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。

2）一个氧离子最多只能被2个[SiO4]四面体所 共有。
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3）Si4+间不存在直接的键，通过O2-联接。

4）[SiO4]四面体可弧立存在，或两个[SiO4]
四面体间共顶相连。不能共棱，共面相连。

5）Si-O-Si的结合键不形成一直线，而是折线，
键角接近 。 145
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2)蒙脱石（微晶高岭石）是膨润土的主要成分。 化学式：Al2O3· 4SiO2· 2O+n H2O H Al2[Si4O10]（OH）2 · H2O n
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3)滑石
化学式：3MgO· 4SiO2· 2O H Mg3[Si4O10](OH)2 构成：把叶腊石结构中Al3+用Mg2+取代，为保持电中性，3个
Al2[Si4O10]（OH）2
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与高岭石的最大区别：
①由二层结构→三层结构
②Al3+八面体由原来AlO2(OH)4)→AlO4(OH)2)，结构水降低。 ③复网层间为范氏力结合，原来结构一端为O2-，一端为OH-， 变成现在两端均为O2-。 ④C轴比高岭石大的多，叶腊石是生产半硅质耐火材料原料。

[Si4O10]n4n-。
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（3）对每一个[SiO4]，其中三个氧又与另外Si4+相连， 只有一个活性氧，这个活性氧因价态未饱和，不 稳定，所以它可以同其它阳离子相连接，如Al3+、
Mg2+、Ca2+、Fe2+、Li+、Na+、K+等。
（4）层内键力》层间键力，易沿层间解理。
（5）硅氧层可以分两类：
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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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双层结构
三层结构 皂石 蛭石 层间水 金云母
三 八 面 体
叶蛇纹石
第三层
层间水 -Si 滑石 +Al+k
二 八 面 体
-2Al+3Mg 第三层 高岭石
层间水 多水高岭石
-2Al+3Mg
叶腊石
-2Al+3Mg
白云母
-Si +Al+k 层间水
蒙脱石
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六 架状硅酸盐
‫ڻ‬最大特点：每个[SiO4]中
Mg2+取代2个Al3+
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5、云母类
构成：可由叶腊石演化而来，
即把叶腊石[SiO4]层中每4个 Si4+用Al3+取代一个，同时引 进一个K+（电价平衡）。K+ 半径较大，留在复网层中，
即成白云母结构。
化学式： K2O· Al2O3· 3 6SiO2· 2O 2H
KAl2[Al Si3O10](OH)2
1.4.3
铝：7.45wt% 硅：26.0wt% 氧：49.13wt%
硅酸盐晶体结构
地壳中的主要矿物为硅酸盐和铝硅酸盐 基本结构单元的构造 间的连接 基本结构单元
结构和性质上特征等
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一、硅酸盐晶体结构的一般特点和分类 1、硅酸盐晶体结构基本特点

1）Si-O→[SiO4]四面体，是硅酸盐结构基本 单元，起骨干作用。
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2、 硅酸盐晶体结构分类
桥氧：连接2个Si4+的氧，Si-O-Si
R
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 三节环 一个桥氧 三个桥氧 Si:O=2:7
高的[SiO4]通过桥氧彼此相连。
各离子群形成螺旋状，关在同 一状态下逆时针旋转， 50→83→116
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α-石英与β-石英结构区别
β-石英中 Si4+发生错动，Si-O-Si 位置略有改动，键角发生变化， 晶格发生变形，使对称性下降，六次对称轴变为三次对称轴。
氧相连，Si:O=4:10
⑤架状硅酸盐
层状

[SiO4]在三维方向通过桥
氧相连，Si:O=1:2
架状
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3、硅酸盐表示法

1）化学组成表示法 即把构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和 顺序全部写再来，先是一价的碱金属氧化物，其次是 2价、3价的金属氧化物，然后是SiO2，最后是H2O。 如高岭石：Al2O3· 2SiO2· 2O。 2H 绿柱石：3BeO· 2O3· Al 6SiO2。 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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阳离子发生取代可生成一系列云母，如：Al3+被Mg2+取代，
生成金云母，较多Mg2+被Fe2+取代则生成黑云母等。金云
母加层水即为蛭石。

云母可作为新型电绝缘材料和微晶玻璃材料，近代科学中， 云母陶瓷：抗腐蚀、热冲击、机械强度高、介电性好。云 母微晶玻璃：高强、热冲击、切割、用于国防。
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二、岛状结构 化合物分子式： 2R2O· 2→R4[SiO4] SiO 2RO· 2→R2[SiO4] SiO RO2· 2→R[SiO4] SiO
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镁橄榄石（M2S)结构
（1）鲍林规则 1）
rSi 4 rO 2
rMg 2 rO 2
0.039 0.295 ，Si-O→[SiO4]四面体 0.132


四节环
六节环
四个桥氧
六个桥氧
Si:O=1:3
R
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双四面体
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三节环和六节环
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③链状硅酸盐

单链：[SiO4]在一维方向通过桥氧 相连，Si:O=1:3

双链：两个[SiO4]单链在一维方向 通过桥氧相连4:11
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④层状硅酸盐

[SiO4]在二维方向通过桥
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3、石英结构 α-石英 β-石英 六方晶系，P6222 空间群，a=0.496nm，c=0.545nm。 三方晶系，P3121 空间群,a=0.49nm,c=0.539nm.
从 α-石英在（0001）面上的投影图可知
€每个Si4+周围的四个O2-，两个
比Si4+低，每个[SiO4]上离子排 列在高度不同的三层，不同标
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三、
组群状硅酸盐结构
组群状结构：由[SiO4]4- 通过共用氧（桥氧）相连生成的２ 个，３个，４个或６个硅氧组群。
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绿柱石3BeO· 2O3· Al 6SiO2

结构特点：六个[SiO4]四面体 组成一个六节环，沿着C轴平 行排列，粗线组成的六节环是 上面一层，细线组成的六节环 是下面一层，上、下层投影不
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
重叠，相差 ，环与环之间 30
不直接相连，通过Al3+和Be2+联 系起来，Be-O→[BeO4]四面体， Al-O→[AlO6]八面体，[BeO4] 与[AlO6]共棱相连。
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结构与性质的关系：绿柱石结构的六节环内没有
其它离子存在，使晶体结构中存在大的环形空腔，
当有电价低、半径小的离子（如Na+）存在时，在
直流电场中，晶体会表现出显著的离子电导，在
交流电场中会有较大的介电损耗，当晶体受热时， 质点热振动的振幅增大，大的空腔使晶体不会有 明显的膨胀，因而表现出较小的热膨胀系数。
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五
层状结构基本特点：

层状结构
（1）由[SiO4]彼此通过三个公共氧连接成位于一个平面上的 六节环向二维空间延伸构成硅氧层。 （2）在六节环的硅氧层中可取出一个矩形单位，a=0.52nm， b=0.90nm，结构单元[Si4O10]4-，整个[SiO4]层化学式表示为
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(4)属于该类型结构有： Zr[SiO4]、(Mg、Fe)2 [SiO4]或(Ca、Mg) 2[SiO4]橄榄石，
三石（硅线石，红柱石，兰晶石），水泥熟料中γ-C2S（γCa2 [SiO4]）。
（５）结构与性质的关系：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。
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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。
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化学式 3MgO· 2SiO2· 2O， 2H
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Hale Waihona Puke Baidu
1) 结构组成： 一层硅氧四面体层与一层[Al（OH）6]八面体层组成，两层结合 时，[SiO4]层中活性氧进入[Al（OH）6]中，取代1/3（OH-）形 成[AlO2（OH）4]八面体→高岭石结构。
高岭石晶体结构 （a）在（001）面投影;，（b）（010）面投影，（100）面投影图
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高岭石结构投影图
结构特点： a) 单网层、一层[SiO4]与一层 [AlO2(OH)4] 相连。 b) 二八面体，三价Al3+填充八面体 空隙， 只填充2/3个。 a) 单网层的一侧为OH-，另一侧为O2-，层 与层间主要为氢键结合。 • 从（001）面投影图可见，[SiO4] 四面 体组成的六节环与[AlO2（OH）4]组成 的六节环的位置是错开的，降低了晶体 结构的对称。 （2）在自然界中常见的高岭石类矿物是高岭 石、地开石、珍珠陶土。
0.078 0.59 ，Mg-O→[MgO6]八面体 0.132
2） S SiO
4 2 1 1 ， S Mg O 6 3 4
2 S SiO i S Mg O , i 1, 3
一个 O2-同时连接一个 Si4+和 3 个 Mg2+或三个[MgO6]八面体和一个[SiO4] 四面体共顶相连。

所有的活性氧都指向同一个方向。
活性氧更迭地指向上和指向下方向。
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（6）层状结构 双层结构（单网层结构）：一个八面体层+四面体 层结构，如：高岭石 三层结构（复网层结构）：一个八面体层+二个四 面体层结构，如：滑石
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1、高岭石（属于单网层结构）
三斜晶系，C1 空间群，晶格常数 a=0.514nm，b=0.893nm， c=0.737nm， 91.8, 104 .7, 90 ， 单位晶胞含有一个分子。 化学组成：Al2O3· 2· 2O 2SiO 2H 结构式： Al4[Si4O10](OH)8
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(2) α-鳞石英结构
六方晶系，P63/mmc 空间群， a=0.5.3nm，c=0.822nm， [SiO4]四面体组成六方片状 网络，构成无限骨架，六方网 层平行于（0001）面，每层 [SiO4]四面体顶角交替地向上、 向下，各层间顶角对顶角相 互连接组成空心结构网架， Si4+和 O2-都按六方底心格子排 列，这是比较理想化的，对低温 鳞石英至今还没有准确结构方案， 有人认为是单斜晶系。
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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· 2O H
Ca2Mg5[Si8O22](OH)2或Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2双链