1.3 硅酸盐晶体结构
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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
• 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。
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存在对称中心
存在对称面
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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，
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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。
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
实验3 硅酸盐矿物的晶体结构
实验3 硅酸盐矿物的晶体结构一、实验目的：巩固硅酸盐矿物的晶体结构知识。
二、硅酸盐晶体结构概述硅酸盐晶体按结构中硅氧四面体的连接方式，可以分为岛状、组群状、链状、层状和架状五种。
1. 岛状结构岛状结构硅酸盐晶体中硅氧四面体以孤立形式存在，硅氧四面体之间没有共用的氧。
典型的矿物是镁橄榄石，其结构如图3-1所示。
镁橄榄石（Mg2SiO4）的晶体结构属正交晶系Pbmm空间群，a0=0.476nm，b0=1.021nm，c0=0.598nm，Z=4。
镁橄榄石的结构中O2-近似于六方紧密堆积，Si4+充填在四面体空隙，Mg2+充填于八面体空隙，硅氧四面体之间由Mg2+按镁氧八面体的方式相连。
图3-1 镁橄榄石晶体理想结构图3-2 绿宝石的晶体结构2. 组群状结构组群状结构是指硅氧四面体以两个、三个、四个或六个，通过共用氧连成硅氧四面体群体，群体之间由其它阳离子按一定的配位形式将它们连接在一起。
典型的矿物是绿宝石，其晶体结构如图7-2所示。
绿宝石（Be3Al2[Si6O18]）的晶体结构属于六方晶系P6/mcc空间群，a0=0.921nm，c0=0.917nm，Z=2。
绿宝石的基本结构单元是六个硅氧四面体形成的六节环，六节环之间由Al3+和Be2+相连。
六节环中的四面体有两个氧是共同的，它们与硅氧四面体中的Si4+处于同一高度。
图7-2中示出了八个这样的六节环，上面四个和下面四个错开30 排列，上下叠置的六节环内形成了一个巨大的通道，可以存在一些如K+、Cs+等大的阳离子以及H2O分子。
Al3+的配位数为6，形成Al-O八面体，Be2+的配位数为4，构成Be-O四面体。
3. 链状结构硅氧四面体可以由共用氧离子相连，在一维方向延伸成链状，链与链之间再通过其它阳离子按一定的配位关系连接而形成链状结构。
透辉石（CaMg[Si2O6]）是具有链状结构的硅酸盐矿物之一，其晶体结构属于单斜晶系C2/c空间群，a0=0.9746nm，b0=0.8899nm，c0=0.5250nm， 37’，Z=4。
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
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
关于硅酸盐晶体结构
硅酸盐晶体结构的共同特点：
（1）构成硅酸盐晶体的基本结构单元[SiO4]四面体。SiO-Si键是一条夹角不等的折线，一般在145o左右。
（2）[SiO4]四面体的每个顶点，即O2-离子最多只能为两 个[SiO4]四面体所共用。
（3）两个相邻的[SiO4]四面体之间只能共顶而不能共棱或 共面连接。
1、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。如图13-1、1-3-2、1-3-3所示。
镁橄榄石结构中，O2-离子近似于六方最紧密堆 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。
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1-3-4 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 。
双四面体 [Si2O7]6-
三节环 [Si3O9]6-
四节环 [Si4O12]8-
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。同时， 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。
二、岛状结构
[SiO4]四面体以孤岛状存在，各顶点之间并不互相 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。
硅酸盐物理化学
硅酸盐物理化学篇一：硅酸盐物理化学是一门研究硅酸盐及其相关物质的物理、化学和热力学行为的学科,涵盖了硅酸盐的晶体结构、性质、制备和加工,以及硅酸盐在材料科学、能源利用和环境保护等领域中的应用。
正文:1. 硅酸盐的晶体结构硅酸盐晶体是一种特殊的晶体结构,由硅、氧、氢、钙、镁、铝等元素组成。
在硅酸盐晶体中,硅和氧原子以共价键结合,形成六边形晶胞。
同时,钙、镁、铝等元素也以共价键或离子键与硅和氧原子结合,形成不同形态的晶体结构,如离子硅酸盐、晶系硅酸盐等。
2. 硅酸盐的性质硅酸盐具有许多独特的物理和化学性质,使其成为重要的材料和应用。
以下是一些硅酸盐的常见性质:- 热稳定性:硅酸盐在高温下仍然保持稳定的性质,不易被氧化或分解。
- 电绝缘性:硅酸盐是良好的电绝缘体,能够有效地防止电流的流失和干扰。
- 强度:硅酸盐具有强大的强度和硬度,可以用于制造高强度和高温的结构材料。
- 透明度:硅酸盐的晶体结构使其具有透明度,可以用于制造透明材料。
- 化学稳定性:硅酸盐在酸碱和其他化学物质的环境中保持稳定的性质。
3. 硅酸盐的制备和加工硅酸盐的制备和加工是硅酸盐物理化学研究的重要方向。
以下是一些硅酸盐的制备和加工方法:- 熔融法:熔融法是制备硅酸盐的主要方法之一,可以将硅、氧和其他元素在高温下熔融,并通过过滤、结晶等方法得到硅酸盐晶体。
- 蒸发法:蒸发法可以制备离子型硅酸盐,该方法将硅、氧和其他元素蒸发在高温高压条件下,形成硅酸盐晶体。
- 结晶法:结晶法可以将熔融的硅酸盐通过结晶的方法得到晶体。
该方法通常需要对硅酸盐熔体进行冷却和结晶,以得到不同形态的硅酸盐晶体。
篇二：硅酸盐物理化学是一门研究硅酸盐类化合物的结构和性质的综合性化学学科。
该学科涵盖了硅酸盐的晶体结构、物理性质和化学性质,以及相关的制备、合成、表征和应用等方面。
硅酸盐晶体是一种具有独特结构的无机化合物,由硅、氧、氢和少量的钙、镁、铝等元素组成。
硅酸盐晶体的构造和性质对于其应用具有重要意义,例如,在玻璃工业中,硅酸盐是生产玻璃的主要成分;在建筑材料中,硅酸盐用作陶瓷原料;在半导体工业中,硅酸盐是生产硅电子器件的原料;在化学和生物学领域中,硅酸盐的研究对于理解物质的结构和性质具有重要意义。
陶瓷材料的晶体结构与应力分析
陶瓷材料的晶体结构与应力分析一、介绍陶瓷材料是一类具有特殊结构和性质的无机非金属材料。
在陶瓷材料中，晶体结构的性质起着重要的作用。
本文将探讨陶瓷材料的晶体结构以及应力分析方面的内容。
二、陶瓷材料的晶体结构1. 颗粒晶体结构陶瓷材料中常见的晶体结构是颗粒状的结构。
这种结构由大量的微小晶体颗粒组成。
这些颗粒有特定的结构排列方式，形成陶瓷材料的整体结构。
2. 结晶晶体结构在其他一些陶瓷材料中，晶体结构呈现出明确的晶格结构。
晶格是由原子或离子组成的周期性结构。
晶体结构的稳定性与晶格的完整性密切相关。
3. 硅酸盐晶体结构硅酸盐是一种重要的陶瓷材料类型，其晶体结构含有硅和氧的化合物。
硅酸盐的晶体结构可以用于制造陶瓷工艺品、建筑材料等。
三、陶瓷材料的应力分析1. 内应力陶瓷材料在制备或使用过程中，会受到各种力的作用，从而产生内应力。
内应力可能导致陶瓷材料的破裂或变形。
对陶瓷材料的应力分析是为了预测和控制内应力的产生。
2. 热应力热应力是由于温度变化引起的。
在陶瓷材料的制备过程中，高温和冷却过程会导致温度的变化，从而产生热应力。
热应力是陶瓷材料中常见的一种应力形式。
3. 力学应力陶瓷材料在受到外力作用时，会产生力学应力。
力学应力的大小和方向与外力的大小和方向密切相关。
对陶瓷材料的力学应力进行分析有助于了解材料的强度和韧性。
四、工程应用陶瓷材料的晶体结构和应力分析在工程领域有着广泛的应用。
例如，在陶瓷制品的设计和开发过程中，通过对晶体结构的研究，可以改善材料的性能和品质。
同时，应力分析可以帮助工程师预测陶瓷材料在使用过程中可能产生的破裂和变形情况，从而设计更可靠的陶瓷产品。
五、结论陶瓷材料的晶体结构对其性能有重要影响。
对陶瓷材料的晶体结构进行研究可以改善材料的品质和性能。
同时，应力分析对于预测和控制陶瓷材料的破裂和变形具有重要意义。
通过合理的晶体结构设计和应力分析，可以提高陶瓷材料的可靠性和应用价值。
陶瓷材料的晶体结构与应力分析是一个复杂而有趣的课题。
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。
1.3 硅酸盐晶体结构
C、链状硅酸盐
1.单链状
共用2顶： [Si2O6]4－
硅氧四面体通过桥氧相连，在一维方 向无限延伸的链状结构
辉石R2[Si2O6]
硅灰石中[Si3O9]
[Si2O6]n4n－
2、双链状硅酸盐
平均共用两个半顶 [Si4O11]6－
两条相同的单链通过尚未公用的氧连 起来在一维方向无限延伸的带状结构
双链：闪石中[Si4O11]通过一个辉石单链镜面的反映 成双而得
23
链状结构硅酸盐的解理
链状结构硅酸盐中，链上为键合较 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 Eg. 角闪石石棉呈细长纤维状－由于 双链结构单元的解理所致
环状结构单独存在，通过其他阳离子相连
实例：绿柱石 Be3Al2[Si6O18] 六方晶系 [Si6O18]12-六节环
桥氧和非桥氧 [SiO4]之间的共用O2－电价已饱和，不和 其他阳离子相配位，该O2－为桥氧 [SiO4]中O2－仅与一个Si4＋相连，尚有剩 余电价与其他阳离子相配位，称该O2－为 非桥氧
(2) 硅氧四面体 Si 的四个等价 SP3 杂化轨道各与一
个氧键合，形成硅氧四面体[SiO4]4－―――
无机硅酸盐结构亚单元；极性结构
Si－O键：离子键和共价键各占1/2 硅氧四面体可孤立存在也可共顶连 接，每个O最多被两个四面体共有
2、无机硅酸盐在空间的结合 (1) 结构亚单元间的结合形式 A、直接连接－－共顶(棱、面) 共用顶角氧 B、间接连接 a、离子键键合：为达电中性引入 正离子而形成的离子键 b、分子间力：亚单元(及其结合体) 间的Van der waals力
硅酸盐晶体结构(无机材料科学)
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
1266硅酸盐矿物的晶体结构一岛状结构镁橄榄石mg2sio4或2mgosio2二组群状结构绿宝石be3al2si6o18或3beoal2o36sio2三连状结构透辉石camgsi2o6的结构caomgo2sio2四层状结构层状结构矿物的特点1高岭石结构al2o3?2sio2?2h2o或al4si4o10oh82蒙脱石微晶高龄石的结构al2si4o10oh8?nh2o理论式3滑石的结构mg3si4o10oh24伊利石结构化学式k115al4si765al115o20oh45白云母化学式kal2alsi3o10oh2五架状结构1石英晶体结构
透辉石晶体结构（010）面投影图
23
由图2-63A，链之间由Mg2+和Ca2+ 相连， Mg2+的配位数是6（图中2个“25” O2-， 2个“10”，2个“-10”）；Ca2+的配位数是8，其中4个非桥氧和4个桥氧（图中2 个“75” O2-，2个“10”，2个“48”， 2个“52” ）； ， 由图B透辉石的（001）面投影和见，Mg2+主要负责硅氧链中[SiO4]的顶角之 间连接。Ca2+主要负责硅氧链中[SiO4]的底面之间连接。 ‖c轴，(1)、(2)二条 链顶角指向左、右。 ‖a轴，(1)、(3)二条顶角相背， (2)(4)二条顶角相对。
堇青石Mg2Al3[AlSi5O18] 与 绿宝石结构相同，六节环 中的[SiO4]被[AlO4]取代， 而环外的（Be3Al2 ）被 （Mg2Al3）取代，保持电 价平衡。
第二讲 硅酸盐晶体结构
1.链的类型、重复单元与化学式 硅氧四面体通过共用的氧离子相连接，形成向一
维方向无限延伸的链。依照硅氧四面体共用顶点数目 的不同，分为单链和双链两类。
如果每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，见图 。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]。在单链结构中，按照重复出 现与第一个硅氧四面体的空间取向完全一致的 周期不等，单链分为1节链、2节链、3节链……7 节链等7种类型，见图。
四方环
六元环
O2-有两种位置标高 （1）22, 23, 27, 28（约为25附近）； （2）72, 73,（-27）73, 77, 78（约75附近）
Mg2+有两种位置标高： （1）0, 50；（2）25, 75
绿宝石晶胞在（0001）面上的投影（上半个晶胞）四、链状结构 Nhomakorabea 、层状结构
某些层状矿物还有另外一个特点，
就是单元层之间 结合力很弱，容易 渗入 大量水分子。
如 蒙脱石
五 、层状结构
五 、层状结构
滑石和叶蜡石都是玻璃和陶瓷工业重要原 料
滑石：用于制备绝缘、介电性能良好的
滑石瓷和堇青石瓷。
叶蜡石：常用作硼硅质玻璃中引入
Al2O3的原料。
五 、层状结构
五 、层状结构
(1)高岭石（1:1型） （kaolinite） [SiO4] + [AlO6]
1
O3
Si2
四
2
3
O 2+ OH
单位晶胞
Al 3 (OH)2 图 高岭石晶体结构
八
离子取代很少 化学组成比较纯净 单元层间不容易渗入水分子 阳离子容量小
维方向无限延伸的链。依照硅氧四面体共用顶点数目 的不同，分为单链和双链两类。
如果每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，见图 。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]。在单链结构中，按照重复出 现与第一个硅氧四面体的空间取向完全一致的 周期不等，单链分为1节链、2节链、3节链……7 节链等7种类型，见图。
四方环
六元环
O2-有两种位置标高 （1）22, 23, 27, 28（约为25附近）； （2）72, 73,（-27）73, 77, 78（约75附近）
Mg2+有两种位置标高： （1）0, 50；（2）25, 75
绿宝石晶胞在（0001）面上的投影（上半个晶胞）四、链状结构 Nhomakorabea 、层状结构
某些层状矿物还有另外一个特点，
就是单元层之间 结合力很弱，容易 渗入 大量水分子。
如 蒙脱石
五 、层状结构
五 、层状结构
滑石和叶蜡石都是玻璃和陶瓷工业重要原 料
滑石：用于制备绝缘、介电性能良好的
滑石瓷和堇青石瓷。
叶蜡石：常用作硼硅质玻璃中引入
Al2O3的原料。
五 、层状结构
五 、层状结构
(1)高岭石（1:1型） （kaolinite） [SiO4] + [AlO6]
1
O3
Si2
四
2
3
O 2+ OH
单位晶胞
Al 3 (OH)2 图 高岭石晶体结构
八
离子取代很少 化学组成比较纯净 单元层间不容易渗入水分子 阳离子容量小
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1章 晶体结构(3)-硅酸盐晶体结构(1)
[SiO4]4-
[Si2O7]6-
[Si3O9]6-
[Si6O18]12-
（Ob）： [SiO4]之间通过某个顶角的氧相互连接时，这个氧称作桥氧；
（Onb）或自由氧： [SiO4]某个顶角的氧与其他阳离子连接，这个氧称作非桥氧。
第1章 晶体结构——1.3 硅酸盐晶体结构
BMBMBMBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBBBBBBBB
—— 典型的极性共价键 O－Si－O键为夹角不等折线，
一般145o左右
第1章 晶体结构——1.3 硅酸盐晶体结构
BMBMBMBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBBBBBBBB
第1章 晶体结构——1.3 硅酸盐晶体结构
BMBMBMBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBBBBBBBB
n 基本结构单元：[SiO4]四面体。 n [SiO4] 每个顶点，即O2-最多为两个[SiO4] 所共用； n 两相邻[SiO4] 之间只能共顶而不能共棱或共面连接； n [SiO4] 中心Si4+可部分被Al3+ 所取代。 n 除了硅和氧以外，还含有其他阳离子多达50多种，其结
BMBMBMBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBBBBBBBB
晶态结构-3剖析
架状结构硅酸盐中最常见的阳离子是 K+、Na+、Ca2+、Ba2+等。
⑴长石类—M[T4O8] M = K+、 Na+、Ca2+、Ba2+ T =Si4+、Al3+ 结构单元：由[TO4]四面体连接形成的 四元环。
长石的结构沿a轴（010）四元环
垂直a轴方向的长石结构平面--(201)面
⑵沸石类--[Mp/nn+[AlpSiqO2(p+q)]mH2O
状硅酸盐，如石棉。
蓝石棉
温石棉
H4 (Mg Fe)3 Si2O9
SiO44－ 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，得片层状硅酸盐。 如云母 KMg3 ( OH )2 Si3 AlO10
金云母
H4K2Mg6Al2Si6O24
SiO44－ 共用四个顶点，结成三维网络状结构，如沸石类。 沸石有微孔，有笼，有吸附性。因为是晶体，不同于硅胶， 孔道规格均一。根据孔径的大小，可筛选分子，称沸石分子筛。 由于沸石分子筛的孔道一致，故对分子的选择性强，不同于 活性炭，见下图的对比。
辉石结构中阳离子配位位置
⑵双链：[Si2nO6n-1](4n-2)n为一个重复单元中硅氧四面体数的 1/2；１为一个重复单元中两个单链间 的交连数。
角闪石类 [Si4O11]6-双链，平行c轴延伸。相当于 由两个辉石单链并列连接构成，每四 个硅氧四面体为一重复单位。
角闪石型双链[Si4O11]6-
Mn+：Na+、K+、Ca2+、Mg2+等
n：阳离子电荷数
m：水分子数，数值有很大的变化范围
沸石结构特征是[(Al，Si)O2]n骨架的开 放性。结构中有许多孔径均匀的孔道 和大的孔穴，含有K、Na、Ca等阳离 子和水分子。
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环状结构单独存在，通过其他阳离子相连
实例：绿柱石 Be3Al2[Si6O18] 六方晶系 [Si6O18]12-六节环
桥氧和非桥氧 [SiO4]之间的共用O2－电价已饱和，不和 其他阳离子相配位，该O2－为桥氧 [SiO4]中O2－仅与一个Si4＋相连，尚有剩 余电价与其他阳离子相配位，称该O2－为 非桥氧
滑石结构 复网层，层间范氏力
4. 复网层－蒙脱石结构 Al2[Si4O10](OH)8x· nH2O 叶蜡石含层间水 两层硅氧四面体 一层铝氧二八面体层 层间范德华力相连 与多水高岭石不同： 蒙脱石：含水量可变 多水高岭石：水量有限
三层
n H 2O
n H2O
蒙脱石：含水量可变？ Al－O八面体层中约1/3 Al3＋可被Mg2＋取代，复网 层带负电（层间有斥力） 结构层中进入其他水化阳离子以平衡电价，水易渗 透进层间膨胀，进入的正离子易于被交换－可交换 阳离子容量大 (Al2－xMgx)[Si4O10](OH)8(MxnH2O) M－如Na＋，Ca2＋，以水化阳离子形式进入 C值随结构层间水分子及交换阳离子情况改变
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 四面体Si4+ CN=4， 与Si相键合的每个价 键S=4/4=1 Al－O八面体
1/2
1/2
1
高岭石结构单元
每个O2－两价：2个Al3＋各从O2－分1/2价，Si4＋ 分另1价，价键平衡，故八面体中O2－被两个阳 离子共用——二八面体
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 四面体排列
E、网状结构硅酸盐（架状）
共用四个顶角：
硅氧四面体排列成为具有三维网络空
间的“架”状 Si：O＝1：2
化学式：nSiO2 当Al3＋取代Si4＋：则R[AlSiO4]或
[AlSi3O8]
(Al+Si):O=1:2
共用四个顶角
长石网（架）状硅酸盐结构
Al3＋→Si4＋：同晶置换
47
硅酸盐结构中的同晶置换 网状结构硅酸盐的[SiO4]4－中，常有一定 数量的Si原子被Al原子置换，使某些氧原子 产生不饱和的键合轨道，晶体结构达不到
(2) 硅氧四面体 Si 的四个等价 SP3 杂化轨道各与一
个氧键合，形成硅氧四面体[SiO4]4－―――
无机硅酸盐结构亚单元；极性结构
Si－O键：离子键和共价键各占1/2 硅氧四面体可孤立存在也可共顶连 接，每个O最多被两个四面体共有
2、无机硅酸盐在空间的结合 (1) 结构亚单元间的结合形式 A、直接连接－－共顶(棱、面) 共用顶角氧 B、间接连接 a、离子键键合：为达电中性引入 正离子而形成的离子键 b、分子间力：亚单元(及其结合体) 间的Van der waals力
滑石Mg3(Si4O10)(OH)2 白云母 KAl2[AlSi3O10](OH)2 叶蜡石Al2[Si4O10](OH)2
该晶体：化学式→结构式： KBaMg6[Al3Si5O20]F4 [SiO4]中4Si4＋被Al3＋取代，层间K＋、Ba＋，F-取代OH-， Mg三八面体型，可见：与白云母相关
由于氧原子用于键合的是两个具有 方向性的轨道，所以 [SiO4]4 － 亚单元之 间通常以共顶相连接，偶尔共棱，从不 共面 （泡林规则：Si高电价、低配位）
硅酸盐晶体结构特点：
1.[SiO]4是结构基础 2.Si4＋间不直接相键，通过O2-来实现 3.[SiO]4每个顶点，即O2－最多能被2个 [SiO]4所共用 4.两个相邻的[SiO]4之间可以共顶，而不以 共棱，共面相连接
2015/11/10 杨为中 材料物理化学
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层间离子键、分子间力或H键连系
层中离子取代：如：[SiO4]层中部分Si4＋被 Al3＋取代；[AlO6]层中部分Al3＋被Mg2＋取代， 为平衡结构中多余负电荷，引入低电价、半 径大的其他阳离子（如Na＋，K＋）：离子健
[AlO6]层中的取代，结合并不牢固，一定 条件下可进行阳离子交换 [SiO4]层中的取代，且量较多，层间产生 离子键作用，结合牢固
离子取代不易，仅在最外层结构发生 结合不稳，可与其他离子进行交换
为平衡多余负电荷，层间吸附K、Na、Ca等离子，
高岭石
K
Ca2+
高岭石
Ca
＋ K+
层间氢键较强，可交换阳离子容量低
高岭石层间含水－多水高岭石 c轴伸长
＋
2. 叶蜡石－复网层 Al2[Si4O10](OH)2
两层硅氧四面体 三层 一层铝氧八面体 八面体为[AlO4(OH)2] 4个O，2个OH 层间：范氏力：片状解理
每个Al3＋同时和2个O2－、 4个OH－相连，形成 [AlO(OH)4]八面体，硅 氧层和水铝石层构成单 网层 Al3＋填充2/3八面体空隙 －二八面体层
高岭石结构单元 Al－O八面体层中此层为OH－离子，通过此 层的H键作用与其他层相连接
同晶置换：四面体中Si4＋被Al3＋或M2+取代，多余 负电荷，高岭石带负电
c、单链状：共用2顶
双链状：平均共2个半顶
双岛状：共用1顶
2： 7
1： 3
4：11
Si/O比↑
d、层状：共用3顶
e、网状（架）：共用4顶
4：10
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
双链：闪石中[Si4O11]通过一个辉石单链镜面的反映 成双而得
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链状结构硅酸盐的解理
链状结构硅酸盐中，链上为键合较 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 Eg. 角闪石石棉呈细长纤维状－由于 双链结构单元的解理所致
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
D、层状结构硅酸盐
层状，共用三个顶： [Si4O10]4－
剩余1个 活性氧
层状结构硅酸盐的结构单元 [SiO4] 通过 三个桥氧相连，在二维方向无限延伸构成硅 氧四面体层 硅氧四面体中非桥氧一般由阳离子以 CN ＝6相连构成[AlO6]、[MgO6]等八面体
层状硅酸盐结构中八面体层和四面体层的 连接方式有两种：
C、链状硅酸盐
1.单链状
共用2顶： [Si2O6]4－
硅氧四面体通过桥氧相连，在一维方 向无限延伸的链状结构
辉石R2[Si2O6]
硅灰石中[Si3O9]
[Si2O6]n4n－
2、双链状硅酸盐
平均共用两个半顶 [Si4O11]6－
两条相同的单链通过尚未公用的氧连 起来在一维方向无限延伸的带状结构
5. 白云母 KAl2[AlSi3O10](OH)2
复网层 2：1 [SiO4]层中离子取代： Al3＋→1/4Si4＋ 层间K＋平衡负电荷 层间:离子键结合 结合力较强
【Eg.】在实验中，从一种熔体玻璃中结晶出层状 晶体，经X射线衍射法鉴定，它们是单相（一种 晶体结构）。化学分析表明其具有复杂化学式： KF· AlF3 · BaO · MgO · Al2O3· 5MgO · 5SiO2，请说 明该晶体与何种晶体类型有关 A.滑石、B.白云母、C.叶蜡石
Al2 [Si4O10 ](OH )2 nH 2O
层间水含量受交换阳离子及空气潮湿环境影 响，吸水膨胀性（层间距↑），水分子逸出， 层间距↓
(2) 常见无机硅酸盐的结构形式
硅酸盐
硅氧四面体 Si/O比
1： 4
a、岛状：不共顶
b.双岛状、环状→ b组群状（共用 、环状：共用2顶 1顶或2顶）1：3
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3. 复网层：滑石 Mg3(Si4O10)(OH)2
单斜晶系，两层硅氧四面体中间夹一层镁氧（氢 氧）三八面体组成 看作叶蜡石中2个Al3+被3个Mg2＋取代， Mg2＋填 满全部八面体空隙（三八面体） 八面体层：[MgO4(OH)2]水镁层/水氢氧层 层间：范德华力－解理完全：滑腻感
并对其结构简单说明。
滑石： Mg3(Si4O10)(OH)2 白云母： KAl2[AlSi3O10](OH)2 叶蜡石： Al2[Si4O10](OH)2
如何入手？
1.分析A滑石、B白云母、C叶蜡石结构； 2.该晶体结构？化学式→结构式！！ 3.比较说明。
解：A、B、C：2：1型，层状结构 A.滑石－三八面体；C.叶蜡石－二八面体 B.白云母－[SiO4]中1/4Si4＋被Al3＋取代，多余负电荷由层间进 入K＋平衡
2.结构水：（化合水）以OH－存在，参与 晶体结构，占据晶格固定位置，含量比确 定，600～1000℃逸出导致结构破坏重组
Al2 [Si2O5 ](OH )4
硅酸盐矿物中的水分子
3.层间水：层状硅酸盐结构层之间，中性水分 子，参与晶体结构，含量大范围波动，110 ℃ 以上大量逸出