第二章 晶体结构(4)-硅酸盐晶体结构
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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
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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
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
▲▲
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
硅酸盐物理化学
第二章晶体结构内容提要大多数无机材料为晶态材料，其质点的排列具有周期性和规则性。
不同的晶体，其质点间结合力的本质不同，质点在三维空间的排列方式不同，使得晶体的微观结构各异，反映在宏观性质上，不同晶体具有截然不同的性质。
1912年以后，由于X射线晶体衍射实验的成功，不仅使晶体微观结构的测定成为现实，而且在晶体结构与晶体性质之间相互关系的研究领域中，取得了巨大的进展。
许多科学家，如鲍林（Pauling）、哥希密特（Goldschmidt）、查哈里阿生（Zachariason）等在这一领域作出了巨大的贡献，本章所述内容很多是他们研究的结晶。
要描述晶体的微观结构，需要具备结晶学和晶体化学方面的基本知识。
本章从微观层次出发，介绍结晶学的基本知识和晶体化学基本原理，以奠定描述晶体中质点空间排列的理论基础；通过讨论有代表性的无机单质、化合物和硅酸盐晶体结构，以掌握与无机材料有关的各种典型晶体结构类型，建立理想无机晶体中质点空间排列的立体图像，进一步理解晶体的组成－结构－性质之间的相互关系及其制约规律，为认识和了解实际材料结构以及材料设计、开发和应用提供必要的科学基础。
2.1 晶体化学基本原理由于天然的硅酸盐矿物和人工制备的无机材料制品及其所用的原料大多数是离子晶体，所以在这一节主要讨论离子晶体的晶体化学原理。
一、晶体中键的性质（键性的判别）过去的教学中，以电子云的重要情况讨论键型。
Na－Cl认为是典型的离子键。
硅酸盐晶体中比较典型的结合键方式：Si－O Al－O M e－O （M代表许多碱、碱土金属）Me－O、Al—O键通常认为是比较典型的离子键，而Si－O键中Si－O键离子键、共价键成分相当。
为了方便，通常也认为是离子键。
那么键的成分是如何确定的？即通常如何判断键的类型呢？Pauling通过大量的研究发现，可以根据各元素的电负性差别判断键的类型（由于电负性反映元素粒子得失电子的能力）。
元素电子的电负性x＝元素电子的电离能力I＋元素原子的电子亲和能E。
第二章晶体结构与晶体中的缺陷
第二章晶体结构与晶体中的缺陷内容提要：通过讨论有代表性的氧化物、化合物和硅酸盐晶体结构，用以掌握与本专业有关的各种晶体结构类型。
介绍了实际晶体中点缺陷分类；缺陷符号和反应平衡。
固熔体分类和各类固熔体、非化学计量化学化合物的形成条件。
简述了刃位错和螺位错。
硅酸盐晶体结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式为孤岛状、组群状、链状、层装和架状五类。
这五类的[SiO4]四面体中，桥氧的数目也依次由0增加到4，非桥氧数由4减至0。
硅离子是高点价低配位的阳离子。
因此在硅酸盐晶体中，[SiO4]只能以共顶方式相连，而不能以共棱或共面方式相连。
表2-1列出硅酸盐晶体结构类型及实例。
表2-1 Array硅酸盐晶体的结构类型真实晶体在高于0K的任何温度下，都或多或少地存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。
晶体中的结构缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷和复合缺陷之分，在无机材料中最基本和最重要的是点缺陷。
点缺陷根据产生缺陷的原因分类，可分为下列三类：（1）热缺陷（又称本征缺陷）热缺陷有弗仑克儿缺陷和肖特基缺陷两种基本形式。
弗仑克儿缺陷是指当晶格热震动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克儿缺陷。
肖特基缺陷是指如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，而在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
（2）杂质缺陷（非本征缺陷）（3）非化学计量化学化合物为了便于讨论缺陷反应，目前广泛采用克罗格-明克（Kroger-Vink）的点缺陷符号（见表2-2）。
表2-2 Kroger-Vink缺陷符号（以M2+X2-为例）缺陷反应方程式书写规则：（1）位置关系。
（2）质量平衡。
（3）电荷守恒。
热缺陷平衡浓度n/N：n/N=exp(-∆G t/2kT)其中n——TK时形成n个孤立空位；∆G t——热缺陷形成自由焓；h——波儿兹曼常数。
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-
硅酸盐晶体结构
2、根据Si-O四面体在空间的连接情况
(3) 层状硅酸盐 layered silicates
9
二、硅酸盐矿物的分类
2、根据Si-O四面体在空间的连接情况
(4) 架状硅酸盐 network silicates
10
三、硅酸盐的结构
1、岛状硅酸盐 Island silicates (limited Si-O group) (1) 单一硅氧团（孤立有限硅氧团）
举例：
• 能“爆米花”的矿物和岩石
• 能吸水膨胀的膨润土
20
4、骨架状硅酸盐 Network silicates
(1). 硅石 silica（石英） SiO2 硅氧四面体在空间组成的三维网 络状结构
方石英结构特征：
• FCC点阵，Si4＋排成金刚石结构， O2－位于<111>方向上 的一对Si4＋之间，形成桥氧； Si4＋位于O2－的四面体间隙， O2－四面体在空间通过桥氧相连，形成三维网络结构 • 所有的氧均为桥氧
13
(2) 含成对的硅氧团
• = O/Si＝3.5
• 硅钙石 Ca3(Si2O7)，即3CaO· 2SiO2，正交晶系
14
(3) 含环状硅氧团
• 三节环：(Si3O9)6－ • 四节环：(Si4O12)8－
• 六节环：(Si6O18)12－
= O/Si＝3
代表性矿物：
绿柱石 Be3Al2[Si6O18] 堇青石 cordierite 2MgO· 2O3· 2Al 5SiO2
15
2、链状硅酸盐 Chained silicates
由大量的[SiO4]4－共顶连接而成的一维结构
(1) 单链：结构单元[SiO3]2－, = O/Si＝3
(3) 层状硅酸盐 layered silicates
9
二、硅酸盐矿物的分类
2、根据Si-O四面体在空间的连接情况
(4) 架状硅酸盐 network silicates
10
三、硅酸盐的结构
1、岛状硅酸盐 Island silicates (limited Si-O group) (1) 单一硅氧团（孤立有限硅氧团）
举例：
• 能“爆米花”的矿物和岩石
• 能吸水膨胀的膨润土
20
4、骨架状硅酸盐 Network silicates
(1). 硅石 silica（石英） SiO2 硅氧四面体在空间组成的三维网 络状结构
方石英结构特征：
• FCC点阵，Si4＋排成金刚石结构， O2－位于<111>方向上 的一对Si4＋之间，形成桥氧； Si4＋位于O2－的四面体间隙， O2－四面体在空间通过桥氧相连，形成三维网络结构 • 所有的氧均为桥氧
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(2) 含成对的硅氧团
• = O/Si＝3.5
• 硅钙石 Ca3(Si2O7)，即3CaO· 2SiO2，正交晶系
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(3) 含环状硅氧团
• 三节环：(Si3O9)6－ • 四节环：(Si4O12)8－
• 六节环：(Si6O18)12－
= O/Si＝3
代表性矿物：
绿柱石 Be3Al2[Si6O18] 堇青石 cordierite 2MgO· 2O3· 2Al 5SiO2
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2、链状硅酸盐 Chained silicates
由大量的[SiO4]4－共顶连接而成的一维结构
(1) 单链：结构单元[SiO3]2－, = O/Si＝3
第二章-硅酸盐晶体结构
脱水 斜斜顽火辉石-Mg2[Si2O6] 叶蜡石 脱水 莫来石3Al2O3· 2SiO2
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
滑石
高岭石Al2O3· 2SiO2· 2O的结构 2H
所取代。为平衡多余的负电荷，结构中将近有1~1.5
个K＋进入结构单位层之间。K＋处于上下两个硅氧四 面体六节环的中心，相当于结合成配位数为12的K-O
配位多面体。因此层间的结合力较牢固，这种阳离子
不易被交换。
白云母KAl2[AlSi3O10](OH)2的结构
属单斜晶系，空间群C2/c；晶胞 参 数 a=0.519nm ， b=0.900nm ， c=2.004nm ， =95o11” ， Z=2 。 其结构如图所示，图中重叠的O2已稍行移开。 白云母属于复网层结构，复网层 由两个硅氧层及其中间的水铝石 层所构成。连接两个硅氧层的水 铝石层中的Al3+ 之配位数为6，形
单链结构类型
单链结构：辉石类硅酸盐矿物，如： 透辉石CaMg[Si2O6] 顽火辉石Mg2[Si2O6] 双链结构：角闪石类硅酸盐矿物，如： 斜方角闪石(Mg,Fe)7[Si4O11]2(OH)2 透闪石Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2 无论单链或双链，由于链内结构牢固，链间通过其 它金属阳离子连接， 最常见的是Mg2+和Ca2+。 而 金属阳离子与O2-之间的键比Si-O键弱，容易断。则 链状结构矿物总是形成柱状、针状、或纤维状解理。
滑石结构与性质的关系
复网层中每个活性O2-同时与3个Mg2+相连接，电价饱和；OH-中氧的电 价也饱和，则复网层内为电中性，层与层之间靠微弱分子力结合，致使层 间易相对滑动，则具有良好片状解理，并有滑腻感。 离子取代现象：用2个Al3+取代滑石中的3个Mg2+，则形成二八面体型的 叶蜡石Al2[Si4O10](OH)2结构（Al3+占据2/3八面体空隙）。叶蜡石同样具 有良好片状解理和滑腻感。 晶体加热时结构变化：都含有OH-，加热时产生脱水效应。
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。
材料科学基础第二章4 硅酸盐
1、基本结构单元是[SiO4]4-四面体－－硅氧骨干、硅氧团
Si4+ O2-
o
rSi4 0.39 A
o
rO2 1.32 A
rSi4 / rO2 0.295
d Si O
0.160nm
rSi4
rO2
Si
O键为离子键＋共价键
x 1.7
2、Si-O团很强、很硬
2
一、基本结构特点
3、O2-是不饱和的（外层只有7个电子），还能与其它离子 或基团结合
与金属离子结合硅酸盐矿物 与Si-O团结合 桥氧
Mg2＋ 镁橄榄石 Olivine Mg2[SiO4]
桥氧 岛状硅酸盐
3
一、基本结构特点
4、Si-O四面体中的Si4+还可以被Al3+离子代替， 形成Al-O四面体或Al-O八面体
4
二、硅酸盐矿物的分类
根据Si-O四面体在空间的连接情况 (1) 岛状硅酸盐 Island silicates (有限硅氧团) (2) 链状硅酸盐 chained silicates (3) 层状硅酸盐 layered silicates (4) 架状硅酸盐 network silicates
链型硅酸盐中，键内的Si－O键要比链间的A－O键强的多（A一般 为金属正离子）。因此，这些硅酸盐很容易沿链间结合较弱之处劈裂 成柱体或纤维 。
14
工业石棉asbestos（纤维蛇纹石） (OH)6Mg6(Si4O11)·H2O 有高度耐火性、电绝缘性和绝热性，是重要的防火、绝缘和保温材料
15
二、硅酸盐矿物的分类
举例：
• 能“爆米花”的矿物和岩石——蛭石和珍珠岩 • 能吸水膨胀的膨润土——膨润土
19
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
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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：
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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
无机材料科学基础第二章-硅酸盐晶体结构-第6节(4)综述
[BeO4]与[AlO6]共棱 相连； [BeO4]与 [SiO4]、 [AlO6]与 [SiO4]共顶 相连
19
（4）以标高为50的Si4+和O2-处作一反射面，就可得到晶胞的另一半，即单位晶 胞中有2个绿宝石分子。
绿宝石结构对性能的影响：
由于结构中有较大的环形孔隙， 当有半径小、电价低的离子 （K+，Na+）存在时，呈现出 离子导电。
3、滑石的结构(Mg3[Si4O10](OH)2） 4、伊利石结构（化学式K1~1.5Al4[Si7~6.5Al1~1.5O20](OH)4） 5、白云母（化学式KAl2[AlSi3O10](OH)2 ） 五、架状结构（1、石英晶体结构；2、长石晶体结构）
1
六、硅酸盐矿物的晶体结构 概述 硅酸盐晶体种类繁多，是构成地壳的主要矿物，也是硅 酸盐工业的主要原料。
11
镁橄榄石Mg2[SiO4]结构（ 2MgO· SiO2） 属斜方晶系，Pbmm空间群，a=0.476nm，b=1.021nm，c=0.599nm， Z=4； 下图为镁橄榄石的晶胞立体结构图和（100）面投影图。
镁橄榄石晶胞立体图
12
镁橄榄石的 特征：
①O2-近似排成平行于（100）面的两层（六方密堆）；
Be2+个数=1/24+1=3个； Al3+个数=12=2个 所以为半个晶胞。
17
绿宝石晶体结构（0001）面投影
18
绿宝石结构分析：
（1）绿宝石的基本结构单元是[SiO4]六节环，且每个[SiO4]中有两个O2-是公共氧， 它们与四面体中的Si4+处于同一高度。六节环两层相迭，交叉错开30°，形成 复六环，环之间由Be2+和Al3+连接。 （2）图中有5个Be2+处在以c轴为100的75标高处，所以属于该晶胞的Be2+为 （1/24+1）3个。Be2+分别与2个65标高的O2-（下面一层上面的O2-）和2个85 标高的O2-（上面一层下面的O2-）相连形成[BeO4]四面体。 （3）图中有2个Al3+也处在75标高，与3个85的O2-和3个65的O2-形成[AlO6]八面 体，这些O2-也与 Be2+相配位，所以 O2-的电价是饱和的。
19
（4）以标高为50的Si4+和O2-处作一反射面，就可得到晶胞的另一半，即单位晶 胞中有2个绿宝石分子。
绿宝石结构对性能的影响：
由于结构中有较大的环形孔隙， 当有半径小、电价低的离子 （K+，Na+）存在时，呈现出 离子导电。
3、滑石的结构(Mg3[Si4O10](OH)2） 4、伊利石结构（化学式K1~1.5Al4[Si7~6.5Al1~1.5O20](OH)4） 5、白云母（化学式KAl2[AlSi3O10](OH)2 ） 五、架状结构（1、石英晶体结构；2、长石晶体结构）
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六、硅酸盐矿物的晶体结构 概述 硅酸盐晶体种类繁多，是构成地壳的主要矿物，也是硅 酸盐工业的主要原料。
11
镁橄榄石Mg2[SiO4]结构（ 2MgO· SiO2） 属斜方晶系，Pbmm空间群，a=0.476nm，b=1.021nm，c=0.599nm， Z=4； 下图为镁橄榄石的晶胞立体结构图和（100）面投影图。
镁橄榄石晶胞立体图
12
镁橄榄石的 特征：
①O2-近似排成平行于（100）面的两层（六方密堆）；
Be2+个数=1/24+1=3个； Al3+个数=12=2个 所以为半个晶胞。
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绿宝石晶体结构（0001）面投影
18
绿宝石结构分析：
（1）绿宝石的基本结构单元是[SiO4]六节环，且每个[SiO4]中有两个O2-是公共氧， 它们与四面体中的Si4+处于同一高度。六节环两层相迭，交叉错开30°，形成 复六环，环之间由Be2+和Al3+连接。 （2）图中有5个Be2+处在以c轴为100的75标高处，所以属于该晶胞的Be2+为 （1/24+1）3个。Be2+分别与2个65标高的O2-（下面一层上面的O2-）和2个85 标高的O2-（上面一层下面的O2-）相连形成[BeO4]四面体。 （3）图中有2个Al3+也处在75标高，与3个85的O2-和3个65的O2-形成[AlO6]八面 体，这些O2-也与 Be2+相配位，所以 O2-的电价是饱和的。
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
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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
2 《材料科学基础》第二章 晶体结构(下)
思考题
Ca2+：000，½ ½ 0，½ 0 ½ ，0 ½ ½ F
-
：¼ ¼ ¼, ¾ ¾ ¼, ¾ ¼ ¾, ¼ ¾ ¾, ¾ ¾ ¾, ¼ ¼ ¾, ¼ ¾ ¼, ¾ ¼ ¼
思考题：
据晶体结构简要解释:
•为什么CaF2比NaCl容易形成弗仑克尔缺陷？
•为什么萤石结构中一般存在着负离子扩散机制？
了解
Al3+的分布原则符合鲍林规则：在同一层
和层与层之间， Al3+之间的距离应保持
最远。
空隙
α－Al2O3中的氧与铝的排列次序可写成： OAAlDOBAlEOAAlFOBAlDOAAlEOBAlFOAAlD……6层一个周期
Al3+的CN＝6， Z=
O2-的CN＝ 4
2
属于刚玉型结构的晶体：
• 硅酸盐结构的特点：
2/3八面体间隙(A、B) 1/2八面体间隙(A) l/8四面体间隙(B) 全部立方体中心 1/2立方体中心
尖晶石
反尖晶石 纤锌矿 砷化镍 刚 玉 钛铁矿 橄榄石 氯化铯 萤 石 硅石型
二、硅酸盐晶体结构
1. 岛状结构
2. 组群状结构
3. 链状结构 4. 层状结构 5. 架状结构
•硅酸盐晶体的组成表征:
4：6：4AB2O4
4：6：4B（AB）O4 4：4MO 6：6MO 6：4M2O3 6：6：4ABO3 6：4：4A2BO4 8：8MO 8：4MO2 4：2MO2
1/8四面体间隙(A) 1/2八面体间隙(B) 1/8四面体间隙(B) 1/2八面体间隙(A、B) 1/2四面体间隙 全部八面体间隙 2/3八面体间隙
8
性质：硬度最高、极好的导热性、具半导体性能 与其结构相同的有硅、锗、灰锡、合成立方氮化硼等
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
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中-C2S、-C2S和C3S等。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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。
绿宝石结构与性质的关系
六节环内无其它离子存在，结构中存在大的环形空腔。 有电价低、半径小离子（如Na+）存在时，直流电场中 表现出显著离子电导，交流电场中有较大介电损耗；
当晶体受热时，质点热振动振幅增大，大空腔使晶体不
会有明显膨胀，表现出较小的膨胀系数；
结晶学方面，常呈现六方或复六方柱晶形。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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。 有：锆石英Zr[SiO4]、镁橄榄石Mg2[SiO4]、蓝 晶石Al2O3· 2、莫来石3Al2O3· SiO 2SiO2以及水泥熟料
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
堇青石Mg2Al3[AlSi5O18] 结构与性质
绿宝石结构的六节环中有一个Si4+被Al3+取代，且环外正 离子由（Be3Al2）变为（Mg2Al3），使电价平衡。由于正离 子在环形空腔迁移阻力增大，故介电性质较绿宝石提高。 性质：热学性能良好，但因其高频损耗大，不宜作无线 电陶瓷。 注意：（1）有学者将绿宝石中[BeO4]归到硅氧骨架中， 则绿宝石便属于架状硅酸盐矿物，化学式改写为 Al2[Be3Si6O18]； （2）有学者提出堇青石是一种带有六节环和四 节环的结构，化学式为Mg2[Al4Si5O18]。 第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
三节环：蓝锥矿BaTi[Si3O9]
六节环：绿宝石Be3Al2[Si6O18]
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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
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
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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）
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
个Si4+和2个O2-处在同一高度，环与环相叠。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
粗黑线六节环在上，
标高100，细黑线六
节环在下，标高50 上下两层环错开30o， 投影方向不重叠 环与环之间通过Be2+ 和Al3+连接
绿宝石晶胞在（0001）面上的投影（上半个晶胞）
资源加工与生物工程学院
资源加工与生物工程学院
第二章
2.1 结晶学基础知识 2.2 晶体化学基本原理
晶体结构
2.3 无机非金属单质晶体结构 2.4 无机化合物晶体结构 2.5 硅酸盐晶体结构
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
2.5 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
（a）单链结构；（b）双链结构；（c）（d）（e）为从箭头方向观察所得的投影图
（1）
硅氧四面体所构成的链
资源加工与生物工程学院
（2） 单链结构类型
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
单链结构：辉石类硅酸盐矿物，如：
透辉石CaMg[Si2O6] 顽火辉石Mg2[Si2O6]
以粗黑线和细黑线表示。单链之间依靠Ca2+、Mg2+连接。Ca2+配位数为8，
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
（a）（010）面上的投影
（b）（001）面上的投影
透辉石结构
资源加工与生物工程学院
（1）结构特征
2节单链，结构单元［Si2O6］，Z＝4。
(a)图为（010）面，即a－c面投影。硅氧链沿c轴发展。链与链
资源加工与生物工程学院
（2）Mg2＋和Ca2＋的配位
8处Mg2+与2个25、2个-10、2个10的O2-配位，配位数为6。 31处Ca2+与2个52，2个75，2个10，2个48的O2-配位，配位数为8。 （3）电价检验 出现电价过饱和情况，如：52处非活性O2-与2个［SiO4］连接， 又和1个［CaO8］配位。则:
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· 2O3· Al 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]。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
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。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
资源加工与生物工程学院
体空隙
每个[SiO4] 被[MgO6] 隔开，呈孤岛状分布
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
（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
之间通过Mg2+和Ca2+连接起来，链与链不直接结合。 Mg2+和Ca2+在b轴方向重叠，现稍稍错开便于观察其位置。 链中的四面体在b方向是一高一低排列呈锯齿状，即在(a)图中， ［SiO4］中的一个活性氧朝上朝下的重复排列。 从(a)图和(b)图中可以看出：在沿a和b的方向上相邻的链上 ［SiO4］活性氧的所指向方向相反，且交替出现。 第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
全一致的周期不等，分为1节链、2节链、3节
链……7节链等7种类型，2节链以[Si2O6]4- 为结构
单元无限重复，化学式为[Si2O6]n4n-。
双链：两条相同单链通过尚未共用的氧组成带 状，2节双链以[Si4O11]6-为结构单元向一维方向无 限伸展，化学式为[Si4O11] n6n-。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
双链结构：角闪石类硅酸盐矿物，如：
斜方角闪石(Mg,Fe)7[Si4O11]2(OH)2 透闪石Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
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无论单链或双链，由于链内结构牢固，链
间通过其它金属阳离子连接， 最常见的是Mg2+
和Ca2+。 而金属阳离子与O2－之间的键比Si－
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
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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]
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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。
镁橄榄石晶体结构（4）
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镁橄榄石结构中的同晶取代
（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。 第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构