晶体结构4硅酸盐晶体结构
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硅酸盐晶体结构(无机材料科学)
§2.6.6 硅酸盐矿物的晶体结构
一、岛状结构 镁橄榄石（ Mg2[SiO4]或 2MgO· 2） SiO 二、组群状结构 绿宝石（Be3Al2[Si6O18] 或 3BeO· 2O3 · Al 6SiO2) 三、连状结构 透辉石CaMg [Si2O6] 的结构（CaO· MgO· 2SiO2 ） 四、层状结构（层状结构矿物的特点） 1、高岭石结构（ Al2O3•2SiO2 •2H2O 或Al4[Si4O10](OH)8） 2、 蒙脱石（微晶高龄石）的结构（Al2[Si4O10](OH)8•nH2O理论式）
双四面体
三元环
四元环
六元环
5
(3) 链状 单链 ：[SiO4]彼此共用两个顶点， 在一维方向上连结成无限的长链， 每一四面体仍有2个活性氧，借 此与存在于链间的金属离子相连， Si/O=1:3； 双链 ：双链是由两个单链通过共 用氧平行连接而成，或者看成是 单链通过一个镜面反映而得。 Si/O=4:11
21
辉石类硅酸盐（如透辉石，玩火辉石）含有[Si2O6]n4n单链，链与链之间通过金属正离子相连接，最常见的为 Mg2+和Ca2+ ，也有被其他正离子取代的情况，Mg2+可被 Fe2+代替，（Mg2++Ca2+）可被（Na++Al3+）, （Na++Fe3+）, （Li++Al3+）等离子对所取代。 角闪石类硅酸盐含有[Si4O11]n6n-双链，如斜方角闪石 (Mg,Fe)7 [Si4O11]2(OH)2，透闪石 Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2， 具有硅氧链的硅酸盐矿物，因链内Si-O键要比链之间 的M-O键强得多，所以这类矿物易沿链（或带）方向 劈裂为柱状或纤维状。 以透辉石为例说明该类矿物的结构。
一、岛状结构 镁橄榄石（ Mg2[SiO4]或 2MgO· 2） SiO 二、组群状结构 绿宝石（Be3Al2[Si6O18] 或 3BeO· 2O3 · Al 6SiO2) 三、连状结构 透辉石CaMg [Si2O6] 的结构（CaO· MgO· 2SiO2 ） 四、层状结构（层状结构矿物的特点） 1、高岭石结构（ Al2O3•2SiO2 •2H2O 或Al4[Si4O10](OH)8） 2、 蒙脱石（微晶高龄石）的结构（Al2[Si4O10](OH)8•nH2O理论式）
双四面体
三元环
四元环
六元环
5
(3) 链状 单链 ：[SiO4]彼此共用两个顶点， 在一维方向上连结成无限的长链， 每一四面体仍有2个活性氧，借 此与存在于链间的金属离子相连， Si/O=1:3； 双链 ：双链是由两个单链通过共 用氧平行连接而成，或者看成是 单链通过一个镜面反映而得。 Si/O=4:11
21
辉石类硅酸盐（如透辉石，玩火辉石）含有[Si2O6]n4n单链，链与链之间通过金属正离子相连接，最常见的为 Mg2+和Ca2+ ，也有被其他正离子取代的情况，Mg2+可被 Fe2+代替，（Mg2++Ca2+）可被（Na++Al3+）, （Na++Fe3+）, （Li++Al3+）等离子对所取代。 角闪石类硅酸盐含有[Si4O11]n6n-双链，如斜方角闪石 (Mg,Fe)7 [Si4O11]2(OH)2，透闪石 Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2， 具有硅氧链的硅酸盐矿物，因链内Si-O键要比链之间 的M-O键强得多，所以这类矿物易沿链（或带）方向 劈裂为柱状或纤维状。 以透辉石为例说明该类矿物的结构。
硅酸盐晶体结构
五、层状结构
单网层相当于一个硅氧层加上一个水铝石或水 镁石层，称为1:1层。复网层相当于两个硅氧 层中间加上一个水铝石或水镁石层，称为2:1 层，见图。
根据水铝石或水镁石层中八面体空隙的填充情 况，结构又分为三八面体型和二八面体型。前 者八面体空隙全部被金属离子所占据，后者只 有2/3的八面体空隙全部被金属离子所填充。
四、链状结构
1、链的类型、重复单元与化学式 硅氧四面体通过共用氧离子相连，在
一维方向延伸成链状，依照硅氧四面体共 用氧离子数目的不同，这种链又可以分为 单链和双链。
链于链之间是通过其它阳离子按一定 的配位关系连结起来。
四、链状结构
单链：如果两个硅氧四面体通过共用两个顶
点向一维方向无限延伸，则形成单链状。单 链结构以[Si2O6]4-为结构单元不断重复，结构 单元的化学式为[Si2O6]。
2）岛状结构晶体：
岛状结构的硅酸盐晶体有锆石英 Zr[SiO4]、镁橄榄石Mg2[SiO4]、蓝晶石 Al2O3•SiO2、莫来石3Al2O3•2SiO2以及水 泥熟料中的γ-C2S、β-C2S和C3S等
3）举例：镁橄榄石Mg2[SiO4] 结构说明：正交晶系Pbmm空间群；晶格常 数，a0=0.476nm，b0=1.021nm, c0=0.598nm， 晶胞分子数Z=4；镁橄榄石结构中，O2-离子 近似六方最紧密堆积排列， Si4+离子填于四面 体空隙的1/8，Mg2+离子填于八面体空隙的1/2。 孤立的[SiO4]四面体之间通过镁氧八面体相连； 每个O2-连接一个Si4+和三个Mg2+，电价平衡。
架状
4
骨架
[SiO2]
1:2
石英SiO2
[(AlxSi1-x)O8] x
硅酸盐晶体结构
• SiO2晶体熔 点高、硬度 大、化学稳 定性好，无 明显解理。
22:15
41
22:15
42
22:15
43
存在对称中心
存在对称面
22:15
45
α-方石英
• 立方晶系，
• 空间群: Fd3m
• 晶格常数，
a 0.713nm
• 晶胞分子数Z=8，
22:15
α-方石英结构
46
α-磷石英
• 六方晶系， • 空间群 P 63 mc
沿链间结合较弱处劈裂成纤维 (如：石棉细长纤维状)。
各向异性， 解理易在链间发生， 解理面间有一定的角度。
四、层状结构硅酸盐 Layer Structure
[SiO4]中共用三个顶角氧。
？？络阴离子式：
[Si4O10]4－
单网层结构：
复网层结构：一层八面体+
一八面体层 + 一四面体层 二层四面体连接。
K[AlSi3O8] Na[AlSi3O8] Ca[Al2Si2O8] Ba[Al2Si2O8]
高温钾长石K[AlSi3O8]： 四分之一的Si4+被Al3+置换。
为保持电中性，同时引入K＋。
[SiO4]和[AlO4]四面体组成架状结构， 形成一个四联环。
2.长石晶型结构
① 吸附作用：孔道和内表面很大，加热把空穴内 的水排出。
• 进行单、双杠器械运动时， 滑石等常用作固体润滑剂。
脱水效应：陶瓷和玻璃工业的重要原料。 39
五、架状结构 framework structure
• [SiO4]所有四个顶角氧均共用， 在三维空间形成规则的架状网络。
• 纯晶态SiO2（石英 quartz ）的晶体结构。
22:15
41
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存在对称中心
存在对称面
22:15
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α-方石英
• 立方晶系，
• 空间群: Fd3m
• 晶格常数，
a 0.713nm
• 晶胞分子数Z=8，
22:15
α-方石英结构
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α-磷石英
• 六方晶系， • 空间群 P 63 mc
沿链间结合较弱处劈裂成纤维 (如：石棉细长纤维状)。
各向异性， 解理易在链间发生， 解理面间有一定的角度。
四、层状结构硅酸盐 Layer Structure
[SiO4]中共用三个顶角氧。
？？络阴离子式：
[Si4O10]4－
单网层结构：
复网层结构：一层八面体+
一八面体层 + 一四面体层 二层四面体连接。
K[AlSi3O8] Na[AlSi3O8] Ca[Al2Si2O8] Ba[Al2Si2O8]
高温钾长石K[AlSi3O8]： 四分之一的Si4+被Al3+置换。
为保持电中性，同时引入K＋。
[SiO4]和[AlO4]四面体组成架状结构， 形成一个四联环。
2.长石晶型结构
① 吸附作用：孔道和内表面很大，加热把空穴内 的水排出。
• 进行单、双杠器械运动时， 滑石等常用作固体润滑剂。
脱水效应：陶瓷和玻璃工业的重要原料。 39
五、架状结构 framework structure
• [SiO4]所有四个顶角氧均共用， 在三维空间形成规则的架状网络。
• 纯晶态SiO2（石英 quartz ）的晶体结构。
硅酸盐晶体结构
的O2-均为桥氧，无活性氧， 电价平衡，实际上是氧化 物SiO2。
ڻ以SiO2为例讨论，SiO2分
为三类晶型（石英、鳞石 英、方石英）七种变体。
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（1）α-方石英结构
立方晶系，Fd3m 空间群， a=0.705nm，Si4+在立方 晶胞中的配置与金刚石 构造中的相同，而 O2-位于每两个 Si4+之间， Si4+、O2-均作面心立方排 列。
结构式Mg6[Si4O10]（OH）
8
结构组成：相当于在高 岭石结构中，用Mg2+取 代Al3+，为保持电价平
衡，需用3个Mg2+取代2
个Al3+
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4、叶腊石类 (属三层结构) 主要有叶腊石、蒙脱石、 滑石。
叶腊石
构成：将高岭石的双层结
构再加上一层[SiO4]四面
体层。
成分：Al2O3· 4SiO2· 2O H
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3）四面体不相连，八面体共棱相连。
4）Si-O形成[SiO4]四面体，弧立存在，由
[MgO6]连接起来。 5）Si-O→[SiO4]，Mg-O→[MgO6]
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（2)
结构特点
1）各[SiO4]4- 是单独存在的，其顶角相互地朝上朝下。 ２）各[SiO4]4-四面体只通过O-Mg-O键连接一起。
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（2）叶蛇纹石 又称岫玉， 形成于镁质碳酸岩的变质大 理石中，全国最大的蛇纹石 玉矿在辽宁省岫岩县哈达碑 镇瓦沟，岫岩玉以绿色为主， 还有红、黄、白、青、蓝、 紫色和墨绿、淡黄、乳白色。 可谓七彩斑斓，五光十色。 硬度一般介于3.5至5之间。
ڻ以SiO2为例讨论，SiO2分
为三类晶型（石英、鳞石 英、方石英）七种变体。
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（1）α-方石英结构
立方晶系，Fd3m 空间群， a=0.705nm，Si4+在立方 晶胞中的配置与金刚石 构造中的相同，而 O2-位于每两个 Si4+之间， Si4+、O2-均作面心立方排 列。
结构式Mg6[Si4O10]（OH）
8
结构组成：相当于在高 岭石结构中，用Mg2+取 代Al3+，为保持电价平
衡，需用3个Mg2+取代2
个Al3+
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4、叶腊石类 (属三层结构) 主要有叶腊石、蒙脱石、 滑石。
叶腊石
构成：将高岭石的双层结
构再加上一层[SiO4]四面
体层。
成分：Al2O3· 4SiO2· 2O H
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3）四面体不相连，八面体共棱相连。
4）Si-O形成[SiO4]四面体，弧立存在，由
[MgO6]连接起来。 5）Si-O→[SiO4]，Mg-O→[MgO6]
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（2)
结构特点
1）各[SiO4]4- 是单独存在的，其顶角相互地朝上朝下。 ２）各[SiO4]4-四面体只通过O-Mg-O键连接一起。
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（2）叶蛇纹石 又称岫玉， 形成于镁质碳酸岩的变质大 理石中，全国最大的蛇纹石 玉矿在辽宁省岫岩县哈达碑 镇瓦沟，岫岩玉以绿色为主， 还有红、黄、白、青、蓝、 紫色和墨绿、淡黄、乳白色。 可谓七彩斑斓，五光十色。 硬度一般介于3.5至5之间。
常见九种典型的晶体结构
如果金刚石晶胞沿一个L3立起来，金刚石似乎显示出层状结 构特征，虽然不是很特征，但金刚石的确平行{111}存在中等 解理。
由于C-C键的键能大（347 kJ/mo），价电子都参与了共价键 的形成，使得晶体中没有自由电子，所以金刚石是自然界中最 坚硬的固体，熔点高达3550 ‴。
金刚石及其等结构物质比较
5.5-6A
层电荷的来源
(1) 来源于四面体片的 Al->Si替代。这时，与配 平电荷的层间阳离子距离 较近，称之为“近电”。
记为
Xt
(2) 来源于八面体片的 Mg->Al替代。这时，于配 平电荷的层间阳离子距离 较远，称之为“远电”。
属于该结构的物质主要有：T、V、W、La、Ce、 Pr、Nd、Yb、Eu、Ti、U、Ba、Sr、K、Na、Ca、 Mg等单质。
值得指出的是，部分元素的单质可以在不同条件下 形成不同的结构，或者可以有不同的结构状态共存。 如单质铁：
α-铁（Iron-alpha） ---（奥氏体） --立方体心 γ-铁（Iron-gama） --（马氏体）--立方面心 ε-铁（Iron- Epsilon） --六方结构
(200)
(220)
6 闪锌矿结构
空间群 F-43m，立方面心格子。 Zn分布于晶胞的角顶及面心。如果把晶胞8等分，S分 布于间隔的小立方体的中心。
闪锌矿的晶体结构：球键图(左)、配位多面体连接图(右)
结构中，S2- 和Zn2+配位数都是4，配位多面体都 是四面体。四面体共角顶相联。
从图可看出，[SZn4] 四面体（[ZnS4] 四面体 也是一样）共角顶联成的 四面体基元层与[111]方 向垂直。
氯化锶(SrCl2)
反萤石型 氧化钠(Na O) 2 结构 氧化锂(Li2O)
硅酸盐晶体结构
地壳中：
2.1% 2.6% 2.8% 3.6%
5.0%
地殼
1.5%
硅约占25％， 8.1% 氧约占50％
存在形式： 硅酸盐与硅石
27.7%
硅酸盐： 地壳中的岩石、粘土等； 人工制造的水泥、陶瓷、砖瓦、玻璃等。
氧
硅
鋁
46.6%
鐵鈣鈉来自鉀鎂其他
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一、硅酸盐晶体结构的一般特点和分类
这种写法特点：能反映出组成化学成分克分子比，但 不能反映结构特点。
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2）结构表示法 按电价高低写出各金属元素，再写Si-O结合情况， 最后写羟基。 如高岭土，Al2[Si2O5](OH)4 绿柱石Be3Al2[Si6O18] 透闪石： 2CaO·5MgO·8SiO2·H2O
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晶体常呈六方柱，柱面上有纵纹，集 合体有时呈晶簇或针状，有时可形成 伟晶，长可达5米，重达18吨。多为浅 绿色，成分中富含铯时，呈粉红色， 称为玫瑰绿柱石；含铬时，呈鲜艳的 翠绿色，称为祖母；含二价铁时，呈 淡蓝色，称为海蓝宝石；含三价铁时， 呈黄色，称为黄绿宝石。玻璃光泽， 解理不完全。摩氏硬度7.5-8，比重 2.6-2.9。
键角接近 。145
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2、 硅酸盐晶体结构分类
R
桥氧：连接2个Si4+的氧，Si-O-Si
非桥氧：连接一个Si4+的氧，Si-O-R
按[SiO4]四面体排列方式分类： ①岛状硅酸盐 [SiO4]四面体弧立存在，无桥氧，Si:O=1:4 ②组群状硅酸盐
双四面体 一个桥氧
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2.1% 2.6% 2.8% 3.6%
5.0%
地殼
1.5%
硅约占25％， 8.1% 氧约占50％
存在形式： 硅酸盐与硅石
27.7%
硅酸盐： 地壳中的岩石、粘土等； 人工制造的水泥、陶瓷、砖瓦、玻璃等。
氧
硅
鋁
46.6%
鐵鈣鈉来自鉀鎂其他
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一、硅酸盐晶体结构的一般特点和分类
这种写法特点：能反映出组成化学成分克分子比，但 不能反映结构特点。
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2）结构表示法 按电价高低写出各金属元素，再写Si-O结合情况， 最后写羟基。 如高岭土，Al2[Si2O5](OH)4 绿柱石Be3Al2[Si6O18] 透闪石： 2CaO·5MgO·8SiO2·H2O
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晶体常呈六方柱，柱面上有纵纹，集 合体有时呈晶簇或针状，有时可形成 伟晶，长可达5米，重达18吨。多为浅 绿色，成分中富含铯时，呈粉红色， 称为玫瑰绿柱石；含铬时，呈鲜艳的 翠绿色，称为祖母；含二价铁时，呈 淡蓝色，称为海蓝宝石；含三价铁时， 呈黄色，称为黄绿宝石。玻璃光泽， 解理不完全。摩氏硬度7.5-8，比重 2.6-2.9。
键角接近 。145
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2、 硅酸盐晶体结构分类
R
桥氧：连接2个Si4+的氧，Si-O-Si
非桥氧：连接一个Si4+的氧，Si-O-R
按[SiO4]四面体排列方式分类： ①岛状硅酸盐 [SiO4]四面体弧立存在，无桥氧，Si:O=1:4 ②组群状硅酸盐
双四面体 一个桥氧
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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
晶体结构硅酸盐晶体结构
晶体结构硅酸盐晶体结构晶体结构是指晶体中原子、离子或分子的排列方式。
硅酸盐晶体是指以硅酸根为基础的晶体，其中硅离子（SiO_4^4-）与其他阳离子形成网络结构。
硅酸盐晶体结构的研究对于了解晶体的物理性质以及在材料科学中的应用具有重要意义。
硅酸盐晶体结构可以分为四类：随机硅酸盐、连续硅酸盐、不连续硅酸盐、氟硅酸盐。
随机硅酸盐晶体结构是指硅酸盐中的硅酸根离子（SiO_4^4-）和其他离子随机排列的结构。
这类结构的特点是硅酸根离子之间没有明确的排列规律，并且硅酸根离子与其他离子之间的距离也比较随机。
随机硅酸盐晶体结构可以用来制备玻璃等非晶态材料。
连续硅酸盐晶体结构是指硅酸盐中的硅酸根离子（SiO_4^4-）按照一定的排列规律形成的结构。
这类结构的特点是硅酸根离子之间有明确的连接方式，形成一维、二维或三维的网络结构。
连续硅酸盐晶体结构具有较高的晶体度和结晶度，可以用来制备陶瓷等工程材料。
不连续硅酸盐晶体结构是指硅酸盐中的硅酸根离子（SiO_4^4-）与其他离子之间有插入不连续的阳离子，形成硅酸盐层状结构。
这类结构的特点是硅酸根离子之间有明确的排列规律，但是硅酸根离子与其他离子之间的距离不均匀。
不连续硅酸盐晶体结构可以用来制备硅酸钙等复合功能材料。
氟硅酸盐晶体结构是指硅酸盐中的硅酸根离子（SiO_4^4-）的一部分或全部被氟离子（F^-）取代的结构。
这类结构的特点是硅酸根离子与氟离子之间有明确的排列规律，并且形成独特的晶体结构。
氟硅酸盐晶体结构具有特殊的光学、电学和热学性质，可以用来制备光学器件、电子器件和热障涂层等材料。
总之，硅酸盐晶体结构的研究对于深入了解晶体的性质、设计新型材料以及开发新的应用具有重要意义。
随着材料科学的进步和技术的发展，我们对硅酸盐晶体结构的理解将进一步深化，为新材料的开发和应用提供更多的可能性。
硅酸盐晶体结构
2、根据Si-O四面体在空间的连接情况
(3) 层状硅酸盐 layered silicates
9
二、硅酸盐矿物的分类
2、根据Si-O四面体在空间的连接情况
(4) 架状硅酸盐 network silicates
10
三、硅酸盐的结构
1、岛状硅酸盐 Island silicates (limited Si-O group) (1) 单一硅氧团（孤立有限硅氧团）
举例：
• 能“爆米花”的矿物和岩石
• 能吸水膨胀的膨润土
20
4、骨架状硅酸盐 Network silicates
(1). 硅石 silica（石英） SiO2 硅氧四面体在空间组成的三维网 络状结构
方石英结构特征：
• FCC点阵，Si4＋排成金刚石结构， O2－位于<111>方向上 的一对Si4＋之间，形成桥氧； Si4＋位于O2－的四面体间隙， O2－四面体在空间通过桥氧相连，形成三维网络结构 • 所有的氧均为桥氧
13
(2) 含成对的硅氧团
• = O/Si＝3.5
• 硅钙石 Ca3(Si2O7)，即3CaO· 2SiO2，正交晶系
14
(3) 含环状硅氧团
• 三节环：(Si3O9)6－ • 四节环：(Si4O12)8－
• 六节环：(Si6O18)12－
= O/Si＝3
代表性矿物：
绿柱石 Be3Al2[Si6O18] 堇青石 cordierite 2MgO· 2O3· 2Al 5SiO2
15
2、链状硅酸盐 Chained silicates
由大量的[SiO4]4－共顶连接而成的一维结构
(1) 单链：结构单元[SiO3]2－, = O/Si＝3
(3) 层状硅酸盐 layered silicates
9
二、硅酸盐矿物的分类
2、根据Si-O四面体在空间的连接情况
(4) 架状硅酸盐 network silicates
10
三、硅酸盐的结构
1、岛状硅酸盐 Island silicates (limited Si-O group) (1) 单一硅氧团（孤立有限硅氧团）
举例：
• 能“爆米花”的矿物和岩石
• 能吸水膨胀的膨润土
20
4、骨架状硅酸盐 Network silicates
(1). 硅石 silica（石英） SiO2 硅氧四面体在空间组成的三维网 络状结构
方石英结构特征：
• FCC点阵，Si4＋排成金刚石结构， O2－位于<111>方向上 的一对Si4＋之间，形成桥氧； Si4＋位于O2－的四面体间隙， O2－四面体在空间通过桥氧相连，形成三维网络结构 • 所有的氧均为桥氧
13
(2) 含成对的硅氧团
• = O/Si＝3.5
• 硅钙石 Ca3(Si2O7)，即3CaO· 2SiO2，正交晶系
14
(3) 含环状硅氧团
• 三节环：(Si3O9)6－ • 四节环：(Si4O12)8－
• 六节环：(Si6O18)12－
= O/Si＝3
代表性矿物：
绿柱石 Be3Al2[Si6O18] 堇青石 cordierite 2MgO· 2O3· 2Al 5SiO2
15
2、链状硅酸盐 Chained silicates
由大量的[SiO4]4－共顶连接而成的一维结构
(1) 单链：结构单元[SiO3]2－, = O/Si＝3
无机材料科学基础-之-硅酸盐的晶体结构
硅酸盐晶体结构
Crystal Structure of Silicates
1
第一节 硅酸盐结构的一般特点及分类 第二节 硅酸盐晶体结构
● 2.1 岛状结构 ● 2.2 组群状结构 ● 2.3 链状结构 ● 2.4 层状结构 ● 2.5 架状结构
2
第一节 硅酸盐结构的一般特点及分类
一、硅酸盐结构的特点
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：
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
100
50
85 65
50
4
（4）[SiO4]中O—Si—O的结合键不是一条直线， 而是一折线( ≈145° )。
（5）在硅酸盐晶体中，除了硅和氧以外，组成 中还含有其他阳离子多达50多种，因此其结构十 分复杂。常发生同晶取代。
145°
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。
16
硅氧四面体是孤
立的，硅氧四面体 之间是由镁离子按 镁氧八面体的方式 相连的。每一个O2离子和三个Mg2+离 子以及一个Si4+离 子相连，电价是平 衡的。
（001）面投影图
17
按照晶体结构的局部电中性要求， L.C.鲍林提出以下五项规则：
第一规则 在每一正离子周取决于半径和， 正离子的配位数取决于正、负离子的半径比。
当[SiO4]之间完全相互直接连接形成架状结 构时，O/Si=2。
Crystal Structure of Silicates
1
第一节 硅酸盐结构的一般特点及分类 第二节 硅酸盐晶体结构
● 2.1 岛状结构 ● 2.2 组群状结构 ● 2.3 链状结构 ● 2.4 层状结构 ● 2.5 架状结构
2
第一节 硅酸盐结构的一般特点及分类
一、硅酸盐结构的特点
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：
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
100
50
85 65
50
4
（4）[SiO4]中O—Si—O的结合键不是一条直线， 而是一折线( ≈145° )。
（5）在硅酸盐晶体中，除了硅和氧以外，组成 中还含有其他阳离子多达50多种，因此其结构十 分复杂。常发生同晶取代。
145°
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。
16
硅氧四面体是孤
立的，硅氧四面体 之间是由镁离子按 镁氧八面体的方式 相连的。每一个O2离子和三个Mg2+离 子以及一个Si4+离 子相连，电价是平 衡的。
（001）面投影图
17
按照晶体结构的局部电中性要求， L.C.鲍林提出以下五项规则：
第一规则 在每一正离子周取决于半径和， 正离子的配位数取决于正、负离子的半径比。
当[SiO4]之间完全相互直接连接形成架状结 构时，O/Si=2。
硅酸盐晶体结构.
1、岛状硅氧骨干
端氧（活性氧）
桥氧（惰性氧）
2、环状硅氧骨干
孤立四面体[SiO4]4-
两个硅氧四面体共用一个角顶构成双 四面体[Si2O7]6-
硅氧四面体彼此之间共用两个角顶构成封闭的环状[SinO3n]2n-(n≥ 3)
三方环[Si3O9]6-、四方环[Si4O12]8-及六方环[Si6O18]12-
参考文献： 高等无机结构化学 麦松威，周公度，李伟基 北京大学出版社 第二版 化学中的多面体 周公度 北京大学出版社 结构和物性 周公度 高等教育出版社 第三版 维基百科
感谢聆听
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-
5、架状硅氧骨干
这种络阴离子可用通式
[(AlxSin-x)O2n]x-表示
PS：翡翠的A货、B货和C货的含意
层状结构硅酸盐
滑石
化学组成:
Talc Mg3[Si4O10](OH)2
晶体形态:偶见假六方或菱形的片状单晶体。
物理性质:无色透明或白色，硬度1，{001}解理完全，比重2.58~2.83, 能耐
火。
鉴定特征:低硬度，有滑感，较浅的颜色以及片状形态。
架状结构硅酸盐
橄榄石Olivine （Mg,Fe)2［SiO4］
橄榄石是地幔岩的主要组成 之一, 随温度压力条 件的增加, 其结构将变为beta相gamma相。
环状结构硅酸盐
绿柱石 化学组成: Beryl Be3Al2[Si6O18], 常含有碱金 属和H2O。 结构特点: 六方晶系，结构中硅氧四面体组成 六联环，环与环之间借Be2+、Al3+相 联。 2+ 3+ Be 作四配位，形成扭曲了的铍氧四面体，Al 作 六配位，形成铝氧八面体。绕c轴方向，上下叠置 的六联环错开一定角度。上下叠置的环仙，形成 了一个巨大的通道，大的阳离子如K+、Cs+，以及 H2O分子即可赋存其中。 晶体形态:单晶体呈柱状，通常发育完整。 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。
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！。
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
第二章4硅酸盐晶体结构
第四节
硅酸盐晶体结构
硅酸盐为主要由硅和氧组成的晶体，是地球上主要矿
物。其成分复杂，结构形式多样，晶体结构有以下特点：
（1）基本结构单元为硅氧四面体[SiO4]4-。硅氧结合为 50%的离子键和50%的共价键。
（2）晶格中，Si4+间只通过O2-连接。 （3）每一个O2-只连接2个硅氧四面体，或以一个键与其 他非Si4+如Al3+、Mg2+等结合，形成不同的硅酸盐。 （4）硅氧四面体只共顶连接，可形成单链、双链、层状、 网状等复杂结构。
（2）双链：两条相同的单链通过非桥氧相连，形成双链结
构，其结构单元为[Si4O11]6- 。
单 链
双 链
四、层状结构
1、层结构 （1）复网层结构单元： 硅氧四面体层(上部)+八面体层(中部)+硅氧四面体层(下部) （2）单网层结构单元： 八面体层(上部)+硅氧四面体层(下部)
硅氧四面体层状结构
2、硅氧四面体层结构 （1）Si4+以三个公共氧连接成二维的六边形网络。 （2）Si4+通过O2-连接，一个O2-连接两个Si4+。 （3）Si4+中，仅有一个非桥氧且与金属离子连接，构成 复网或单网层。
（4）层状结构的络阴离子为[Si4O10]4活性氧 非活性氧
3、典型结构
（1）Mg3[Si4O10](OH)2(滑石)结构 属单斜晶系，复网层结构。
上、下层为硅氧四面体，其非桥氧朝向中间的[MgO4(OH)2] 八面体层。
பைடு நூலகம்每一层单元内，电价饱和，层单元之间为范德华力结合。 加热可使滑石脱水，转变为斜顽火辉石Mg2[Si2O6]（制造 玻璃和陶瓷的原料）
一、岛状结构
硅酸盐晶体结构
硅酸盐为主要由硅和氧组成的晶体，是地球上主要矿
物。其成分复杂，结构形式多样，晶体结构有以下特点：
（1）基本结构单元为硅氧四面体[SiO4]4-。硅氧结合为 50%的离子键和50%的共价键。
（2）晶格中，Si4+间只通过O2-连接。 （3）每一个O2-只连接2个硅氧四面体，或以一个键与其 他非Si4+如Al3+、Mg2+等结合，形成不同的硅酸盐。 （4）硅氧四面体只共顶连接，可形成单链、双链、层状、 网状等复杂结构。
（2）双链：两条相同的单链通过非桥氧相连，形成双链结
构，其结构单元为[Si4O11]6- 。
单 链
双 链
四、层状结构
1、层结构 （1）复网层结构单元： 硅氧四面体层(上部)+八面体层(中部)+硅氧四面体层(下部) （2）单网层结构单元： 八面体层(上部)+硅氧四面体层(下部)
硅氧四面体层状结构
2、硅氧四面体层结构 （1）Si4+以三个公共氧连接成二维的六边形网络。 （2）Si4+通过O2-连接，一个O2-连接两个Si4+。 （3）Si4+中，仅有一个非桥氧且与金属离子连接，构成 复网或单网层。
（4）层状结构的络阴离子为[Si4O10]4活性氧 非活性氧
3、典型结构
（1）Mg3[Si4O10](OH)2(滑石)结构 属单斜晶系，复网层结构。
上、下层为硅氧四面体，其非桥氧朝向中间的[MgO4(OH)2] 八面体层。
பைடு நூலகம்每一层单元内，电价饱和，层单元之间为范德华力结合。 加热可使滑石脱水，转变为斜顽火辉石Mg2[Si2O6]（制造 玻璃和陶瓷的原料）
一、岛状结构
晶体结构硅酸盐晶体结构
晶体结构硅酸盐晶体结构晶体结构是指晶体中原子、分子或离子的排列方式。
硅酸盐是指含有硅和氧的化合物，其中硅酸的结构单元是硅酸四面体SiO4硅酸盐晶体结构的研究对理解晶体性质和应用具有重要意义。
下面将以一些典型的硅酸盐晶体结构为例进行介绍。
1.石英晶体：石英是一种含有二氧化硅（SiO2）的典型硅酸盐晶体。
其晶体结构是由硅酸四面体和氧离子构成的三维结构。
硅酸四面体通过共用氧离子形成一个网络状结构。
当硅酸四面体都以角的方式连接在一起时，形成了石英的六方晶体结构。
2.长石晶体：长石是一种常见的硅酸盐矿物，由硅酸盐层状结构和钠、钾等阳离子构成。
其中，硅酸盐层状结构由硅酸四面体构成，每个硅酸四面体都与相邻的四个硅酸四面体共享角，形成了一层平面。
这些硅酸四面体层通过钠、钾等阳离子填充在它们之间，形成了长石的晶体结构。
3.方解石晶体：方解石是一种含有碳酸根离子（CO3）的硅酸盐晶体。
它由硅酸盐八面体和碳酸根离子构成。
硅酸盐八面体和碳酸根离子通过共用氧离子形成一个三维网状结构。
方解石的晶体结构中，硅酸盐八面体与碳酸根离子是按照一定比例交替排列的。
硅酸盐晶体结构研究的重要性在于它对晶体的物理和化学性质起着决定性的作用。
晶体中原子、分子或离子的排列方式决定了晶体的特定性质，如硬度、折射率、导电性等。
此外，晶体结构的研究还可以为合成新型功能材料提供参考，如电子器件、光学材料等。
在实际应用中，硅酸盐晶体结构的研究被广泛用于材料科学、地球科学和无机化学等领域。
例如，在材料科学中，通过改变硅酸盐晶体结构可以调控材料的性质，用于制备新型材料。
在地球科学中，硅酸盐晶体结构的研究可以帮助我们了解地壳中的硅酸盐矿物形成的过程。
此外，硅酸盐晶体结构的研究还对于监测和预测地震等地质灾害具有重要意义。
总之，硅酸盐晶体结构的研究对于理解晶体性质和应用有着重要的意义。
不同的硅酸盐晶体具有不同的结构，其特定的结构决定了晶体的特定性质。
通过研究硅酸盐晶体结构，可以为合成新型材料以及地球科学等领域提供重要的参考。
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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 O2-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
六节环 单链 双链 平面层
ห้องสมุดไป่ตู้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-
（2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+ 相连接的氧
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
镁橄榄石Mg2[SiO4]结构
属斜方晶系，空间群Pbnm
资源加工与生物工程学院
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
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
硅酸盐晶体分类方法：
资源加工与生物工程学院
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。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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）
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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]。
镁橄榄石晶体结构（4）
资源加工与生物工程学院
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；
（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。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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。
Si/O
实例
1 ：4
2 ：7 1 ：3 1 ：3
1 ：3 1 ：3 4 ：11 4 ：10
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
每个[SiO4] 被[MgO6] 隔开，呈孤岛状分布
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
（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
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
二、岛状结构
资源加工与生物工程学院
[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。
有：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和C3S等。
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第二章 晶体结构
2.1 结晶学基础知识 2.2 晶体化学基本原理 2.3 无机非金属单质晶体结构 2.4 无机化合物晶体结构 2.5 硅酸盐晶体结构
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
2.5 硅酸盐晶体结构
地壳中：铝 7.45 wt%
硅 26.0wt%
资源加工与生物工程学院
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
三、组群状结构
资源加工与生物工程学院
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
结构 类型 岛状
[SiO4]4-共 用 O2-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
六节环 单链 双链 平面层
ห้องสมุดไป่ตู้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-
（2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+ 相连接的氧
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
镁橄榄石Mg2[SiO4]结构
属斜方晶系，空间群Pbnm
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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
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
硅酸盐晶体分类方法：
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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。
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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
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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）
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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]。
镁橄榄石晶体结构（4）
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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；
（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。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
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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。
Si/O
实例
1 ：4
2 ：7 1 ：3 1 ：3
1 ：3 1 ：3 4 ：11 4 ：10
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
每个[SiO4] 被[MgO6] 隔开，呈孤岛状分布
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
（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
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
二、岛状结构
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[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。
有：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和C3S等。
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第二章 晶体结构
2.1 结晶学基础知识 2.2 晶体化学基本原理 2.3 无机非金属单质晶体结构 2.4 无机化合物晶体结构 2.5 硅酸盐晶体结构
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
2.5 硅酸盐晶体结构
地壳中：铝 7.45 wt%
硅 26.0wt%
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第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
三、组群状结构
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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