+ /rO2- =0.041/0.140=0.293 • 所以Si4＋的配位数为4，形成[SiO4]四面
体；rMg2+ /rO2- =0.065/0.140=0.464 ，所以Mg2＋的配位数为 6，形成[MgO6]八面体。 • 按鲍林第三规则，[SiO4]四面体应该孤立存在， 而[MgO6]八面体可以共棱。
75 Al 50
0 50 13
50
镁橄榄石结构中的同晶取代：
无机材料科学基础
➢ 镁橄榄石中的Mg2+可以被Fe2+以任意比例取代，形成铁 橄榄石（FexMg1-x）SiO4固溶体。
➢ 部分Mg2+被Ca2+取代，则形成钙橄榄石CaMgS水iO泥4。的主要 ➢ 如果Mg2+全部被Ca2+取代，则形成-Ca2SiO4组，成即矿-物C2S之，一
无机材料科学基础
一、硅酸盐晶体的一般特点及分类
硅酸盐结构的一般特点:
（1）据鲍林第一规则，r si
4+
/rO2-
=0.041/0.140=0.293，Si4＋的配位数为
4，形成[SiO4]四面体。Si－O之间的平均距离为0.160nm，
此值小于硅氧离子半径之和0.181nm，说明硅氧键并非简单
2 《材料科学基础》第二章 晶体结构(下)
思考题
Ca2+：000，½ ½ 0，½ 0 ½ ，0 ½ ½ F
-
：¼ ¼ ¼, ¾ ¾ ¼, ¾ ¼ ¾, ¼ ¾ ¾, ¾ ¾ ¾, ¼ ¼ ¾, ¼ ¾ ¼, ¾ ¼ ¼
思考题：
据晶体结构简要解释:
•为什么CaF2比NaCl容易形成弗仑克尔缺陷？
•为什么萤石结构中一般存在着负离子扩散机制？
了解
Al3+的分布原则符合鲍林规则：在同一层
和层与层之间， Al3+之间的距离应保持
最远。
空隙
α－Al2O3中的氧与铝的排列次序可写成： OAAlDOBAlEOAAlFOBAlDOAAlEOBAlFOAAlD……6层一个周期
Al3+的CN＝6， Z=
O2-的CN＝ 4
2
属于刚玉型结构的晶体：
• 硅酸盐结构的特点：
2/3八面体间隙(A、B) 1/2八面体间隙(A) l/8四面体间隙(B) 全部立方体中心 1/2立方体中心
尖晶石
反尖晶石 纤锌矿 砷化镍 刚 玉 钛铁矿 橄榄石 氯化铯 萤 石 硅石型
二、硅酸盐晶体结构
1. 岛状结构
2. 组群状结构
3. 链状结构 4. 层状结构 5. 架状结构
•硅酸盐晶体的组成表征:
4：6：4AB2O4
4：6：4B（AB）O4 4：4MO 6：6MO 6：4M2O3 6：6：4ABO3 6：4：4A2BO4 8：8MO 8：4MO2 4：2MO2
1/8四面体间隙(A) 1/2八面体间隙(B) 1/8四面体间隙(B) 1/2八面体间隙(A、B) 1/2四面体间隙 全部八面体间隙 2/3八面体间隙
8
性质：硬度最高、极好的导热性、具半导体性能 与其结构相同的有硅、锗、灰锡、合成立方氮化硼等
《硅酸盐晶体结构》
第三节 硅酸盐晶体结构
LOGO
❖自然矿物是制造所有陶瓷材料的重要原料 ❖地壳中最丰富的两种元素：硅和氧 ❖硅酸盐占所有矿物的1/3以上
❖研究硅酸盐矿物结构 必要性！
1、无机硅酸盐的结构单元
―――硅氧四面体[SiO4]4－ (1) 硅原子的外层电子结构
Si 1S22S22P63S23P2――3s电 子移至3p轨道形成四个等价的SP3杂化轨道
❖二八面体：八面体空隙2/3被金属离子填满/八面体
共棱相连，O2－被两个金属阳离子共用
❖三八面体：八面体空隙全被金属离子填满/八面体
共棱相连，O2－被三个金属阳离子共用
二八面体：Al－O八面体
八面体Al3+ CN=6， 与Al相键合的每个价 键S=3/6=1/2
A、岛状硅酸盐
（1）无连接： 单岛状结构，[SiO4]4－ （2）共用一顶： 双岛状结构，[Si2O7]6－
在岛状结构硅酸盐中，硅氧四面体相 互不连接而各自孤立，以阴离子团的形式 存在。处于硅酸盐结构中的正离子起双重 作用：
(1)、保证电中性 (2)、以离子键间接连接阴离子团
[SiO4]孤 立
(2) 常见无机硅酸盐的结构形式
硅酸盐 硅氧四面体 Si/O比
a、岛状：不共顶
1：4
双岛状：共用1顶
2：7
b.双岛状、环状→
b组、群环状状：（共共用用2顶1顶或2顶） 1：3
c、单链状：共用2顶
1：3
双链状：平均共2个半顶 4：11
d、层状：共用3顶
4：10
e、网状（架）：共用4顶 1：2
Si/O比↑
合较强的Si-O共价键，不易断裂；链间 M-O键合相对较弱，易断裂
因此在受外力作用时，沿链间 一定角度解理为柱体或纤维
LOGO
❖自然矿物是制造所有陶瓷材料的重要原料 ❖地壳中最丰富的两种元素：硅和氧 ❖硅酸盐占所有矿物的1/3以上
❖研究硅酸盐矿物结构 必要性！
1、无机硅酸盐的结构单元
―――硅氧四面体[SiO4]4－ (1) 硅原子的外层电子结构
Si 1S22S22P63S23P2――3s电 子移至3p轨道形成四个等价的SP3杂化轨道
❖二八面体：八面体空隙2/3被金属离子填满/八面体
共棱相连，O2－被两个金属阳离子共用
❖三八面体：八面体空隙全被金属离子填满/八面体
共棱相连，O2－被三个金属阳离子共用
二八面体：Al－O八面体
八面体Al3+ CN=6， 与Al相键合的每个价 键S=3/6=1/2
A、岛状硅酸盐
（1）无连接： 单岛状结构，[SiO4]4－ （2）共用一顶： 双岛状结构，[Si2O7]6－
在岛状结构硅酸盐中，硅氧四面体相 互不连接而各自孤立，以阴离子团的形式 存在。处于硅酸盐结构中的正离子起双重 作用：
(1)、保证电中性 (2)、以离子键间接连接阴离子团
[SiO4]孤 立
(2) 常见无机硅酸盐的结构形式
硅酸盐 硅氧四面体 Si/O比
a、岛状：不共顶
1：4
双岛状：共用1顶
2：7
b.双岛状、环状→
b组、群环状状：（共共用用2顶1顶或2顶） 1：3
c、单链状：共用2顶
1：3
双链状：平均共2个半顶 4：11
d、层状：共用3顶
4：10
e、网状（架）：共用4顶 1：2
Si/O比↑
合较强的Si-O共价键，不易断裂；链间 M-O键合相对较弱，易断裂
因此在受外力作用时，沿链间 一定角度解理为柱体或纤维
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六节环 单链 双链 平面层
骨架
络阴离子
[SiO4]4-
[Si2O7]6[Si3O9]6[Si4O12]8-
[Si6O18]12[Si2O6]4[Si4O11]6[Si4O10]4[SiO2]0 [AlSi3O8]1[AlSiO4]1-
Si/O
实例
1 ：4
2 ：7 1 ：3 1 ：3
1 ：3 1 ：3 4 ：11 4 ：10
绿宝石Be3Al2[Si6O18]结构
六方晶系，空间群P6/mcc，
晶胞参数：a=0.921nm，c=0.917nm 晶胞分子数Z=2，如图1-34。
基本结构单元是由6个[SiO4] 组成六节环，其中1 个Si4+和2个O2-处在同一高度，环与环相叠。
➢ 粗黑线六节环在上， 标高100，细黑线六 节环在下，标高50
2个、3个、4个或6个[SiO4] 通过共用氧相连接形成单独硅 氧络阴离子团（有限硅氧四面体群），它们之间再通过其它金 属离子连接。
（1）桥氧（或公共氧、非活性氧）：有限四面体群中连 接两个Si4+的氧，其电价已饱和，一般不再与其它正离子配位
（2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+ 相连接的氧
1 ：2
镁橄榄石 Mg2[SiO4] 镁铝石榴石 Al2Mg3[SiO4]3 硅钙石 Ca3[Si2O7] 蓝锥矿 BaTi[Si3O9] 斧石
Ca2Al2(Fe,Mn)BO3[Si4O12](OH) 绿宝石 Be3Al2[Si6O18] 透辉石 CaMg[Si2O6] 透闪石 Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2 滑石 Mg3[Si4O10](OH)2 石英 SiO2 钾长石 K[AlSi3O8] 方钠石 Na[AlSiO4] 4/3H2O
镁橄榄石结构与性质的关系
（1）结构中每个O2-同时和1个[SiO4]和3个 [MgO6]相连接，其电价饱和，晶体结构稳定；
（2）Mg－O键和Si－O键均较强，则表现出较 高硬度，熔点达到1890℃，是镁质耐火材料的主要矿 物；
（3）结构中各个方向上键力分布较均匀，则无 明显解理，破碎后呈现粒状。
三、组群状结构
镁橄榄石Mg2[SiO4]结构
属斜方晶系，空间群Pbnm 晶胞参数 a=0.476nm，b=1.021nm，c=0.599nm 晶胞分子数 Z=4 O2-近似于六方最紧密堆积排列（即ABAB……层 序堆积），Si4+填充1/8四面体空隙；Mg2+填充1/2八面 体空隙 每个[SiO4] 被[MgO6] 隔开，呈孤岛状分布
二、岛状结构
[SiO4] 以孤岛状存在，各顶点之间互不连接，每 个O2-一侧与1个Si4+连接，另一侧与其它金属离子相 配位使电价平衡。结构中Si/O比为1:4。
如：锆石英Zr[SiO4]、镁橄榄石Mg2[SiO4]、蓝 晶石Al2O3·SiO2、莫来石3Al2O3·2SiO2以及水泥熟料 中-C2S、-C2S（Ca2SiO4）和C3S（Ca3SiO5）等。
（a） （100） 面上的 投影图
（c） 立体 侧视图
（b）（001）面上的投影图
镁橄榄石晶体结构（1）
镁橄榄石晶体结构（2）
（a）（100）面上的投影图
镁橄榄石晶体结构（3）
（b）（001）面上的投影图
镁橄榄石晶体结构（4）
镁橄榄石结构中的同晶取代
（1）Mg2+被Fe2+以任意比例取代，则形成橄榄石（ FexMg1-x）SiO4固溶体；
上一讲主要内容回顾
1 离子晶体的结构及其影响因素 2 鲍林规则 3 二元化合物的典型晶体结构
2.4 硅酸盐的晶体结构
一、硅酸盐晶体组成表征、结构特点及分类
二、岛状结构
三、组群状结构 四、链状结构 五、层状结构 六、架状结构
2.4 硅酸盐晶体结构
地壳中：铝 7.45 wt%
硅 26.0wt% 氧 49.130wt % 优势矿物：硅酸盐 铝硅酸盐 基本结构单元构造 基本结构单元之间连接 结构和性质上特征等
硅酸盐晶体结构特点：
基本结构单元：[SiO4]四面体。Si－O－Si键为夹角不 等折线，一般145o左右；
[SiO4] 每个顶点，即O2-最多为两个[SiO4] 所共用； 两相邻[SiO4] 之间只能共顶而不能共棱或共面连接； [SiO4] 中心Si4+可部分被Al3+ 所取代。
硅酸盐晶体分类方法：
（2）若上图（b）中25、75的Mg2+被Ca2+取代，则形成钙 橄榄石CaMgSiO4；
（3）若Mg2+全部被Ca2+取代，则形成-Ca2SiO4（即-C2S ），其中Ca2+配位数为6。由于配位规则，在水中几乎为惰性
注意：另一种岛状结构的水泥熟料矿物-Ca2SiO4（即C2S）属单斜晶系，其中Ca2+有8和6两种配位。由于其配位不规 则，化学性质活泼，能与水发生水化反应。
以不同Si/O比对应基本结构单元[SiO4] 之间不 同结合方式，分为五种方式：
岛状 组群状 链状 层状 架状 对应Si/O由1/4→1/2，结构趋于复杂。
硅酸盐晶体结构类型与Si/O比的关系
结构 类型 岛状
[SiO4]4-共 用 OFra bibliotek-数0
1
组群状
2
链状 层状 架状
2 2，3
3
4
形状
四面体
双四面体 三节环 四节环
一、硅酸盐晶体组成表征、结构特点及分类
硅酸盐晶体化学组成复杂，常采用两种方法表征： 氧化物表示法 无机络盐表示法（结构式）
氧化物表示法：按一定比例和顺序写出构成硅酸盐 晶体所有氧化物，先1价碱金属氧化物，其次2价、3价金 属氧化物，最后SiO2。
如，钾长石化学式： K2O·Al2O3·6SiO2； 无机络盐表示法：按一定比例和顺序全部写出构成 硅酸盐晶体所有离子，再用 [ ]将相关络阴离子括起，先 是1价、2价金属离子，其次Al3+和Si4+，最后O2-或OH-。 如，钾长石：K[AlSi3O8]。
双四面体 [Si2O7]6-
三节环 [Si3O9]6-
四节环 [Si4O12]8-
六节环 [Si6O18]12-
孤立的有限硅氧四面体群
组群状结构中Si/O比：2:7或1:3 ➢ 双四面体：硅钙石Ca3[Si2O7]
铝方柱石 Ca2Al[AlSiO7] 镁方柱石Ca2Mg[Si2O7] ➢ 三节环：蓝锥矿BaTi[Si3O9] ➢ 六节环：绿宝石Be3Al2[Si6O18]
骨架
络阴离子
[SiO4]4-
[Si2O7]6[Si3O9]6[Si4O12]8-
[Si6O18]12[Si2O6]4[Si4O11]6[Si4O10]4[SiO2]0 [AlSi3O8]1[AlSiO4]1-
Si/O
实例
1 ：4
2 ：7 1 ：3 1 ：3
1 ：3 1 ：3 4 ：11 4 ：10
绿宝石Be3Al2[Si6O18]结构
六方晶系，空间群P6/mcc，
晶胞参数：a=0.921nm，c=0.917nm 晶胞分子数Z=2，如图1-34。
基本结构单元是由6个[SiO4] 组成六节环，其中1 个Si4+和2个O2-处在同一高度，环与环相叠。
➢ 粗黑线六节环在上， 标高100，细黑线六 节环在下，标高50
2个、3个、4个或6个[SiO4] 通过共用氧相连接形成单独硅 氧络阴离子团（有限硅氧四面体群），它们之间再通过其它金 属离子连接。
（1）桥氧（或公共氧、非活性氧）：有限四面体群中连 接两个Si4+的氧，其电价已饱和，一般不再与其它正离子配位
（2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+ 相连接的氧
1 ：2
镁橄榄石 Mg2[SiO4] 镁铝石榴石 Al2Mg3[SiO4]3 硅钙石 Ca3[Si2O7] 蓝锥矿 BaTi[Si3O9] 斧石
Ca2Al2(Fe,Mn)BO3[Si4O12](OH) 绿宝石 Be3Al2[Si6O18] 透辉石 CaMg[Si2O6] 透闪石 Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2 滑石 Mg3[Si4O10](OH)2 石英 SiO2 钾长石 K[AlSi3O8] 方钠石 Na[AlSiO4] 4/3H2O
镁橄榄石结构与性质的关系
（1）结构中每个O2-同时和1个[SiO4]和3个 [MgO6]相连接，其电价饱和，晶体结构稳定；
（2）Mg－O键和Si－O键均较强，则表现出较 高硬度，熔点达到1890℃，是镁质耐火材料的主要矿 物；
（3）结构中各个方向上键力分布较均匀，则无 明显解理，破碎后呈现粒状。
三、组群状结构
镁橄榄石Mg2[SiO4]结构
属斜方晶系，空间群Pbnm 晶胞参数 a=0.476nm，b=1.021nm，c=0.599nm 晶胞分子数 Z=4 O2-近似于六方最紧密堆积排列（即ABAB……层 序堆积），Si4+填充1/8四面体空隙；Mg2+填充1/2八面 体空隙 每个[SiO4] 被[MgO6] 隔开，呈孤岛状分布
二、岛状结构
[SiO4] 以孤岛状存在，各顶点之间互不连接，每 个O2-一侧与1个Si4+连接，另一侧与其它金属离子相 配位使电价平衡。结构中Si/O比为1:4。
如：锆石英Zr[SiO4]、镁橄榄石Mg2[SiO4]、蓝 晶石Al2O3·SiO2、莫来石3Al2O3·2SiO2以及水泥熟料 中-C2S、-C2S（Ca2SiO4）和C3S（Ca3SiO5）等。
（a） （100） 面上的 投影图
（c） 立体 侧视图
（b）（001）面上的投影图
镁橄榄石晶体结构（1）
镁橄榄石晶体结构（2）
（a）（100）面上的投影图
镁橄榄石晶体结构（3）
（b）（001）面上的投影图
镁橄榄石晶体结构（4）
镁橄榄石结构中的同晶取代
（1）Mg2+被Fe2+以任意比例取代，则形成橄榄石（ FexMg1-x）SiO4固溶体；
上一讲主要内容回顾
1 离子晶体的结构及其影响因素 2 鲍林规则 3 二元化合物的典型晶体结构
2.4 硅酸盐的晶体结构
一、硅酸盐晶体组成表征、结构特点及分类
二、岛状结构
三、组群状结构 四、链状结构 五、层状结构 六、架状结构
2.4 硅酸盐晶体结构
地壳中：铝 7.45 wt%
硅 26.0wt% 氧 49.130wt % 优势矿物：硅酸盐 铝硅酸盐 基本结构单元构造 基本结构单元之间连接 结构和性质上特征等
硅酸盐晶体结构特点：
基本结构单元：[SiO4]四面体。Si－O－Si键为夹角不 等折线，一般145o左右；
[SiO4] 每个顶点，即O2-最多为两个[SiO4] 所共用； 两相邻[SiO4] 之间只能共顶而不能共棱或共面连接； [SiO4] 中心Si4+可部分被Al3+ 所取代。
硅酸盐晶体分类方法：
（2）若上图（b）中25、75的Mg2+被Ca2+取代，则形成钙 橄榄石CaMgSiO4；
（3）若Mg2+全部被Ca2+取代，则形成-Ca2SiO4（即-C2S ），其中Ca2+配位数为6。由于配位规则，在水中几乎为惰性
注意：另一种岛状结构的水泥熟料矿物-Ca2SiO4（即C2S）属单斜晶系，其中Ca2+有8和6两种配位。由于其配位不规 则，化学性质活泼，能与水发生水化反应。
以不同Si/O比对应基本结构单元[SiO4] 之间不 同结合方式，分为五种方式：
岛状 组群状 链状 层状 架状 对应Si/O由1/4→1/2，结构趋于复杂。
硅酸盐晶体结构类型与Si/O比的关系
结构 类型 岛状
[SiO4]4-共 用 OFra bibliotek-数0
1
组群状
2
链状 层状 架状
2 2，3
3
4
形状
四面体
双四面体 三节环 四节环
一、硅酸盐晶体组成表征、结构特点及分类
硅酸盐晶体化学组成复杂，常采用两种方法表征： 氧化物表示法 无机络盐表示法（结构式）
氧化物表示法：按一定比例和顺序写出构成硅酸盐 晶体所有氧化物，先1价碱金属氧化物，其次2价、3价金 属氧化物，最后SiO2。
如，钾长石化学式： K2O·Al2O3·6SiO2； 无机络盐表示法：按一定比例和顺序全部写出构成 硅酸盐晶体所有离子，再用 [ ]将相关络阴离子括起，先 是1价、2价金属离子，其次Al3+和Si4+，最后O2-或OH-。 如，钾长石：K[AlSi3O8]。
双四面体 [Si2O7]6-
三节环 [Si3O9]6-
四节环 [Si4O12]8-
六节环 [Si6O18]12-
孤立的有限硅氧四面体群
组群状结构中Si/O比：2:7或1:3 ➢ 双四面体：硅钙石Ca3[Si2O7]
铝方柱石 Ca2Al[AlSiO7] 镁方柱石Ca2Mg[Si2O7] ➢ 三节环：蓝锥矿BaTi[Si3O9] ➢ 六节环：绿宝石Be3Al2[Si6O18]