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第一章晶体结构(五硅酸盐晶体结构)精品

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硅酸盐晶体结构(无机材料科学)

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。

硅酸盐晶体结构

硅酸盐晶体结构

物理性质: 呈不同色调的绿色，翠绿色的亚种 称祖母绿(emerald)，蔚蓝色的亚种称海蓝宝石 (aquamarine)，玻璃光泽，硬度7.5~8, 比重 2.66~2.83。
鉴定特征: 以其六方柱状形态和柱面上具纵为 特征。
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。
岛状结构硅酸盐
橄榄石 化学组成: Olivine (Mg, Fe)2[SiO4]
结金构属阳特点离子:正M交g2+晶Fe系2+连；接晶起体来结。构氧表离现子为近[S似iO成4]4六-由方 紧密堆积，八面体空隙被二价阳离子占据。
物理性质: 灰橄榄绿色；玻璃光泽。硬度6~7，比 重随成分不同而变化大。
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-
架状硅氧骨干
这种络阴离子可用通式 [(AlxSin-x)O2n]x-表示
概述
1．硅酸盐结构特点与分类 硅酸盐是数量极大的一类无机物。硅酸盐晶体可以按硅（铝）氧骨干的形式 分成岛状结构、环状结构、链状结构、层状结构和架状结构。
2. 硅酸盐化学式表示法： 1）用氧化物表示 如钾长石可写成K2O•Al2O3•6SiO2;高岭石可写为： Al2O3•2SiO2•2H2O 2)用无机配合物的形式表示 如钾长石可写成KAlSi3O8; 高岭石可写为： Al4[Si4O10](OH)8

硅酸盐晶体结构

硅酸盐晶体结构
地壳中：
2.1% 2.6% 2.8% 3.6%
5.0%
地殼
1.5%
硅约占25％， 8.1% 氧约占50％
存在形式： 硅酸盐与硅石
27.7%
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。
氧
硅
鋁
46.6%
鐵鈣鈉来自鉀鎂其他
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一、硅酸盐晶体结构的一般特点和分类
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。
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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·H2O
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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7.5-8，比重 2.6-2.9。
键角接近 。145
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2、 硅酸盐晶体结构分类
R
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=1:4 ②组群状硅酸盐
双四面体 一个桥氧
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第一章 晶体结构-1

第一章 晶体结构-1
向族，用〈uvw〉表示。
[001]
c

同一晶向族中不同晶向的指
数，数字组成相同。

已知一个晶向指数后，对 u、 v、w进行排列组合，就可 得出此晶向族所有晶向的指 数。
[010] [100]
b
a

如〈111〉晶向族的8个晶向指数代表8个不同的晶向； 〈110〉晶向族的12个晶向指数代表12个不同的晶向。
晶体中取出一个单元，表示晶体结构的特征。取出的最 小晶格单元称为晶胞。晶胞是从晶体结构中取出来的反 映晶体周期性和对称性的重复单元。
晶胞—晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶 体周期性和对称性的最小重复单元。
（3）晶胞与晶胞参数
图1-1
空间点阵及晶胞的不同取法
晶胞的选取规则：
1）充分表示晶体对称性；
例题：晶面指数的标注
C G E D
H
O B
A
F
• 面间距 • 晶面指数代表一组平行晶面 • 两相邻晶面间距d(hkl)或d • 直角坐标系下：
d( hkl ) 1 h2 k 2 l 2 2 2 2 a b c
c
C1
(100)
o
A
C B
B1
b
立方、四方、正交
A1
4. 晶面间距与晶面指数的关系
平行六面体选取原则
三斜
单斜
单斜底心
斜方 斜方底心 斜方体心 斜方面心
三方
六方
四方
四方体心
立方
立方体心
立方面心
各晶系晶胞参数
a、立方晶系： a=b=c, α=β=γ=90o
(简单立方、面心立方、体心立方)
b、四方晶系：a=bc，===90o （简单四方、体心四方）

固体物理参考答案(前七章)

固体物理参考答案(前七章)

固体物理习题参考答案（部分）第一章 晶体结构1.氯化钠：复式格子，基元为Na +，Cl -金刚石：复式格子，基元为两个不等价的碳原子 氯化钠与金刚石的原胞基矢与晶胞基矢如下：原胞基矢)ˆˆ()ˆˆ()ˆˆ(213212211j i a a i k a a k j a a +=+=+= ， 晶胞基矢 ka a j a a ia a ˆˆˆ321===2. 解：31A A O '：h:k;l;m==-11:211:11:111:1:-2:1 所以（1 1 2 1） 同样可得1331B B A A ：（1 1 2 0）； 5522A B B A ：（1 1 0 0）；654321A A A A A A ：（0 0 0 1）3.简立方： 2r=a ，Z=1,()63434r 2r a r 3333πππ===F体心立方：()πππ833r4r 342a r 3422a 3r 4a r 4a 33333=⨯=⨯=∴===F Z ，，则面心立方：()πππ622r 4r 34434442r 4a r 4a 233ar 33=⨯=⨯=∴===F Z ，，则 六角密集：2r=a, 60sin 2c a V C = a c 362=,πππ622336234260sin 34223232=⨯⨯⨯=⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛a a c a r F a金刚石：()πππ163r 38r 348a r 3488Z r 8a 33333=⨯=⨯===F ，， 4. 解：'28109)31arccos(312323)ˆˆˆ()ˆˆˆ(cos )ˆˆˆ()ˆˆˆ(021*******12211=-=-=++-⋅+-=⋅=++-=+-=θθa a k j i a k j i a a a a a kj i a a kj i a a 5.解：对于（110）面：2a 2a a 2S =⋅=所包含的原子个数为2，所以面密度为22a2a22=对于（111）面：2a 2323a 22a 2S =⨯⨯= 所包含的原子个数为2，所以面密度为223a34a 232=8.证明：ABCD 是六角密堆积结构初基晶胞的菱形底面，AD=AB=a 。

第一章 硅的晶体结构

第一章 硅的晶体结构
格中的原子被看作是处在一系列彼此平行的平面 系上，这种平面系称为晶面。通过任何一个晶列都存在许多 取向不同的晶面，不同晶面上的原子排列情况一般是不同 的。
二、米勒指数
用相邻的两个平行晶面在矢量x，y，z的截距来标记，它 们可以表示为x/h1、y/h2、z/h3，h1、h2、h3为互质的整数或负 整数。通常就用 h 1 、 h 2 、 h 3 来标记晶面，称它们为晶面指数
二、晶向
1. 定义：表示一族晶列所指的方向。
13
2. 晶向指数 以简单立方晶格原胞的三个边作为基矢x，y，z，并以任 一格点作为原点，则其它所有格点的位置可由矢量：
L l1 x l2 y l3 z
给出，其中l1、l2、l3为任意整数。而任何一个晶列的方向可
由连接晶列中相邻格点的矢量：
A m1 x m2 y m3 z
23
三、外来原子
外来原子进入晶体后，有两种方式存在： 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称这种 杂质为间隙式杂质。形成该种杂质时，要求其原子比晶格 原子小； 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称 这种杂质为替位式杂质。形成该种杂质时，要求其原子的 大小与被取代的晶格原子的大小比较接近，而且二者的价 电子壳层结构也比较接近。
10
1.1.3 原子密度
例题： 硅在 300K 时的晶格常数 a 为
5.43Å。请计算出每立方厘米体积 中的硅原子数及常温下的硅原子密 度。
解： 每个晶胞中有 8个原子，晶胞体积为a3，每个原子所占 的空间体积为a3/8，因此每立方厘米体积中的硅原子数为： 8/a3=8/(5.43×108)3=5×1022（个原子/cm3） 密度=每立方厘米中的原子数×每摩尔原子质量/阿伏伽德 罗常数=5×1022×28.09/(6.02×1023)g/cm3=2.33g/cm3

无机材料科学基础-之-硅酸盐的晶体结构

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。

固体物理课件 第一章 晶体结构

固体物理课件 第一章 晶体结构

晶面指数（122）
a
c b
(100)
(110)
(111)

在固体物理学中，为了从本质上分析固体的性质，经常要研究晶体中的 波。根据德布罗意在1924年提出的物质波的概念，任何基本粒子都可以 看成波，也就是具备波粒二象性。这是物理学中的基本概念，在固体物 理学中也是一个贯穿始终的概念。

在研究晶体结构时，必须分析x射线（电磁波）在晶体中的传播和衍射 在解释固体热性质的晶格振动理论中，原子的振动以机械波的形式在晶 体中传播；
1 3 Ω = a1 ⋅ a 2 × a 3 = a 2
(
)

金刚石
c
c
面心立方

钙钛矿 CaTiO3 (ABO3)
Ca
O
Ti
简单立方
所有的格点都分布在相互平行的一族平面 上，且每个平面上都有格点分布，这样的 平面称为晶面，该平面组称为晶面族。
特征： (1)同一晶面族中的晶面相互平行； (2)相邻晶面之间的间距相等；（面间距是
至今为止，晶体内部结构的观测还需要依靠衍射现象来进行。
（1）X射线 -由高速电子撞击物质的原子所产生的电磁波。 早在1895年伦琴发现x射线之后不久，劳厄等在1912年就意识到X射线的 波长在0.1nm量级，与晶体中的原子间距相同，晶体中的原子如果按点阵排 列，晶体必可成为X射线的天然三维衍射光栅，会发生衍射现象。在 Friedrich和Knipping的协助下，照出了硫酸铜晶体的衍射斑，并作出了正确 的理论解释。随后,1913年布拉格父子建立了X射线衍射理论，并制造了第 一台X射线摄谱仪，建立了晶体结构研究的第一个实验分析方法，先后测定 了氯化钠、氯化钾、金刚石、石英等晶体的结构。从而历史性地一举奠定 了用X射线衍射测定晶体的原子周期性长程序结构的地位。 时至今日，X射线衍射(XRD)仍为确定晶体结构，包括只具有短程序的无 定型材料结构的重要工具。

晶体结构

晶体结构

[011]
E
uur a3 uur
a2
A
uur a3 uur
a2
O
ur
a1 B
uuur uur uur
BE a2 a3
O
ur a1
另解：
C uuur ur
OB a1
D
uuur ur uur uur
OE a1 a2 a3
uuur uuur uuur uur uur BE OE OB a2 a3
晶体的物理性质在不同方向上存在差异.
例如:电导率、热学性质、折射率等 石墨沿不同晶向电导率不同 方解石沿不同晶向折射率不同
晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决 定的,即晶体的宏观特性是微观特性的反映。
1.2 密堆积
晶体中的原子（或离子）由于彼此之间的吸引力会 尽可能地靠近，以形成空间密堆积排列的稳定结构。
(5)CsCl结构(CsBr、CsI、TlCl等)
Cl
Cs
Cl-和Cs+分别组成简立方子晶格. 氯化钠结构由两个简立方子晶格沿体对角线位移1/2的 长度套构而成为复式格子。 一个晶胞包含一个Cl-和一个Cs+. 其原胞为简立方, ，包含一个Cl-和一个Cs+.
(6)金刚石结构（Si、Ge等）
(3)原胞(Primitive Cell)
这个体积最小的重复单元即为原胞，代表原胞三个边 的矢量称为原胞的基本平移矢量，简称基矢。
基矢通常用 a 1 , a 2 表, a示3
a3 a2
a1
(3)原胞(Primitive Cell)
原胞的体积：
Ω a1 a 2 a 3
a3
a2
原胞的特点：
原胞和晶胞是一致的

第一章 晶体结构

第一章 晶体结构

第一章 晶体结构本章首先从晶体结构的周期性出发，来阐述完整晶体中离子、原子或分子的排列规律。

然后，简略的阐述一下晶体的对称性与晶面指数的特征，介绍一下倒格子的概念。

§1.1晶体的周期性一、晶体结构的周期性1．周期性的定义从X 射线研究的结果，我们知道晶体是由离子、原子或分子（统称为粒子）有规律地排列而成的。

晶体中微粒的排列按照一定的方式不断的做周期性重复，这样的性质成为晶体结构的周期性。

周期性：晶体中微粒的排列按照一定的方式不断的做周期性重复，这样的性质成为晶体结构的周期性。

晶体结构的周期性可由X-Ray 衍射直接证实，这种性质是晶体最基本或最本质的特征。

（非晶态固体不具备结构的周期性。

非晶态的定义等略），在其后的学习中可发现，这种基本性质对固体物理的学习具有重要的意义或是后续学习的重要基础。

2．晶格 格点和点阵晶格：晶体中微粒重心，做周期性的排列所组成的骨架，微粒重心所处的位置称为晶格的格点（或结点）。

格点的总体称为点阵。

整个晶体的结构，可看成是由格点沿空间三个不同方向， 各自按一定距离周期性平移而构成。

每个平移的距离称为周期。

在某一特定方向上有一定周期，在不同方向上周期不一定相同。

晶体通常被认为具有周期性和对称性，其中周期性最为本质。

对称性其实质是来源于周期性。

故周期性是最为基本的对称性，即“平移对称性”（当然，有更为复杂或多样的对称性，但周期性或平移对称性是共同的）。

3．平移矢量和晶胞据上所述，基本晶体的周期性，我们可以在晶体中选取一定的单元，只要将其不断地重复平移，其每次的位移为a 1，a 2，a 3，就可以得到整个晶格。

则→1a ，→2a ，→3a 就代表重复单元的三个棱边之长及其取向的矢量，称为平移矢量，这种重复单元称为晶胞，其基本特性为：⑴晶胞平行堆积在一起，可以充满整个晶体⑵任何两个晶胞的对应点上，晶体的物理性质相同，即：()⎪⎭⎫⎝⎛+++=→→→332211anananrQrQ其中→r为晶胞中任一点的位置矢量。

晶体结构

晶体结构

§1.1 晶格的周期性
一、布拉菲（Bravais）格子
布喇菲(A. Bravais)，法国学者，1850年提出。
定义:
各晶体是由一些基元（或格点）按一定规则, 周期重
复排列而成。任一格点的位矢均可以写成形式
Ra为n3 基 n矢1a1， n。2为Ra其2n 布中n拉3a，3菲、格子、的取n格1整矢n数2，，n或3 称、正、格矢a。1
3、金刚石结构（ diamond ）：
碳的同素异构体。 经琢磨后的金刚石又称钻石。 无色透明、有光泽、折光力极强，最硬的物质。
金刚石结构是复式晶格结构，基元中有两个碳原子A、B， 布拉菲格子是面心立方。
或可视为两个面心立方子晶格，沿体对角线平移1/4 体对角 线长度套构而成，如图所示．
金刚石晶体的配位数是4, 这4个碳原子构成一个 正四面体，碳-碳键角为109º28´。
基元是化学组成、空间结构、排列取向、周 围环境相同的原子、分子、离子或离子团的集 合。
可以是一个原子(如铜、金、银等)，可以是 两个或两个以上原子(如金刚石、氯化钠、磷化 镓等)，有些无机物晶体的一个基元可有多达 100个以上的原子，如金属间化合物NaCd2的基 元包含1000 多个原子，而蛋白质晶体的一个基 元包含多达10000 个以上的原子。
具有金刚石结构的晶体有： 金刚石、元素半导体Si、Ge ，灰锡等。
4、闪锌矿（立方ZnS）结构：（ cubic zinc sulfide ）
与金刚石结构类似，金刚石的基元是化学性质相同的两个 原子A、B ，而闪锌矿结构的基元是两个不相同的原子．
闪锌矿结构也可视为是两个不同原子的面心立方子晶格， 沿体对角线平移1/4 体对角线长度套构而成．
例如，简立方晶格的几个晶列如图所示。

材料科学基础第一章晶体结构(一结晶学基础知识)

材料科学基础第一章晶体结构(一结晶学基础知识)

说明： a 指数意义：代表一组平行的晶面； b 0的意义：面与对应的轴平行； c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反； d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相
同），空间位向不同的各组晶面。用{hkl}表示。 e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0; f 立方晶系若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。
（2）晶面指数的标定 a 建立坐标系：确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。 b 量截距：x,y,z。 c 取倒数：h’,k’,l’。 d 化整数：h,k,k。 e 加圆括号：(hkl)。 （最小整数？）
（2）晶面指数的标定
例：标定下列A,B,C面的指数。
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
平移坐标原点：为了标定方便。
2.六方晶系的晶面指数和晶向指数
六方晶系的晶胞如图1-4所示，是边长为a，高为c的 六方棱柱体。
四轴定向：晶面符号一般写为（hkil），指数的排 列顺序依次与a轴、b轴、d轴、c轴相对应，其中a、b、d 三轴间夹角为120o，c轴与它1们垂直。它们之间的关系为： i=－（h＋k）。
晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶 面指数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互 质整数比。
晶向：点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组，结点 等距离地分布在直线上。位于一条直线上的结点构成一个晶 向。 同一直线组中的各直线，其结点分布完全相同，故其中任何 一直线，可作为直线组的代表。不同方向的直线组，其质点 分布不尽相同。 任一方向上所有平行晶向可包含晶体中所有结点，任一结点 也可以处于所有晶向上。

晶体结构硅酸盐晶体结构

晶体结构硅酸盐晶体结构

晶体结构硅酸盐晶体结构晶体结构是指晶体中原子、分子或离子的排列方式。

硅酸盐是指含有硅和氧的化合物，其中硅酸的结构单元是硅酸四面体SiO4硅酸盐晶体结构的研究对理解晶体性质和应用具有重要意义。

下面将以一些典型的硅酸盐晶体结构为例进行介绍。

1.石英晶体：石英是一种含有二氧化硅（SiO2）的典型硅酸盐晶体。

其晶体结构是由硅酸四面体和氧离子构成的三维结构。

硅酸四面体通过共用氧离子形成一个网络状结构。

当硅酸四面体都以角的方式连接在一起时，形成了石英的六方晶体结构。

2.长石晶体：长石是一种常见的硅酸盐矿物，由硅酸盐层状结构和钠、钾等阳离子构成。

其中，硅酸盐层状结构由硅酸四面体构成，每个硅酸四面体都与相邻的四个硅酸四面体共享角，形成了一层平面。

这些硅酸四面体层通过钠、钾等阳离子填充在它们之间，形成了长石的晶体结构。

3.方解石晶体：方解石是一种含有碳酸根离子（CO3）的硅酸盐晶体。

它由硅酸盐八面体和碳酸根离子构成。

硅酸盐八面体和碳酸根离子通过共用氧离子形成一个三维网状结构。

方解石的晶体结构中，硅酸盐八面体与碳酸根离子是按照一定比例交替排列的。

硅酸盐晶体结构研究的重要性在于它对晶体的物理和化学性质起着决定性的作用。

晶体中原子、分子或离子的排列方式决定了晶体的特定性质，如硬度、折射率、导电性等。

此外，晶体结构的研究还可以为合成新型功能材料提供参考，如电子器件、光学材料等。

在实际应用中，硅酸盐晶体结构的研究被广泛用于材料科学、地球科学和无机化学等领域。

例如，在材料科学中，通过改变硅酸盐晶体结构可以调控材料的性质，用于制备新型材料。

在地球科学中，硅酸盐晶体结构的研究可以帮助我们了解地壳中的硅酸盐矿物形成的过程。

此外，硅酸盐晶体结构的研究还对于监测和预测地震等地质灾害具有重要意义。

总之，硅酸盐晶体结构的研究对于理解晶体性质和应用有着重要的意义。

不同的硅酸盐晶体具有不同的结构，其特定的结构决定了晶体的特定性质。

通过研究硅酸盐晶体结构，可以为合成新型材料以及地球科学等领域提供重要的参考。

硅的晶体结构

硅的晶体结构

硅晶体结构的特点
四、晶体内部的空隙 金刚石结构的另一个特点是内部存在着相当大的空隙。
晶体中最小的原子间距的二分之一定义为硬球半径。
硅原子半径： rsi=
3a 8
=1.17Å
硅 单原位子原体子积在晶: 格中占34 有rSi3的体积：1 a3
8
空间利用率：硅原子体积/单位原子在晶
格中占有的体积
硅晶体空间利用率约为34%
晶向指数：[m1,m2,m3]; <m1,m2,m3>（等价概括）
原子线密度：晶向上单位长度内的原子个数
3a
[111]
12 1 2

1.15
3a a
晶向、晶面和堆积模型
二、晶面 晶面：晶格中的原子不但处于一系列方向相同的平行直线上， 且可看作处于一系列彼此平行的平面系上，这种平面系称为 晶面。 晶面指数：相邻的两个平行晶面在坐标轴上的截距的倒数。
硅:a=5.4305Å，硅的原子密度:8/a3=5×1022/cm3 锗晶胞:8/a3=4.425×1022/cm3
硅晶体结构的特点
三、共价四面体
硅晶体中虽然不等价原子的环境不完全相同，但 任何一原子都有4个最近邻的原子，与之形成共价键。 一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的 原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。
硅晶体中的缺陷
晶体中主要缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 一、点缺陷
点缺陷主要包括：自间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷、外来原子(替位式或间隙式)
硅晶体中的缺陷
二、线缺陷 位错是晶体中常见的线缺陷，可以通过范性形变产生，
主要有刃位错和螺位错等。 刃位错
已滑移部分和未滑移部分的交界线称为位错线。当 位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃位错。

硅酸盐晶体结构

硅酸盐晶体结构

2
第3章 晶体结构 Crystal Structure
3.3.3 硅酸盐晶体结构 (Silicate crystal structure)
1. 无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)（广义的陶瓷，Ceramics）： 硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐以及某些
水泥/陶瓷/玻璃/耐火材料的主要原料/组成（主晶相）。
（2）化学组成：硅Si和氧O，50多种阳离子。
17:10
5
（3）硅酸盐结构特点：
①硅酸盐的结构虽然复杂， 但都是以[SiO4]四面体作为基础的。
② 结构中Si4+间没有直接的键， 通过O2–连接起来的。
③ 氧O的电负性大于硅Si，
Si－O键：极性共价键，
电子偏向O原子，Si原子---正电荷。
17:10
6
④每个O2–只能连接 2个[SiO4] 四面体。
⑤ [SiO4]的联接方式?
A.共顶：通常
B. 不共棱； C. 不共面。
⑥硅酸盐化学式表达方法：两种
（1）氧化物：
钾长石：K2O·Al2O3·6SiO2 ； 高岭土：Al2O3·2SiO2·2H2O； 绿宝石： 3BeO·Al2O3·6SiO2。
高度稳定， 熔点高达1890℃， 是镁质耐火材料中的主 要矿物组成。
17:10
13
• 岛状硅酸盐
• 镁橄榄石(Mg2[SiO4])：
• 同型结构
• 锆石 Zr[SiO4]、 • 橄榄石(MgFe)2[SiO4])、 • 蓝晶石Al2O3·SiO2、Al2(SiO4)O ，三斜晶系 • 莫来石3Al2O3·2SiO2 • 水泥熟料中的C2S（Ca2SiO4）和C3S等。

第1章 晶体结构(3)-硅酸盐晶体结构(1)

第1章 晶体结构(3)-硅酸盐晶体结构(1)

[SiO4]4-
[Si2O7]6-
[Si3O9]6-
[Si6O18]12-
（Ob）： [SiO4]之间通过某个顶角的氧相互连接时，这个氧称作桥氧；
（Onb）或自由氧： [SiO4]某个顶角的氧与其他阳离子连接，这个氧称作非桥氧。
第1章 晶体结构——1.3 硅酸盐晶体结构
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—— 典型的极性共价键 O－Si－O键为夹角不等折线，
一般145o左右
第1章 晶体结构——1.3 硅酸盐晶体结构
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第1章 晶体结构——1.3 硅酸盐晶体结构
BMBMBMBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBBBBBBBB
n 基本结构单元：[SiO4]四面体。 n [SiO4] 每个顶点，即O2-最多为两个[SiO4] 所共用； n 两相邻[SiO4] 之间只能共顶而不能共棱或共面连接； n [SiO4] 中心Si4+可部分被Al3+ 所取代。 n 除了硅和氧以外，还含有其他阳离子多达50多种，其结
BMBMBMBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBMBBBBBBBBB
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图1-34 绿宝石晶胞在（0001）面上的投影（上半个晶胞）
结构与性质的关系：绿宝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，因而表现出较小的膨胀系数。结晶学 方面，绿宝石的晶体常呈现六方或复六方柱晶形。
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1-35-1 。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1-35-2 。两条相同的单链通过尚未共用 的氧组成带状，形成双链。双链以[Si4O11]6-为结构单元向一维方向无限 伸展，化学式为[Si4O11]。
（a）（001）面上 的投影
（b）图（a）结构的 纵剖面图
结构与性质的关系：结构中每个O2-离子同时和1个 [SiO4]和3个[MgO6]相连接，因此，O2-的电价是饱和的，晶 体结构稳定。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，由于结构中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。
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。如图1-32-1、 1-32-2、1-32-3所示。
镁橄榄石结构中，O2-离子近似于六方最紧密堆积排 列，Si4+离子填于四面体空隙的1/8；Mg2+离子填于八面体 空隙的1/2。每个[SiO4]四面体被[MgO6]八面体所隔开，呈 孤岛状分布。
绿宝石Be3Al2[Si6O18]结构
绿宝石属于六方晶系，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。
绿宝石的基本结构单元是由6个[SiO4]四面体组成的六 节环，六节环中的1个Si4+和2个O2-处在同一高度，环与环 相叠起来。图中粗黑线的六节环在上面，标高为100，细黑 线的六节环在下面，标高为50。上下两层环错开30o，投影 方向并不重叠。环与环之间通过Be2+和Al3+离子连接。
（4）[SiO4]四面体中心的Si4+离子可部分地被Al3+ 所取代。
硅酸盐晶体化学式中不同的Si/O比对应基本结构 单元之间的不同结合方式。X射线结构分析表明，硅酸 盐晶体中[SiO4]四面体的结合方式有岛状、组群状、链 状、层状和架状等五种方式。硅酸盐晶体也分为相应的 五种类型，其对应的Si/O由1/4变化到1/2，结构变得越 来越复杂，见表1-8。
（Ａ）１：１型
（Ｂ）２：１型
图1-38-1 层状结构硅酸盐晶体中硅氧四面体层和 铝氧八面体层的连接方式
图1-38-2 单网层及复网层的构成
滑石Mg3[Si4O10]（OH）2的结构
滑石属单斜晶系，空间群C2/c，晶胞参数a=0.525nm，b=0.910nm， c=1.881nm，=100o；结构属于复网层结构，如图1-39所示。 （a）所示 OH－位于六节环中心，Mg2+位于Si4+与OH－形成的三角形的 中心，但高度不同。 （b）所示，两个硅氧层的活性氧指向相反，中间通过镁氢氧层连接， 形成复网层。复网层平行排列即形成滑石结构。水镁石层中Mg2+的配位 数为6，形成[MgO4（OH）2]八面体。其中全部八面体空隙被Mg2+所填 充，因此，滑石结构属于三八面体型结构。
双四面体 [Si2O7]6-
三节环 [Si3O9]6-
四节环 [Si4O12]8-
六节环 [Si6O18]12-
图1-33 孤立的有限硅氧四面体群
组群状结构中Si/O比为2：7或1：3。其中硅钙石 Ca3[Si2O7]，铝方柱石Ca2Al[AlSiO7]和镁方柱石 Ca2Mg[Si2O7]等具有双四面体结构。蓝锥矿BaTi[Si3O9] 具有三节环结构。绿宝石Be3Al2[Si6O18]具有六节环结 构。
（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
图1-35-2 单链结构类型
透辉石CaMg[Si2O6]结构
透辉石属单斜晶系，空间群C2/c，晶胞参数a=0.971nm， b=0.889nm，c=0.524nm，=105o37，。晶胞分子数Z=4。如图1-36 所示，硅氧单链[Si2O6]平行于c轴方向伸展，图中两个重叠的硅氧 链分别以粗黑线和细黑线表示。单链之间依靠Ca2+、Mg2+连接。 Ca2+的配位数为8，Mg2+为6。Ca2+负责[SiO4] 底面间的连接， Mg2+负责顶点间的连接。
表1-8 硅酸盐晶体结构类型与Si/O比的关系
结构类 型 岛状
[SiO 4 ]4 - 共 用 O2-数
0
形状 四面体
1 组群状 2
双四面体 三节环 四节环
链状
2
2，3
层状
3
六节环 单链 双链 平面层
架状
4
骨架
络阴离子
[SiO4]4-
[Si2O7]6[Si3O9]6[Si4O12]8-
[Si6O18]12[Si2O6]4[Si4O11]6[Si4O10]4[SiO2]0 [AlSi3O8]1[AlSiO4]1-
（a）立体图
（b）投影图
图1-37 层状结构硅氧四面体
按照硅氧层中活性氧的空间取向不同，硅氧层分为单网层和复网 层。单网层结构中，硅氧层的所有活性氧均指向同一个方向。而复网 层结构中，两层硅氧层中的活性氧交替地指向相反方向。活性氧的电 价由其它金属离子来平衡，一般为6配位的Mg2+或Al3+离子，同时，水 分子以OH－形式存在于这些离子周围，形成所谓的水铝石或水镁石层。
三、组群状结构
组群状结构是2个、3个、4个或6个[SiO4]四面体通过 共用氧相连接形成单独的硅氧络阴离子团，如图1-33所示。 硅氧络阴离子团之间再通过其它金属离子连接起来，所以， 组群状结构也称为孤立的有限硅氧四面体群。
有限四面体群中连接两个Si4+离子的氧称为桥氧，由 于这种氧的电价已经饱和，一般不再与其它正离子再配位， 故桥氧亦称为非活性氧。相对地只有一侧与Si4+离子相连 接的氧称为非桥氧或活性氧。

堇青石Mg2Al3[AlSi5O18] 与绿宝石结构相同，但六节环中有一 个Si4+被Al3+取代；同时，环外的正离子由（Be3Al2）变为 （Mg2Al3），使电价得以平衡。此时，正离子在环形空腔迁移阻力 增大，故堇青石的介电性质较绿宝石有所改善。堇青石陶瓷热学性 能良好，但不宜作无线电陶瓷，因为其高频损耗大。
应该注意，有的研究者将绿宝石中的[BeO4]四面体归到硅氧骨 架中，这样绿宝石就属于架状结构的硅酸盐矿物，分子式改写为 Al2[Be3Si6O18]。至于堇青石，有人提出它是一种带有六节环和四节 环的结构，化学式为Mg2[Al4Si5O18]。
四、链状结构
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
（a） （100） 面上的 投影图
（c） 立体侧
视图
（b）（001）面上的投影图
图1-32-1 镁橄榄石结构
图1-32-2 镁橄榄石晶体理想结构
（a）（100）面上的投影图
（b）（001）面上的投影图
图1-32-3 镁橄榄石结构
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，形成橄榄石（FexMg1-x）SiO4固溶体。如果图 1-32（b）中25、75的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-C2S，其中Ca2+的配位数为6。另一种岛状结构的水泥熟 料矿物-Ca2SiO4，即-C2S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。
单网层相当于一个硅氧层加上一个水铝（镁）石层，称为1：1层。 复网层相当于两个硅氧层中间加上一个水铝（镁）石层，称为2：1层， 见图1-38-1、图1-38-2示。
根据水铝（镁）石层中八面体空隙的填充情况，结构又分为三八 面体型和二八面体型。前者八面体空隙全部被金属离子所占据，后者 只有2/3的八面体空隙被填充。
二、岛状结构
[SiO4]四面体以孤岛状存在，各顶点之间并不互相连接， 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。
岛状硅酸盐晶体主要有锆石英Zr[SiO4]、镁橄榄石 Mg2[SiO4]、蓝晶石Al2O3·SiO2、莫来石3Al2O3·2SiO2以及水 泥熟料中的-C2S、-C2S和C3S等。
1.5 硅酸盐晶体结构
铝: 7.45 wt% 硅: 26.0wt% 氧: 49.130wt % 地壳中的优势矿物为硅酸盐和铝硅酸盐 基本结构单元的构造 基本结构单元之间的连接
结构和性质上特征等
一、硅酸盐晶体的组成表征、结构特点 及分类
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地取代，这就使得 硅酸盐晶体的化学组成甚为复杂。因此，在表征硅酸盐晶 体的化学式时，通常有两种方法：一种是所谓的氧化物方 法，另一种是无机络盐表示法。