无机材料科学基础-2.4常见硅酸盐的晶体结构
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(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。
六节环:绿宝石Be3Al2[Si6O18]
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
硅酸盐晶体分类方法:
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 O2-数 0 四面体 [SiO4]4[Si2O7]6[Si3O9]6[Si4O12]8[Si6O18]12[Si2O6]4[Si4O11]6[Si4O10]4[SiO2]0 架状 4 骨 架 [AlSi3O8]1[AlSiO4]11 :2 1 :4 镁橄榄石 Mg2[SiO4] 镁铝石榴石 Al2Mg3[SiO4]3 1 组群状 2 双四面体 三节环 四节环 2 :7 1 :3 1 :3 1 :3 1 :3 4 :11 4 :10 硅钙石 Ca3[Si2O7] 蓝锥矿 BaTi[Si3O9] 斧石 Ca2Al2(Fe,Mn)BO3[Si4O12](OH) 六节环 链状 2 2,3 层状 3 单 链 双 链 平面层 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 形 状 络阴离子 Si/O 实 例
体空隙
每个[SiO4] 被[MgO6] 隔开,呈孤岛状分布
(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
中-C2S、-C2S(Ca2SiO4)和C3S(Ca3SiO5)等。
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
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+ 相连接的氧
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
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]
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。
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。
Байду номын сангаас
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
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
(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。
六节环:绿宝石Be3Al2[Si6O18]
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
硅酸盐晶体分类方法:
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 O2-数 0 四面体 [SiO4]4[Si2O7]6[Si3O9]6[Si4O12]8[Si6O18]12[Si2O6]4[Si4O11]6[Si4O10]4[SiO2]0 架状 4 骨 架 [AlSi3O8]1[AlSiO4]11 :2 1 :4 镁橄榄石 Mg2[SiO4] 镁铝石榴石 Al2Mg3[SiO4]3 1 组群状 2 双四面体 三节环 四节环 2 :7 1 :3 1 :3 1 :3 1 :3 4 :11 4 :10 硅钙石 Ca3[Si2O7] 蓝锥矿 BaTi[Si3O9] 斧石 Ca2Al2(Fe,Mn)BO3[Si4O12](OH) 六节环 链状 2 2,3 层状 3 单 链 双 链 平面层 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 形 状 络阴离子 Si/O 实 例
体空隙
每个[SiO4] 被[MgO6] 隔开,呈孤岛状分布
(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
中-C2S、-C2S(Ca2SiO4)和C3S(Ca3SiO5)等。
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
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+ 相连接的氧
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
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]
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。
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。
Байду номын сангаас
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
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