实验3 硅酸盐矿物的晶体结构
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
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。
矿物的主要类型
矿物的主要类型
矿物是地球上自然形成的一些物质，其具有独特的化学组成和晶
体结构。
这些矿物种类繁多，可以按照其组成、结构、性质等方面进
行分类，以下是对矿物的主要类型进行介绍。
1. 硅酸盐矿物
硅酸盐矿物是指由硅、氧和金属离子组成的矿物，如石英、长石、云
母等。
这些矿物在地壳中广泛分布，石英是其中最常见的矿物之一。
硅酸盐矿物的晶体结构通常具有四面体结构，其中硅氧四面体是其基
本单元。
2. 氧化物矿物
氧化物矿物是指由氧和金属离子组成的矿物，如赤铁矿、磁铁矿、锡
石等。
这些矿物通常呈黑色或红色，在铁工业中有重要的应用价值。
3. 硫化物矿物
硫化物矿物是指由硫和金属离子组成的矿物，如黄铁矿、辉锑矿、黄
麻铁矿等。
这些矿物在地球上广泛分布，有些矿物具有重要的经济价值，如黄铁矿是铜、铅、锌等金属的主要来源之一。
4. 碳酸盐矿物
碳酸盐矿物是指由碳、氧和金属离子组成的矿物，如方解石、白云石、菱镁矿等。
这些矿物通常呈白色或透明，方解石在建筑、化工等领域
有广泛的应用。
5. 硫酸盐矿物
硫酸盐矿物是指由硫酸根离子和金属离子组成的矿物，如石膏、明矾、钡矿等。
这些矿物在地质过程中经常形成，石膏是建筑材料的主要来
源之一，明矾则被广泛应用于制革、针织等行业。
总的来说，矿物的分类是多方面的，它可以按照其组成、结构、
性质等不同方面进行划分。
了解矿物的分类有助于我们更好地理解地
球科学，同时也便于人们对不同矿物的应用进行合理的开发与利用。
硅酸盐晶体结构
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
▲▲
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
硅酸盐晶体结构
长石族 结构特点:
长石的结构中的四个面体[TO4]（T代表Si或Al）相互共顶，形成一个四联环。四联环与四联
环又相互共用角顶，连接成曲轴状的链，平行于a轴伸展，链与链之间，又以桥氧相接，形成 整个三维的骨架。
主要
种: K[AlSi3O8]
透长石 Sanidine 正长石 Orthoclase 微斜长石 Microcline 斜长石 (钠长石_奥长石_中长石_拉长石_培长石_钙长石)
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
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。
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-
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。
无机材料科学基础-之-硅酸盐的晶体结构
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。
第三节：第三亚类 ： 层状硅酸盐矿物
三层型为上下两层四面体 层（或者一层四面 体层与 OH- ） ，以角顶氧（及OH- ）相对， 并相互以最紧密堆积的位置错开叠置，在 其间形成了配位八面体层， 以字母O（Octahedron）表示。 二层型为八面体层是由一个四面体层的 活性氧（及OH-）与另一层OH-组成。
三八面体结构
二八面体结构
田 黄 石
鸡 血 石
4、云母 片状，底面极完全解理，薄片具弹性。
白云母： 为无色及浅灰、浅黄、浅绿等色。呈细小鳞片状、 具丝绢光泽的异种称绢云母。 金云母 黄褐色或金黄色。 黑云母 黑、绿黑或褐黑色。 锂云母 玫瑰色。
5、蛭石
片状、鳞片状。棕色、褐黑色。一组极完全解理。薄片 不具弹性。灼烧后体积剧烈膨胀。
滑石： Mg3[Si4O10](OH)2
叶腊石：
Al2[Si4O10](OH)2
白云母： KAl2[AlSi3O10](OH)2 金云母：
KMg3[AlSi3O10](OH)2
黑云母：
K (Mg，Fe)3[AlSi3O10](OH)2
●---K+
蛭石：
(Mg,Ca)x（H2O）n (Mg、Fe)3[AlxSi4-xO10](OH)2 X—单位化学式的层电荷数：0.6-0.9
透闪石石棉
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下一讲
高岭石是组成高岭土 的主要矿物，常见于 岩浆岩和变质岩的风 化壳中。高岭石是陶 瓷的主要原料，在其 它工业中也有广泛使 用。
高岭石的扫描电子显微 （SEM）镜照片
高岭石的电子显微镜照片
2、蛇纹石 常见为块状，多为黄绿、绿、白等斑杂的颜色，
与蛇纹类似而得名。油脂光泽，硬度中等。中低温热液成因。 主产于镁质矽卡岩和热液蚀变超基性岩。 纤维状蛇纹石称为温石棉。质地致密细腻，透明度较高 的蛇纹石作为玉雕材料，如岫玉、古绿石、虎眼石等。
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。
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
架状结构硅酸盐矿物
长石的矿物的形态和物性
长石族矿物多呈平形于a轴延伸的长柱状或厚板状 颜色：多为浅色，较常见为灰白色或肉红色 解理：｛010｝和｛001｝解理完全，解理交角等于或近
于90°（在单斜晶系等于90 °，在三斜晶系中则 近于90 °） 硬度 相对密度
成因产状 主要用途
主要形成于岩浆作用和变质作用
主要用于玻璃和陶瓷工业，色泽美丽者可作 宝石
正长石广泛分布于酸性和碱性成分的岩浆岩、火山碎屑岩中， 在钾长片麻岩和花岗混合岩以及长石砂岩和硬砂岩中也有分布。 正长石是陶瓷业和玻璃业的主要原料，也可用于制取钾肥。
斜长石Plagioclase
斜长石属于NaAlSi3O8（Ab）-CaAl2Si2O8（An）类质同象 系列的长石矿物的总称，共分为6个矿物种：钠长石、奥长石、 中长石、拉长石、倍长石和钙长石。
似长石与长石族矿物相似，同为不含水的架状结构硅酸盐， 但不同于长石，表现在：
SiO2含量较低，最高约达碱性长石中SiO2含量的2／3
似长石矿物中金属离子K, Na与SiO2含量比高，霞石中
为1:2，白榴石中为1:3，而长石中为1:4，因而，似长石
矿物多形成于富碱贫硅的介质中，一般不与石英共生
结构开阔并较松弛，具有较大的空洞，易于容纳半径较
硅氧四面体首先形成四方环，环 与环之间连接形成沿a轴延伸的曲 折状的链，链间又通过桥氧相连
完全无序的 透长石
完全有序的 微斜长石
完全有序的 钙长石
三、形态与物性
由于四面体在三维空间不同方向上排列的紧密程度不 同，从而形成多种次类型结构 形态上有柱状、片状、块状等； 某些方向有解理； 具较高的硬度（仅次于岛状结构硅酸盐矿物）
二、晶体结构
架状硅酸盐的结构是晶体中最复杂的结构。 一般将其视作：硅（铝）氧四面体——各种元 环——各种笼——架状结构
硅酸盐材料的晶体结构及性能研究
硅酸盐材料的晶体结构及性能研究一、引言硅酸盐材料是一类包括玻璃、陶瓷、水泥等广泛应用的无机非金属材料，在人类社会的发展中扮演着不可或缺的角色。
它们作为优秀的结构材料，除了具有高耐热、耐磨、抗腐蚀、电绝缘等特性外，还具有良好的机械性能、化学稳定性以及光学、磁学等特殊性质，因此受到了越来越多的关注。
二、硅酸盐材料的晶体结构1.硅酸盐晶体结构基础硅酸盐晶体结构是由硅酸盐骨架和充填物组成的，硅酸盐骨架由正四面体的二氧化硅离子和正六面体的金属氧离子组成，形成六面体和四面体交替排列的层状结构。
充填物是指填在硅酸盐骨架中的氧化物或其他物质，如钙、铝、钠、镁等离子。
硅酸盐材料的晶体结构与骨架中硅酸盐单元和充填物的类型、数量、配位等因素密切相关。
2.硅酸盐材料的结构类型目前已知的硅酸盐材料有上千种，其中最常见的结构类型包括四面体硅酸盐、正交硅酸盐、层状硅酸盐、环状硅酸盐、正八面体硅酸盐等。
四面体硅酸盐是最简单的硅酸盐结构，材料中的硅酸盐骨架仅包含硅氧四面体，没有充填物；正交硅酸盐中的硅酸盐骨架和充填物呈长方形和正方形排列，层状硅酸盐和环状硅酸盐则是表现出层状或球形的稳定晶体结构。
3.硅酸盐材料晶体结构变形硅酸盐材料的晶体结构往往在外界条件下发生变形，即晶体的过程中出现了晶格畸变。
晶格畸变包括晶格缺陷、错位、位错、拉伸、压缩等，可以影响硅酸盐材料的物理性能、结构稳定性以及反应性能。
三、硅酸盐材料的性能研究1.硅酸盐材料的物理性能硅酸盐材料的物理性能主要包括热膨胀系数、导热性、电性能、磁性能、光学和声学性能等。
其中最具代表性的是玻璃这一特殊物理性能。
玻璃由于不规则的结构和无序的排列，出现了随机散射、透明度、折射率等物理现象，充分发挥了玻璃的优越性能。
2.硅酸盐材料的化学性能硅酸盐材料的化学性能是指材料在化学反应中的化学活性能力。
它主要包括酸碱稳定性、氧化还原稳定性和水解稳定性等。
硅酸盐材料的化学性质决定了它在不同环境下的应用范围，具有极其广泛的应用价值。
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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。
透辉石结构中以沿c轴方向延伸的单链为基本结构单元，链交叉排列，链与链之间由Ca2+和Mg2+相连（如图7-3），Ca2+的配位数为8，Mg2+的配位数为6。
图3-3 透辉石的晶体结构
4. 层状结构
层状结构是硅氧四面体在二维平面内通过三个共用氧连接而延伸成一个硅氧四面体层，硅氧层中（图7-4），处于同一平面的三个氧离子都被硅离子共用而形成一个无限延伸的六节环层，这三个氧为桥氧。
另一个顶角向上的氧（自由氧），与硅氧层以外的阳离子如Al3+、Mg2+、Fe2+、Fe3+等相连，形成Al-O、Mg-O等八面体。
自由氧在空间排列形成六边形网络，因此Al-O、Mg-O八面体也连成六边形网络。
八面体之间以共棱方式相连，当八面体中的O2-只被两个阳离子共用时，形成二八面体，当八面体中的O2-被三个阳离子共用时，则形成三八面体。
但不论是二八面体还是三八面体，在形成六边形网络时总有一些O2-离子不能被Si4+离子所共用，O2-离子多余的一价由H+离子来平衡，这就是在层状硅酸盐晶体的化学组成中为什么都有(OH)-离子存在的原因。
由此可知，层状硅酸盐晶体结构中的基本单元是硅氧四面体层和含有氢氧的铝氧和镁氧八面体层。
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1:1型层状结构，即由一层四面体层和一层八面体层相连，另一种是2:1型层状结构，即由两层四面体层夹一层八面体层，（图7-5）。
层与层之间以微弱的分子键或OH-离子产生的氢键来联系，所以层之间可以有水分子存在，某些阳离子也可以以水化阳离子的形式进入层间。
图7-6和图7-7中示出了高岭石和蒙脱石的晶体结构。
高岭石（Al4[Si4O10](OH)8）的晶体结构属于三斜晶系C1空间群，a0=0.5139nm，b0=0.8932nm，c0=0.7371nm，︒36’，︒48’，︒54’，Z=1，是1:1型层状结构，层之间的联系主要是氢键，结构单位层间不易进入水分子，可以交换的阳离子容量也小。
蒙脱石（(M x nH2O)(Al2-x Mg x)[Si4O10](OH)2）的晶体结构属于单斜晶系C2/m 空间群，a0≈0.523nm，b0≈0.906nm，c0值可变，当结构单位层之间无水时c0≈0.960nm，如果结构单位层之间有水分子存在，则c0值将随水分子的多少以及层间可交换的阳离子不同而不同，Z=2，为2:1型层状结构。
在铝氧八面体层中，大约有1/3的Al3+离子被Mg2+离子取代，为了平衡多余的负电价，结构单位层之间有其它阳离子进入，如Na+、Ca2+等离子以水化阳离子的形式进入结构，但水化阳离子和硅氧四面体中O2-离子的作用力较弱，在一定的条件下这些水化阳离子容易被交换出来，因此，c轴可以膨胀以及阳离子交换容量大是蒙脱石的结构特征。
图3-4 硅氧四面体层结构图3-5 层状结构中硅氧四面体层和铝氧或镁氧
八面体层的连接方式(A) 1:1型
(B) 2:1型
5. 架状结构
架状结构中每个硅氧四面体的四个角顶都与相邻的硅氧四面体共顶而排列成具有三维空间的“架”。
除了在实验六中讨论的石英外，长石族晶体结构就属于架状结构，图7-8是透长石的晶体结构示意图。
透长石（K[AlSi3O8]）的晶体结构属于单斜晶系C2/m空间群，a0=0.856nm，b0=1.303nm，c0=0.718nm，︒，︒59’，︒，Z=4。
透长石结构中的基本单位是四个四面体（硅氧或铝氧四面体）相互共顶形成一个四联环，其中两个四面体的尖顶朝上，另两个尖顶向下。
这样，它们又可以分别与上下的四联环共顶相连，成为曲轴状的链，其方向平行于a轴（图7-9），链与链之间又以氧桥连接，构成三维架状结构。
图3-6 高岭石的晶体结构图3-7 蒙脱石的晶体结构
图3-8 透长石的晶体结构图3-9 长石结构中的四联环和曲轴状链
(A) 理想的曲轴状链(B) 四联环(C) 实际的曲轴状链
三、实验内容
1. 观察下列硅酸盐晶体结构，了解各晶体所属结构类型及其结构中正负离子的配位关系。
橄榄石，绿宝石，高岭石，蒙脱石，a-方石英，透长石
2. 试作一种硅酸盐结构模型
四、思考题
1.硅酸盐晶体结构有哪5中结构形式？
2.高岭石和蒙脱石的晶体结构有何异同？
什么是架状结构？请说出有代表性的矿物名称和其晶体结构特征。