硅酸盐晶体结构

地壳中：硅约占25％，氧约占50％存在形式：硅酸盐与硅石硅酸盐：地壳中的岩石、粘土等；人工制造的水泥、陶瓷、砖瓦、玻璃等。一、硅酸盐晶体结构的一般特点和分类1、硅酸盐晶体结构基本特点1）Si-O→[SiO4]四面体，是硅酸盐结构基本单元，起骨干作用。2）一个氧离子最多只能被2个[SiO4]四面体所共有。3）Si4+间不存在直接的键，通过O2-联接。4）[SiO4]四面体可弧立存在，或两个[SiO4]四面体间共顶相连。不能共棱，共面相连。5）Si-O-Si的结合键不形成一直线，而是折线，键角接近。2、硅酸盐晶体结构分类桥氧：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=1:4②组群状硅酸盐双四面体一个桥氧Si:O=2:7三节环三个桥氧四节环四个桥氧Si:O=1:3六节环六个桥氧RR双四面体三节环和六节环③链状硅酸盐单链：[SiO4]在一维方向通过桥氧相连，Si:O=1:3双链：两个[SiO4]单链在一维方向通过桥氧相连4:11④层状硅酸盐[SiO4]在二维方向通过桥氧相连，Si:O=4:10⑤架状硅酸盐[SiO4]在三维方向通过桥氧相连，Si:O=1:2层状架状3、硅酸盐表示法1）化学组成表示法即把构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和顺序全部写再来，先是一价的碱金属氧化物，其次是2价、3价的金属氧化物，然后是SiO2，最后是H2O。如高岭石：Al2O3·2SiO2·2H2O。绿柱石：3BeO·Al2O3·6SiO2。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。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·H2OCa2Mg5[Si8O22](OH)2或Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2双链二、岛状结构

化合物分子式：2R2O·SiO2→R4[SiO4]2RO·SiO2→R2[SiO4]RO2·SiO2→R[SiO4]镁橄榄石（M2S)结构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]（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。(4)属于该类型结构有：Zr[SiO4]、(Mg、Fe)2[SiO4]或(Ca、Mg)2[SiO4]橄榄石，三石（硅线石，红柱石，兰晶石），水泥熟料中γ-C2S（γ-Ca2[SiO4]）。（５）结构与性质的关系：由于Mg-O键和Si-O键都比较强，所以镁橄榄石表现出较高的硬度，熔点达到1890℃，是镁质耐火材料的主要矿物，同时，由于各个方向上键力分布比较均匀，所以橄榄石结构没有明显的解理，破碎后呈现粒状。三、组群状硅酸盐结构

组群状结构：由[SiO4]4-通过共用氧（桥氧）相连生成的２个，３个，４个或６个硅氧组群。绿柱石3BeO·Al2O3·6SiO2

结构特点：六个[SiO4]四面体组成一个六节环，沿着C轴平行排列，粗线组成的六节环是上面一层，细线组成的六节环是下面一层，上、下层投影不重叠，相差，环与环之间不直接相连，通过Al3+和Be2+联系起来，Be-O→[BeO4]四面体，Al-O→[AlO6]八面体，[BeO4]与[AlO6]共棱相连。

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，比重。绿柱石主要产于花岗伟晶岩中，云英岩及高温热液脉中也有产出。绿柱石是炼铍的主要矿物原料，色泽美丽者是珍贵的宝石，如祖母绿、海蓝宝石。

结构与性质的关系：绿柱石结构的六节环内没有其它离子存在，使晶体结构中存在大的环形空腔，当有电价低、半径小的离子（如Na+）存在时，在直流电场中，晶体会表现出显著的离子电导，在交流电场中会有较大的介电损耗，当晶体受热时，质点热振动的振幅增大，大的空腔使晶体不会有明显的膨胀，因而表现出较小的热膨胀系数。在这类硅酸盐结构中，[SiO4]通过公共桥氧，在一维方向连接成无穷长链。单链：[SiO4]靠桥氧在一维方向无限连接，通式n[Si2O6]4-双链：两条[SiO4]单链在一维方向无限连接，通式n[Si4O11]6-结构特点：没有一个[SiO4]是弧立的，它们之间通过两个公共顶点连接成一条无穷长链。四、链状硅酸盐结构

辉石类：硅酸盐通常具有单链结构：如顽火辉石Mg2[Si2O6]透辉石CaMg[Si2O6]角闪石类：硅酸盐通常具有双链结构：如透闪石Ca2Mg[Si4O11]2（OH）2硅线石、莫来石在单链结构中，按能重复的三角形数又分：一节、二节、三、四、五、七节链。翡翠的英文名称为Jadeite，是西班牙语Picdodejade的简称，意思是佩戴在腰部的宝石。之所以叫翡翠，是因为它的颜色不均一，有时在浅色的底子上伴有红色和绿色的色团，颜色之美尤如古代赤色羽毛的翡雀和绿色羽毛的翠雀，所以称之为翡翠。近代人们称翡翠为“红翡绿翠”。

层状结构基本特点：（1）由[SiO4]彼此通过三个公共氧连接成位于一个平面上的六节环向二维空间延伸构成硅氧层。（2）在六节环的硅氧层中可取出一个矩形单位，，，结构单元[Si4O10]4-，整个[SiO4]层化学式表示为[Si4O10]n4n-。五层状结构

（3）对每一个[SiO4]，其中三个氧又与另外Si4+相连，只有一个活性氧，这个活性氧因价态未饱和，不稳定，所以它可以同其它阳离子相连接，如Al3+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Li+、Na+、K+等。（4）层内键力>层间键力，易沿层间解理。（5）硅氧层可以分两类：所有的活性氧都指向同一个方向。活性氧更迭地指向上和指向下方向。（6）层状结构双层结构（单网层结构）：一个八面体层+四面体层结构，如：高岭石三层结构（复网层结构）：一个八面体层+二个四面体层结构，如：滑石

1、高岭石（属于单网层结构）

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。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。

1)结构组成：

一层硅氧四面体层与一层[Al（OH）6]八面体层组成，两层结合时，[SiO4]层中活性氧进入[Al（OH）6]中，取代1/3（OH-）形成[AlO2（OH）4]八面体→高岭石结构。高岭石晶体结构（a）在（001）面投影;，（b）（010）面投影，（100）面投影图

高岭石结构投影图

结构特点：单网层、一层[SiO4]与一层

[AlO2(OH)4]相连。二八面体，三价Al3+填充八面体空隙，只填充2/3个。单网层的一侧为OH-，另一侧为O2-，层与层间主要为氢键结合。从（001）面投影图可见，[SiO4]四面体组成的六节环与[AlO2（OH）4]组成的六节环的位置是错开的，降低了晶体结构的对称。

（2）在自然界中常见的高岭石类矿物是高岭石、地开石、珍珠陶土。（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。硬度一般介于至5之间。

岫玉是中国先民开发、应用最早的一种玉料，距今已有七千年的历史。浙江余杭河姆渡文化遗址中，有用岫玉制成的玉斧、玉铲和玉刀等玉器。河北满城西汉墓中出土的中山靖王刘胜和王后窦绾的两件金缕玉衣轰动全世界，分别用2498块和2160块玉片用金丝穿缀而成，大部分玉片是岫玉雕制的。从古至今，中国人民把岫玉制品作为礼器、仪仗器、佩饰、工具、生活用具等，岫玉的现代产品更是琳琅满目，应用范围相当广泛。中国的蛇纹石质玉产地多、产量大、玉质较好。1959年在辽宁省岫岩县采得一块巨大的岫岩玉，长，宽，高，重吨，有两间房子那么大，玉质细，通体五彩斑斓，世界罕见。化学式3MgO·2SiO2·2H2O，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+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·H2OAl2[Si4O10]（OH）2与高岭石的最大区别：①由二层结构→三层结构②Al3+八面体由原来AlO2(OH)4)→AlO4(OH)2)，结构水降低。③复网层间为范氏力结合，原来结构一端为O2-，一端为OH-，变成现在两端均为O2-。④C轴比高岭石大的多，叶腊石是生产半硅质耐火材料原料。结构相当于叶腊石+层间水。3)滑石化学式：3MgO·4SiO2·H2OMg3[Si4O10](OH)2构成：把叶腊石结构中Al3+用Mg2+取代，为保持电中性，3个Mg2+取代2个Al3+

低硬度（指甲可刻划），具滑感，一组极完全解理等特征，可与叶腊石、块状蛇纹石等外表相似的矿物相区别。

滑石是热液蚀变矿物。富镁矿物经热液蚀变常变为滑石，故滑石常呈橄榄石、顽火辉石、角闪石、透闪石等矿物假象。滑石广泛用于造纸、陶瓷、橡胶、油漆、耐火器材、纺织、染料、铸造及制药等工业。质软、滑腻、光泽柔和的块状滑石用于雕刻工艺品材料。5、云母类构成：可由叶腊石演化而来，即把叶腊石[SiO4]层中每4个Si4+用Al3+取代一个，同时引进一个K+（电价平衡）。半径较大，K+半径较大，留在复网层中，即成白云母结构。化学式：K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2OKAl2[AlSi3O10](OH)2

云母通常呈假六方或菱形的板状、片状、柱状晶形。颜色多样，玻璃光泽，解理面上珍珠光泽，透明或半透明。具一组极完全的平行底面解理，薄片富弹性。摩氏硬度2-3，比重。具高度的不导电性和耐火性。

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。

金云母是含镁的云母，黄褐色或金黄色，解理面上常具有半金属光泽。

黑云母是含镁、铁的云母，黑、绿黑或褐黑色。

白云母和金云母可作为绝缘材料，广泛用于电器、电子等工业生产。阳离子发生取代可生成一系列云母，如：Al3+被Mg2+取代，生成金云母，较多Mg2+被Fe2+取代则生成黑云母等。金云母加层水即为蛭石。云母可作为新型电绝缘材料和微晶玻璃材料，近代科学中，云母陶瓷：抗腐蚀、热冲击、机械强度高、介电性好。云母微晶玻璃：高强、热冲击、切割、用于国防。

化学组成为Mg05(OH)4{Mg3[AlSi3O10](OH)2}，晶体属单斜晶系层状结构硅酸盐矿物。因加热时能迅速膨胀，弯曲呈水蛭状而得名。集合体呈片状、土状或粉末状。一般呈褐色、褐黄色或暗绿色，带油脂的玻璃光泽。底面解理完全，解理片具挠性。摩氏硬度，比重。蛭石通常由云母经低温热液蚀变或风化而成。蛭石可用作建筑材料、油的吸附剂、消音材料等。

六架状硅酸盐最大特点：每个[SiO4]中的O2-均为桥氧，无活性氧，电价平衡，实际上是氧化物SiO2。以SiO2为例讨论，SiO2分为三类晶型（石英、鳞石英、方石英）七