第二章4硅酸盐晶体结构
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
结构特点 该结构中存在两种多面体：[SiO4]四面体和[MO6]八面 体，[SiO4]四面体之间由[MO6]八面体连接而呈周期排列。 如：镁橄榄石（Mg2[SiO4]）结构： 形成两种多面体： [SiO4]四面体，[MgO6]八面体 [SiO4]不直接连接 一个O2-可同时连接2个[SiO4] 和3个[MgO6]
二、组群状结构
结构特点 2、3、4或6个[SiO4]四面体通过公共氧连接成四面体 群体结构单元。其中，部分氧电价已饱和，称桥氧或非活 性氧，部分氧电价未饱和，称非桥氧或活性氧。 （1）双四面体单元 2个[SiO4]通过公共氧连接成双四 面体，形成络阴离子[Si2O7]6-，其中， 1个桥氧，6个非桥氧，非桥氧用金属 桥氧 离子饱和，形成以金属离子连接的组 群状结构，如Ca3[Si2O7]。
非桥氧
（2）三节环单元 3个[SiO4]通过公共氧连接成三节环单元，形成络阴 离子[Si3O9]6-，其中，3个桥氧，6个非桥氧，非桥氧用 金属离子饱和，形成以金属离子连接的组群状结构，如 BaTi[Si3O9]。
三 节 环 单 元 四 节 环 单 元
（3）四节环单元 4个[SiO4]通过公共氧连接，形成络阴离子[Si4O12]8-， 其中，4个桥氧，8个非桥氧，非桥氧用金属离子饱和，形 成以金属离子连接的组群状结构，如Na2FeTi[Si4O12]。
五、架状结构
结构特点 硅氧四面体四个顶点均与相邻四个硅氧四面体顶点相 连。形成三维空间架构。 （1）石英晶体结构 α-石英
870℃
α-鳞石英
1470℃
α-方石英
1713℃
熔体
573℃
160℃
268℃
β-石英
β-鳞石英
117℃
β-方石英
γ-鳞石英
870℃ 1470℃ 1713℃ α-石英 α-鳞石英 α-方石英 熔体
（4）六节环单元 6个[SiO4]通过公共氧连接，形成络阴离子[Si6O18]12-， 其中，6个桥氧，12个非桥氧，非桥氧用金属离子饱和，形 成以金属离子连接的组群状结构，如Be3Al2[Si6O18]。
六 节 环 单 元
三、链状结构
结构特点 [SiO4]四面体通过公共氧连接成四面体链。 （1）单链：每个[SiO4]四面体有2个桥氧、2个非桥氧。 可将 [Si2O6]4-作为结构单元，如透辉石CaMg[Si2O6]。
硅酸盐化学式的表示法： （1）用氧化物形式表示法 书写顺序：碱金属氧化物→二价氧化物→三价氧化物 →SiO2→H2O 如，钾长石：K2O•Al2O3•6SiO2 高岭石：Al2O3•2SiO2•2H2O （2）用无机络盐形式表示法 书写顺序：碱金属离子→二价离子→三价离子→Si4+ →O2-→OH如，钾长石：KAlSi3O8 高岭石：Al4[Si4O10](OH)8
如：钾长石-K[AlSi3O8];钠长石-Na[AlSi3O8] 钙长石-Ca[Al2Si2O8]
（2）Al4[Si4O10](OH)8 (Al2O3•2SiO2•2H2O)(高岭石)结构
属三斜晶系，单网层结构。 上层为[AlO2(OH)4]八面体层、下层为硅氧四面体，结构
单元为[Si4O10]4-，其非桥氧朝向上层的[AlO2(OH)4]。 每一层单元内，电价饱和，层单元之间为氢键结合。 高岭石是制造陶瓷、水泥的主要原料。
573℃ β-石英 160℃ β-鳞石英 117℃ γ-鳞石英 268℃ β-方石英
不同系列转化
同 系 列 转 化
重建相变
位移相变
（2）长石晶体结构
架状结构的硅氧四面体中的部分Si4+可被其他正离子 取代。若被Al3+取代，则形成长石结构。
因Al3+取代Si4+，电价不平衡，须结合K+、Na+、Ca2+、 等离子平衡电价，形成不同种类的长石。
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
结构特点 该结构中存在两种多面体：[SiO4]四面体和[MO6]八面 体，[SiO4]四面体之间由[MO6]八面体连接而呈周期排列。 如：镁橄榄石（Mg2[SiO4]）结构： 形成两种多面体： [SiO4]四面体，[MgO6]八面体 [SiO4]不直接连接 一个O2-可同时连接2个[SiO4] 和3个[MgO6]
二、组群状结构
结构特点 2、3、4或6个[SiO4]四面体通过公共氧连接成四面体 群体结构单元。其中，部分氧电价已饱和，称桥氧或非活 性氧，部分氧电价未饱和，称非桥氧或活性氧。 （1）双四面体单元 2个[SiO4]通过公共氧连接成双四 面体，形成络阴离子[Si2O7]6-，其中， 1个桥氧，6个非桥氧，非桥氧用金属 桥氧 离子饱和，形成以金属离子连接的组 群状结构，如Ca3[Si2O7]。
非桥氧
（2）三节环单元 3个[SiO4]通过公共氧连接成三节环单元，形成络阴 离子[Si3O9]6-，其中，3个桥氧，6个非桥氧，非桥氧用 金属离子饱和，形成以金属离子连接的组群状结构，如 BaTi[Si3O9]。
三 节 环 单 元 四 节 环 单 元
（3）四节环单元 4个[SiO4]通过公共氧连接，形成络阴离子[Si4O12]8-， 其中，4个桥氧，8个非桥氧，非桥氧用金属离子饱和，形 成以金属离子连接的组群状结构，如Na2FeTi[Si4O12]。
五、架状结构
结构特点 硅氧四面体四个顶点均与相邻四个硅氧四面体顶点相 连。形成三维空间架构。 （1）石英晶体结构 α-石英
870℃
α-鳞石英
1470℃
α-方石英
1713℃
熔体
573℃
160℃
268℃
β-石英
β-鳞石英
117℃
β-方石英
γ-鳞石英
870℃ 1470℃ 1713℃ α-石英 α-鳞石英 α-方石英 熔体
（4）六节环单元 6个[SiO4]通过公共氧连接，形成络阴离子[Si6O18]12-， 其中，6个桥氧，12个非桥氧，非桥氧用金属离子饱和，形 成以金属离子连接的组群状结构，如Be3Al2[Si6O18]。
六 节 环 单 元
三、链状结构
结构特点 [SiO4]四面体通过公共氧连接成四面体链。 （1）单链：每个[SiO4]四面体有2个桥氧、2个非桥氧。 可将 [Si2O6]4-作为结构单元，如透辉石CaMg[Si2O6]。
硅酸盐化学式的表示法： （1）用氧化物形式表示法 书写顺序：碱金属氧化物→二价氧化物→三价氧化物 →SiO2→H2O 如，钾长石：K2O•Al2O3•6SiO2 高岭石：Al2O3•2SiO2•2H2O （2）用无机络盐形式表示法 书写顺序：碱金属离子→二价离子→三价离子→Si4+ →O2-→OH如，钾长石：KAlSi3O8 高岭石：Al4[Si4O10](OH)8
如：钾长石-K[AlSi3O8];钠长石-Na[AlSi3O8] 钙长石-Ca[Al2Si2O8]
（2）Al4[Si4O10](OH)8 (Al2O3•2SiO2•2H2O)(高岭石)结构
属三斜晶系，单网层结构。 上层为[AlO2(OH)4]八面体层、下层为硅氧四面体，结构
单元为[Si4O10]4-，其非桥氧朝向上层的[AlO2(OH)4]。 每一层单元内，电价饱和，层单元之间为氢键结合。 高岭石是制造陶瓷、水泥的主要原料。
573℃ β-石英 160℃ β-鳞石英 117℃ γ-鳞石英 268℃ β-方石英
不同系列转化
同 系 列 转 化
重建相变
位移相变
（2）长石晶体结构
架状结构的硅氧四面体中的部分Si4+可被其他正离子 取代。若被Al3+取代，则形成长石结构。
因Al3+取代Si4+，电价不平衡，须结合K+、Na+、Ca2+、 等离子平衡电价，形成不同种类的长石。