硅酸盐晶体结构PPT课件

1、1,第二节 硅酸盐(Silicate)晶体结构,地壳中的优势矿物为硅酸盐和铝硅酸盐。 在地壳中形成矿物时，由于成矿的环境不可能十分纯净，矿物组成中常含有其它元素，加之硅酸盐晶体中的正负离子都可以被其它离子部分或全部取代，这就使得硅酸盐晶体的化学组成甚为复杂,地壳内元素的丰度,2,一、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， ，Si4的配位数为4，形成SiO4四面体。SiO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的离子键，尚含有相当成分的共价键，一般认为，离子键和共价键各占50。Si4之间不直接相连，而必须通过O

2、2相连。 （2）按静电键规则，Z4，s=1，i=2，所以么一个O2最多为两个SiO4四面体所共有，如果只有一个Si4为O2提供电价，那么O2另一个未饱和的电价将由其它离子如Al3、Mg2等来提供。 SiO4四面体中心的Si4+离子可部分地被Al3+ 所取代。这种情况在硅酸盐结构中是经常见到的,3,续,3）按鲍林第三规则，SiO4四面体可以独立存在，两个相邻的SiO4四面体只以共顶，而不以共棱或共面存在。 （4）按鲍林第五规则，在同一类型硅酸盐中，SiO4四面体的连接方式一般只有一种。 （5）SiOSi结合键通常并不是一条直线，而是一条折线，其SiOSi键角并不完全一致，一般在145左右,SP3

3、杂化,4,书写方法,硅酸盐晶体的表达式有化学式和结构式两种： （1）即按氧化物来书写。若用化学式书写，则可按1价、2价、3价氧化物的顺序书写，最后写出SiO2和H2O。 （2）即按无机络盐方式书写。若用结构式书写，则先写外加正离子，后写硅氧骨干，再写外加负离子，（OH）和H2O。 例1：钾长石， 化学式：K2OAl2O3 6SiO2 ， 结构式：KAlSi3O8。 例2：高岭石， 化学式：Al2O32SiO22H2O， 结构式：Al2Si2O5(OH)4,5,表 硅酸盐晶体结构分类,6,6,6,硅酸盐结构示意图,7,双四面体,结构单元 Si2O88- 1O2-=Si2O76,此O被共用,8,三

4、元环,基本结构单元 Si3O1212-3O2-Si3O96,此O被共用 共有三个这样的O 对于每个SiO4有两个O被共用,9,六元环,10,链状结构示意图,单链结构示意图 Single chains,双链结构示意图 Double chain silicates,11,二、岛状结构（Orthosilicates (Nesosilictaes),在硅酸盐晶体中，SiO4四面体以孤立状态存在，SiO4四面体之间不是以O2共顶连接，即每个O2除了与一个Si4+相连外，不再与其它SiO4四面体中的Si4+相连，而与其它金属离子相连。 主要有镁橄榄石（Mg2SiO4），锆英石（ZrSiO4）等,Neo-:

5、 from Greek Means:island,12,1）镁橄榄石（Mg2SiO4）（Olivine,基本特征：斜方晶系，Pbnm空间群。晶格常数a=0.467nm,b=1.020nm,c=0.598nm,每个晶胞中有4个“分子”，故可以写成Mg8Si4O16。 按鲍林第一规则: 所以Si4的配位数为4，形成SiO4四面体； ，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,13,续（镁橄榄石结构,按鲍林第四规则，高价低配位的SiO4四面体不互相结合，而是孤立存在，而SiO4四面体和MgO6八面体直接可以共顶和共棱连接。 按

6、鲍林第五规则，在镁橄榄石中，Si4的配位方式只有SiO4四面体，Mg2只有MgO6八面体，没有其它形式配位多面体的存在。 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,14,示意图,镁橄榄石在（100）面投影,15,镁橄榄石结构中的同晶取代,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CaMgSiO4。 如果Mg2+全部被Ca2+取代，则形成-Ca2SiO4，即-C2

7、S，其中Ca2+的配位数为6。 水泥熟料矿物-Ca2SiO4，属于单斜晶系，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。而-C2S由于配位规则，在水中几乎是惰性的。 其它同类型晶体：蓝晶石Al2O3SiO2、莫来石3Al2O32SiO2以及水泥熟料中的-C2S、-C2S和C3S等,水泥的主要 组成矿物之一,16,橄榄石,自然界中，橄榄石（Peridot或Olivine）因具有橄榄绿色而得名，以酷似祖母绿色者最佳，次为浓绿色和黄绿色，为八月诞辰石，产于河北，吉林,17,三、组群状结构（Sorosilicates and Cyclosilicates,基本特点

8、： 两个、三个、四个或六个SiO4四面体通过共用氧相连接，形成单独有限的硅氧络阴离子，除双四面体外其余的通常为环状(Ring Silicates)，环还可以重叠起来形成双环，如六元双环。环与环之间通过其它金属正离子如Ca2、Mg2+、Be2等联系起来。 常见同类矿物：硅钙石Ca3Si2O7,镁方柱石Ca2MgSi2O7，蓝锥矿BaTiSi3O9，绿宝石Be3Al2Si6O18等。 举例: 绿宝石,18,绿宝石（Be3Al2Si6O18，beryl,基本特征: 六方晶系，P6/mcc空间群，a=0.919nm，c=0.919nm。 “分子数”Z2。 基本结构特征：六个SiO4四面体形成六元环，六

9、节环中一个Si4和两个O2在同一高度，环与环相叠，途中粗黑线和细黑线分别表示上下两层，上下两层交叉30。 环与环之间由Be2和Al3连接。 三个85位置的O2-和三个65位置的O2-及其中的Al3构成AlO6八面体。而两个85位置的O2和两个65位置的O2及其中的Be2构成BeO4四面体。 O2，连接有三个BeO4四面体和一个AlO6八面体，电价达到饱和,19,六元环,20,绿宝石结构示意图,绿宝石结构在（0001）面上的投影,21,祖母绿,为绿柱石矿物的一种，因具特殊晶莹的“祖母绿色”被誉为“绿色宝石之王”，据说其绿色之美，任何绿色以宝石皆望尘莫及。以翠绿、皆为佳，优质绿祖母绿均产于哥伦比亚

10、,22,绿柱石和云母,绿柱石,23,链状硅酸盐Chain Silicates (Inosilicates,基本特点： 一个硅氧四面体有两个顶点被共用，而形成各种环状与链状结构结合的长链，既可以是单链，也可以是双链。链上未饱和的氧离子靠金属阳离子(如Mg2+，Ca2+等)饱和，并且把链与链连接在一起。 代表矿物：辉石族和闪石族。 辉石族是陶瓷中主要物相。滑石瓷的主要晶相是顽火辉石晶体Mg2Si2O6。 石棉是闪石类矿物，具有双链结构，呈细长纤维状,Ino-: from Greek means:thread,24,单链结构示意图 Single chains,双链结构示意图 Double chain

11、 silicates,25,透辉石,结构特征：单斜晶系，C2/C空间群,单链,26,透闪石Ca2Mg5Si4O11(OH)2,单斜，（100）面上的投影,翡翠，硬玉类。 软玉，由角闪石矿物组成,27,透灰石,透闪石,直闪石石棉,28,层状硅酸盐结构(Sheet Silicate or Phyllosilicates,基本特征： （1）SiO4四面体通过三个共用氧构成向二维空间无限伸展的六节环。在六节环中，可以取出一个基本单元Si4O10，每一个SiO4四面体的第四个顶点(O2-)则与金属阳离子结合，像这种只与一个硅相联结的氧为“活性氧”，活性氧可指向一方也可以指向相反的方向。 在层状结构中，层

12、与层之间靠分子间力或氢键结合，比层内的Si-O键结合力小得多，故这种结构材料可以沿层与层之间劈开成薄片，很容易产生层与层之间滑移。 常见矿物：高岭石、云母和滑石,29,层状硅酸盐中的四面体,如何得到基本结构单元,30,层状结构示意图,31,中、小半径的阳离子Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+ 等，形成二维连续的六配位的铝氧八面体结构层或镁氧八面体结构层。将八面体划分为两种类型： 其一为三八面体层；具有与氢氧镁石Mg（OH）2结构相同的特点，故又称氢氧镁石层； 其二为二八面体层；这种八面体结构层具有与三水铝石Al（OH）3结构相同的特点，所以又称氢氧铝石层。若八面体层中，二价和三价阳离子同时

13、存在，则属于上述两者之间的中间类型,32,双层结构,六元环,33,高岭石（Kaolinite）Al4 (Si4O10) (OH)8,最早发现于江西景德镇，景德镇古称昌南（China出处），明末，在景德镇高岭村开采此矿，命名为高岭土。后经德国地质学家李希霍芬按高岭土之音译成“Kaolin”介绍到世界矿物学界。多呈隐晶质、分散粉末状、疏松块状集合体。白或浅灰、浅绿、浅黄、浅红等颜色，条痕白色，土状光泽。摩氏硬度2-2.5，比重2.6-2.63。吸水性强，和水具有可塑性，粘舌，干土块具粗糙感。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。中国高岭石的著名产地有江西景德镇、江苏苏州、河

14、北唐山、湖南醴陵等。世界其它著名产地有英国的康沃尔和德文、法国的伊里埃、美国的佐治亚等。高岭石是陶瓷的主要原料，在其它工业中也有广泛使用,34,010,001,35,属于双层结构,36,从高岭土结构可以推出其它层状硅酸盐,高岭土双层结构,叶腊石三层结构,叶蛇纹石,2Al3+被3个Mg2,加一层,加一层,加层间水 皂石,加层间水 蒙脱石,滑石,高岭石,蛇纹石双层结构,滑石三层结构,37,举例,高岭石,叶腊石,滑石,38,叶腊石： Al2Si4O10(OH)2 属2：1型层状结构的硅酸盐矿 物，层间靠范德华力连结.有滑腻感，烧成收缩小，线膨胀系数不大，适宜于快速烧成,39,滑石： Mg3(Si4O

15、10)(OH)2 为2：1型层状结构的硅酸盐 矿物，硬度为1 ，可作为电瓷用料。无可塑性,40,蒙脱石（微晶高岭石）的结构,单斜晶系，空间群C2/ma；理论化学式为 Al2Si4O10(OH)2nH2O； 晶胞参数a=0.515nm，b=0.894nm，c=1.520nm，=90o；单位晶胞中Z=2。 实际化学式为 (Al2-xMgx)Si4O10(OH)2（NaxnH2O）， 式中x=0.33，晶胞参数a0.532nm，b0.906nm，c的数值随含水量而变化，无水时c0.960nm。 水分子易渗透进入层间，使晶胞c轴膨胀，随含水量变化，由0.960nm变化至2.140nm，因此，蒙脱石又称

16、为膨润土,钠基膨润土和 钙基膨润土,41,结构与性质关系： C轴变化较大，易于吸水。蒙脱石晶胞c轴长度随含水量而变化，甚至空气湿度的波动也能导致c轴参数的变化，所以，晶体易于膨胀或压缩。加水膨胀，加热脱水并产生较大收缩，一直干燥到脱去结构水之前，其晶格结构不会被破坏。 高离子交换能力。随层间水进入的正离子使复网层电价平衡，它们易于被交换，使矿物具有很高的阳离子交换能力,42,用途,滑石,可入药，有吸附和收敛作用，内服能保护肠壁。滑石粉撒布创面形成被膜，有保护创面，吸收分泌物，促进结痂的作用,药物载体(蒙脱石),化妆品,高级乳胶漆,水性涂料,纺织印花糊料,农药蚕药助剂,饲料等,43,白云母： 结

17、构式为KAl2(AlSi3)O10(OH)2 属单斜晶系。 为六角板状。差热曲线为,44,白云母,45,黏土矿物的基本性质 （1） 可塑性 （2） 膨胀性 （3） 稠性 （4） 分散性 （5） 凝聚性 （6） 黏性 （7） 触变性 （8） 离子交换性 黏土的形成 （1） 风化作用 （4） 有机酸的腐蚀作用 （2） 机械侵蚀作用 （5） 蒸汽与热水的作用 （3） 化学分解作用,粘土黏土,46,5、架状结构Framework Silicates (Tektosilicates,基本特征：在骨架状结构中，硅氧四面体之间共有四个顶点，四个O2全部为公用氧，SiO4四面体构成三维无限骨架状结构。 陶瓷材

18、料中，非常重要的硅石 (SiO2)就具有由SiO4四面体组成的三维骨架结构。 除此以外，SiO4四面体中的Si4+若被Al3所取代，形成AlSiO4或AlSi3O8等形式，此时(Al+Si)/O仍为1：2。 代表矿物：石英、长石、沸石等,47,1、SiO2的各种变体及其结构,SiO2是玻璃、陶瓷等行业一种重要的原料，它有许多种变体，常温常压下可以分为石英、鳞石英和方石英三个系列,48,1、石英族晶体的结构,SiO2晶体具有多种变体，常压下可分为三个系列：石英、鳞石英和方石英。它们的转变关系如下： 870 1470 1723 -石英 -鳞石英 -方石英 熔体 573 160 268 -石英 -鳞石英 -方石英 117 -鳞石英,49,石英/水晶,石英与辰砂共生,50,玛瑙,碧玉,51,位移性转变：上述各变体中，同一系列（即纵向）之间的转变不涉及晶体结构中键的破裂和重建，仅是键长、键角的调整，转变迅速且可逆，如-石英、 -石英 之间的相变。又称为二级相变。 重建型相变：不同系列（即横向）之间的转变，如-石英和-鳞石英、-鳞石英和-方石