硅酸盐晶体结构
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硅酸盐晶体结构
• 蒙脱石是2：1型结构（见结构模 型），即两层硅氧四面体中间夹一 层铝氧八面体层。在铝氧八面体层 中大约有三分之一的Al3+被Mg2+离 子所取代，为了平衡多余的负电价， 在结构单位层之间有其它阳离子平 衡。化学式中的的M即为其它阳离 子，在蒙脱石中，一般是Na1+和 Ca2+离子。而且以水化阳离子的形 式进入结构。
• 它将与硅氧层以外的阳离子相连。 这种自由氧在空间排列也形成六边 形网格。层状结构中络阴离子的基 本单元是[Si4O10]4-，其a、b轴的方 向分别为a=0.520nm, b=0.90nm。在 各种层状硅酸盐晶体结构中，其晶 胞参数中α0和b0的值大致与此值相 近。
• 在层状结构硅酸盐晶体结构中，自 由氧一般和Al3+、Mg2+、Fe3+、 Fe2+等阳离子相连，它们的配位数 为6，构成Al-O，Mg –O等八面体。 由于硅氧层中自由氧形成六边形网 格，因此Al-O或Mg–O八面体也连 成六边形网格，它们之间有两种连 接方式。
• 在层状硅酸盐晶体结构中，硅氧四 面体层和铝氧或镁氧八面体层的连 接方式有两种，一种是由一层四面 体层和一层八面体层相连，称为1： 1型或两层型层状结构（见高岭土结 构模型）。另一种是由两层四面体 层中间夹一层八面体层，称为2：1 型或三层型层状结构（见滑石结构 模型）。
• 不论是两层还是三层，从这样的结 构单位来看，电荷已经平衡。因此 层状结构中，二层与二层或三层与 三层之间只能以微弱的分子键或 OH1-离子产生的氢键来联系。由于 这种键力很弱。所以，在二层或三 层的结构单位之间可以有水分子存 在。
• 在α-方石英中，两个共顶的硅氧四 面体相连，相当于以共用氧为对称 中心。由于这三种石英的硅氧四面 体的连接方式不同，因此它们之间 的转变将拆开Si-O键，重新组合成 新的骨架。
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
• 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
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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，
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。
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。
无机材料科学基础-之-硅酸盐的晶体结构
C0 Si
Al(Mg) H2O
C0 Si
Al(Mg)
H2O
(A) (B)
39
（5）层状结构中， 如果在Si—O四面体 层中，部分Si4+离子 被A13+离子代替，或 Al—O八面体层中， 部分A13+离子被Mg2+ 或Fe2+离子代替时， 则结构单位中电荷就 不平衡，有多余的负 电荷出现。这时，可 以进入一些电价低而 离子半径大的水化阳 离子(如K+，Na+等) 来平衡多余的负电荷。
桥氧、非活性氧： 两之间个共[Si用O的4]四氧面离体子。
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
桥氧、非活 性氧
6
二、分类 硅酸盐晶体种类繁多，是构成地壳的主要矿
物，也是水泥、普通陶瓷、玻璃、耐火材料等传 统硅酸盐工业的主要原料。各种硅酸盐晶体结构 共同的特点是结构中都含有硅氧四面体[SiO4]， 硅酸盐晶体结构就是以这些[SiO4]作为基本结构 单元，由它们相互连接构筑起来的，并且它们之 间的不同连接方式，就决定了硅酸盐晶体的结构 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。
C0 Si
Al(Mg) H2O
(A)
40
（6）如果结构中取 代主要发生在Al—O八 面体中，进入层间的 阳离子与层的结合并 不很牢固，在一定条 件下可以被其它阳离 子交换。可交换量的 大小即称为阳离子交 换容量。
如果取代发生在Si—O 四面体中，且量较多 时，进入层间的阳离 子与层之间有离子键 作用，则结合较牢固。
25 -9
52 59
75 9
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。
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。
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。
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
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
• 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
硅酸盐晶体的基本结构单元
硅酸盐晶体的基本结构单元
硅酸盐晶体是由硅酸盐离子（如硅酸根离子）和配位阴离子（如氧离子、氯离子等）构成的。
硅酸盐离子和配位阴离子之间通过离子键相连，形成三维的网络结构。
这种网络结构中，硅酸盐离子和配位阴离子交替排列，形成一种称为硅氧四面体的基本结构单元。
硅氧四面体是由一个硅原子和四个氧原子组成的四面体结构，其中硅原子位于四面体的中心，四个氧原子位于四面体的顶点。
硅氧四面体中的硅原子与相邻的四个氧原子之间通过共价键相连，形成了一个稳定的正四面体结构。
这种结构单元在硅酸盐晶体中重复排列，形成了硅酸盐晶体的基本结构。
此外，硅酸盐晶体中还可能存在其他类型的结构单元，如铝酸根离子、锆酸根离子等，这些结构单元也可以与配位阴离子一起构成硅酸盐晶体的基本结构。
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较小的膨胀系数
堇青石：
Mg2Al3[AlSi5O18]
四、链状结构
[SiO4]通过共用氧离子在一维方向延伸 成链状，链与链之间由其他阳离子相连。
结构基元 单链： [Si2O6]4－ 双链： [Si4O11]6－ Si：O 1：3 4：11 共用O2－数 化学式 [Si2O6]n4n
－
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2，3
[Si4O11]n6n－
层分为单网层和复网层。
单网层（1：1型）：Si－O层＋水铝（镁）石层
硅氧层中所有的活性氧均指向同一个方向
复网层（2：1型）：Si－O层＋水铝（镁）石层 ＋ Si－O层
两层硅氧层中的活性氧交替的指向相反的方向
活性氧的电价由其它金属离子来平衡，一般为配位数为6的Mg2+和Al3+离 子，水分子以OH-的形式存在这些离子的周围，形成水铝（镁）石层
石英 磷石英 方石英 熔体
870 C 1470 C 1723 C
573℃
160℃
268℃
－石英
－磷石英
117℃
－方石英
磷石英
横向：重建型转变（一级转变）
纵向：位移型转变（二级转变）
石英多晶转变
重 建 型 转 变 位 8 7 0 C 1 4 7 0 C 移 石 英 鳞 石 英 方 型 7 3 C 1 6 0 C 转 5 变 方 石 英 鳞 石 英
而是通过O2－来实现键的连接；
3）[SiO4]的每一个顶点，即O2－最多只能为两个
[SiO4]所共有；
4）两个相邻的[SiO4]之间可以共顶而不可以共 棱共面连接
3、硅酸盐晶体结构类型
二、岛状结构
在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]以孤立状态存在， [SiO4]之间通过其他阳离子连接起来，这种结构称
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
[AlO4（OH）2]
的连两 水接层 铝两硅 石个氧 层硅层 中氧与 的层夹 铝 在 离 中 子 间 的 的 配 水 位 铝 数 层 为 构 成 6 ， 的 复 网 层 ，
易发生离子取代作用：Al3+被Mg2+取代 为了平衡电价，M+或M2+进入
取代后实际化学式： MgxAl2-x[Si4O10](OH)2· Mx· nH2O
单链：每个硅氧四面体通过共用两个顶点向一维方向无限延伸
双链：两条相同的单链通过尚未共用的氧组成带状
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，可分1节链……
单链结构类型
具有链状结构的晶体有：
辉石类硅酸盐结构中含有[Si2O6]单链，如透
辉石CaMg[Si2O6]、顽火辉石Mg2[Si2O6]等。链间
为岛状结构。
结构基元：四面体，[SiO4]4－
化学式： [SiO4]n4n－ Si/O： 1：4
岛状硅酸盐晶体主要有锆石英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-C2S、 -C2S和C3S等。
例：镁橄榄石，Mg2[SiO4]
绿宝石：
[SiO4]四面体组成 Be3Al2[Si6O18] 的六节环，环与环相叠 环与环之间通过Be2+与 Al3+离子相连 Be2+处于四面体空隙中 Al3+处于八面体空隙中
绿宝石晶胞在（0001）面上的投影（上半个晶胞）
结构与性质的关系：
显著的离子电导：六节环空腔，是否有其它离子
存在
较大的介电损耗
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，
结构基元：[SiO2] ——电中性
1）Si/O＝1：2，石英及其变体，化学式：[SiO2]n 2）Al3＋取代Si4＋，（Al＋Si）/O＝1：2， 化学式：[AlxSi（n－x）O2n]x－，
其他阳离子K＋、Na＋、Ca2＋进入，为长石族晶体，
1、石英晶体结构
石英在不同的热力学条件下存在七种不同的变体：
Al2O3 6SiO2
符号 k[AlSi3O8] Na[AlSi3O8] Ca[Al2Si2O8] Ba[Al2Si2O8] Or Ab An Cn
长石的基本结构单元：四联环
例：透长石 K[AlSi3O8]
本节重点
硅酸盐晶体的表示方法； 硅酸盐晶体的结构特点； 硅酸盐晶体结构的五种类型、结构基 元、Si/O、共用O2－数； 层状、▲架状、（绿宝石）的结构 与性质的关系
材料科学基础
膨润性 每三层之间结合力弱，很容易渗入 水分子，使 c 轴晶胞参数出现随着渗入
水量而变化的现象，因而被称作膨润土
材料科学基础
3、滑石结构: Mg3[Si4O10]（OH）2
[MgO4（OH）2]
O S
O + 2
M
图3-39 滑石晶体结构
O + 2
材料科学基础
S
滑石晶体单元层间依靠 分子力结合 ， 所以具有很好的片状 解理，滑腻感 很强 • • 爽身粉的主要原料 可用作高分子材料的填料
1
2
3
图3-37 高岭石晶体结构
材料科学基础
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
材料科学基础
2、蒙脱石结构
理论化学式为 ：
Al2[Si4O10](OH)2· nH2O 实际化学式为：
(Al2-xMgx)[Si4O10](OH)2· （Nax· nH2O）
层间靠分子力结合，Al3+可被Mg2+取代
材料科学基础
•
两层型（1:1型）：1层[SiO4] + 1层
[AlO6]/[MgO6]相互交替排列而成
•
三层型（ 2:1 型） ：两层 [SiO4] 层间
夹一层[AlO6] / [MgO6]而形成，整个硅酸盐
结构就是以这两层或者三层作为单元，重复
堆积而成。
材料科学基础
每两层或每三层单元内质点之间是化学
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
•
滑石瓷是一种以滑石为主要原料、电性
能优良的高频装置瓷。
材料科学基础
4、伊利石结构、白云母结构
伊利石： K1～1.5Al4[Al1～1.5Si7～6.5O20]（OH）4 白云母：KAl2[AlSi3O10]（OH）2
六、架状结构 [SiO4]之间通过四个顶角的桥氧相连，向三 维空间无限发展的骨架状结构称为架状结构。
来平衡多余的负电荷，在一定条件下，这些水化阳
离子可以被其他阳离子所交换，这种现象称为阳离
子交换。可交换量的大小称为阳离子交换容量。
1、高岭石结构： Al [Si O ](OH) 4 4 10 8
[AlO2（OH）4]
的硅 水氧 铝层 石与 层水 中铝 的层 铝构 离成 子的 的单 配网 位层 数， 为连 6接 ，两 个 单 网 层
沿层间 解理，或者在层间 渗入水分子
材料科学基础
根据水铝（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。 二八面体： 2/3的八面体空隙被阳离子所填充 Al－O八面体，[AlO6] 三八面体： 全部八面体空隙被阳离子所填充
Mg－O八面体，[MgO6]
阳离子交换：
在[AlO6]层中，部分Al3＋被Mg2＋、Fe2＋取代 时，一些水化阳离子（如Na＋、K＋等）进入层间
1 1 7 C
材料科学基础
石英的三个主要变体：-石英、-鳞石英和
-方石英结构上的主要差别在于硅氧四面体之间
的连接方式不同
α－石英结构
β－石英结构
α－方石英结构
α－磷石英结构
α－磷石英与α－方石英中[SiO4]的不同连接方式：
2、长石晶体结构
R2O RO
钾长石 钠长石 钙长石 钡长石
镁橄榄石晶体的理想结构
（a）（100）面上的投影图
（b）（001）面上的投影图
（c）立体侧视图
同晶取代： 杂质离子取代晶体结构中某一结点而不 改变晶体结构的现象。
Mg2 SiO4 取代 Fe MgSiO4
Ca MgSiO4
被Ca取代 Mg Ca 2 SiO4
[AlO6]/[MgO6]相互交替排列而成
•
三层型（ 2:1 型） ：两层 [SiO4] 层间
夹一层[AlO6] / [MgO6]而形成，整个硅酸盐
结构就是以这两层或者三层作为单元，重复
堆积而成。
材料科学基础
每两层或每三层单元内质点之间是化学
键结合 ，很牢固，而单元层之间是依靠 分 子键或者氢键结合，结合力较弱，很容易
堇青石：
Mg2Al3[AlSi5O18]
四、链状结构
[SiO4]通过共用氧离子在一维方向延伸 成链状，链与链之间由其他阳离子相连。
结构基元 单链： [Si2O6]4－ 双链： [Si4O11]6－ Si：O 1：3 4：11 共用O2－数 化学式 [Si2O6]n4n
－
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2，3
[Si4O11]n6n－
层分为单网层和复网层。
单网层（1：1型）：Si－O层＋水铝（镁）石层
硅氧层中所有的活性氧均指向同一个方向
复网层（2：1型）：Si－O层＋水铝（镁）石层 ＋ Si－O层
两层硅氧层中的活性氧交替的指向相反的方向
活性氧的电价由其它金属离子来平衡，一般为配位数为6的Mg2+和Al3+离 子，水分子以OH-的形式存在这些离子的周围，形成水铝（镁）石层
石英 磷石英 方石英 熔体
870 C 1470 C 1723 C
573℃
160℃
268℃
－石英
－磷石英
117℃
－方石英
磷石英
横向：重建型转变（一级转变）
纵向：位移型转变（二级转变）
石英多晶转变
重 建 型 转 变 位 8 7 0 C 1 4 7 0 C 移 石 英 鳞 石 英 方 型 7 3 C 1 6 0 C 转 5 变 方 石 英 鳞 石 英
而是通过O2－来实现键的连接；
3）[SiO4]的每一个顶点，即O2－最多只能为两个
[SiO4]所共有；
4）两个相邻的[SiO4]之间可以共顶而不可以共 棱共面连接
3、硅酸盐晶体结构类型
二、岛状结构
在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]以孤立状态存在， [SiO4]之间通过其他阳离子连接起来，这种结构称
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
[AlO4（OH）2]
的连两 水接层 铝两硅 石个氧 层硅层 中氧与 的层夹 铝 在 离 中 子 间 的 的 配 水 位 铝 数 层 为 构 成 6 ， 的 复 网 层 ，
易发生离子取代作用：Al3+被Mg2+取代 为了平衡电价，M+或M2+进入
取代后实际化学式： MgxAl2-x[Si4O10](OH)2· Mx· nH2O
单链：每个硅氧四面体通过共用两个顶点向一维方向无限延伸
双链：两条相同的单链通过尚未共用的氧组成带状
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，可分1节链……
单链结构类型
具有链状结构的晶体有：
辉石类硅酸盐结构中含有[Si2O6]单链，如透
辉石CaMg[Si2O6]、顽火辉石Mg2[Si2O6]等。链间
为岛状结构。
结构基元：四面体，[SiO4]4－
化学式： [SiO4]n4n－ Si/O： 1：4
岛状硅酸盐晶体主要有锆石英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-C2S、 -C2S和C3S等。
例：镁橄榄石，Mg2[SiO4]
绿宝石：
[SiO4]四面体组成 Be3Al2[Si6O18] 的六节环，环与环相叠 环与环之间通过Be2+与 Al3+离子相连 Be2+处于四面体空隙中 Al3+处于八面体空隙中
绿宝石晶胞在（0001）面上的投影（上半个晶胞）
结构与性质的关系：
显著的离子电导：六节环空腔，是否有其它离子
存在
较大的介电损耗
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，
结构基元：[SiO2] ——电中性
1）Si/O＝1：2，石英及其变体，化学式：[SiO2]n 2）Al3＋取代Si4＋，（Al＋Si）/O＝1：2， 化学式：[AlxSi（n－x）O2n]x－，
其他阳离子K＋、Na＋、Ca2＋进入，为长石族晶体，
1、石英晶体结构
石英在不同的热力学条件下存在七种不同的变体：
Al2O3 6SiO2
符号 k[AlSi3O8] Na[AlSi3O8] Ca[Al2Si2O8] Ba[Al2Si2O8] Or Ab An Cn
长石的基本结构单元：四联环
例：透长石 K[AlSi3O8]
本节重点
硅酸盐晶体的表示方法； 硅酸盐晶体的结构特点； 硅酸盐晶体结构的五种类型、结构基 元、Si/O、共用O2－数； 层状、▲架状、（绿宝石）的结构 与性质的关系
材料科学基础
膨润性 每三层之间结合力弱，很容易渗入 水分子，使 c 轴晶胞参数出现随着渗入
水量而变化的现象，因而被称作膨润土
材料科学基础
3、滑石结构: Mg3[Si4O10]（OH）2
[MgO4（OH）2]
O S
O + 2
M
图3-39 滑石晶体结构
O + 2
材料科学基础
S
滑石晶体单元层间依靠 分子力结合 ， 所以具有很好的片状 解理，滑腻感 很强 • • 爽身粉的主要原料 可用作高分子材料的填料
1
2
3
图3-37 高岭石晶体结构
材料科学基础
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
材料科学基础
2、蒙脱石结构
理论化学式为 ：
Al2[Si4O10](OH)2· nH2O 实际化学式为：
(Al2-xMgx)[Si4O10](OH)2· （Nax· nH2O）
层间靠分子力结合，Al3+可被Mg2+取代
材料科学基础
•
两层型（1:1型）：1层[SiO4] + 1层
[AlO6]/[MgO6]相互交替排列而成
•
三层型（ 2:1 型） ：两层 [SiO4] 层间
夹一层[AlO6] / [MgO6]而形成，整个硅酸盐
结构就是以这两层或者三层作为单元，重复
堆积而成。
材料科学基础
每两层或每三层单元内质点之间是化学
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
•
滑石瓷是一种以滑石为主要原料、电性
能优良的高频装置瓷。
材料科学基础
4、伊利石结构、白云母结构
伊利石： K1～1.5Al4[Al1～1.5Si7～6.5O20]（OH）4 白云母：KAl2[AlSi3O10]（OH）2
六、架状结构 [SiO4]之间通过四个顶角的桥氧相连，向三 维空间无限发展的骨架状结构称为架状结构。
来平衡多余的负电荷，在一定条件下，这些水化阳
离子可以被其他阳离子所交换，这种现象称为阳离
子交换。可交换量的大小称为阳离子交换容量。
1、高岭石结构： Al [Si O ](OH) 4 4 10 8
[AlO2（OH）4]
的硅 水氧 铝层 石与 层水 中铝 的层 铝构 离成 子的 的单 配网 位层 数， 为连 6接 ，两 个 单 网 层
沿层间 解理，或者在层间 渗入水分子
材料科学基础
根据水铝（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。 二八面体： 2/3的八面体空隙被阳离子所填充 Al－O八面体，[AlO6] 三八面体： 全部八面体空隙被阳离子所填充
Mg－O八面体，[MgO6]
阳离子交换：
在[AlO6]层中，部分Al3＋被Mg2＋、Fe2＋取代 时，一些水化阳离子（如Na＋、K＋等）进入层间
1 1 7 C
材料科学基础
石英的三个主要变体：-石英、-鳞石英和
-方石英结构上的主要差别在于硅氧四面体之间
的连接方式不同
α－石英结构
β－石英结构
α－方石英结构
α－磷石英结构
α－磷石英与α－方石英中[SiO4]的不同连接方式：
2、长石晶体结构
R2O RO
钾长石 钠长石 钙长石 钡长石
镁橄榄石晶体的理想结构
（a）（100）面上的投影图
（b）（001）面上的投影图
（c）立体侧视图
同晶取代： 杂质离子取代晶体结构中某一结点而不 改变晶体结构的现象。
Mg2 SiO4 取代 Fe MgSiO4
Ca MgSiO4
被Ca取代 Mg Ca 2 SiO4
[AlO6]/[MgO6]相互交替排列而成
•
三层型（ 2:1 型） ：两层 [SiO4] 层间
夹一层[AlO6] / [MgO6]而形成，整个硅酸盐
结构就是以这两层或者三层作为单元，重复
堆积而成。
材料科学基础
每两层或每三层单元内质点之间是化学
键结合 ，很牢固，而单元层之间是依靠 分 子键或者氢键结合，结合力较弱，很容易