无机材料科学基础-2.4常见硅酸盐的晶体结构
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晶体结构4硅酸盐晶体结构
硅酸盐晶体结构类型与Si/O比的关系
结构 类型 岛状
[SiO4]4-共 用 O2-数
0
1
组群状
2
链状 层状 架状
2 2，3
3
4
形状
四面体
双四面体 三节环 四节环
六节环 单链 双链 平面层
ห้องสมุดไป่ตู้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-
（2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+ 相连接的氧
第二章 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
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。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
镁橄榄石Mg2[SiO4]结构
属斜方晶系，空间群Pbnm
资源加工与生物工程学院
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 体空隙
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
硅酸盐晶体分类方法：
结构 类型 岛状
[SiO4]4-共 用 O2-数
0
1
组群状
2
链状 层状 架状
2 2，3
3
4
形状
四面体
双四面体 三节环 四节环
六节环 单链 双链 平面层
ห้องสมุดไป่ตู้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-
（2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+ 相连接的氧
第二章 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
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。
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
镁橄榄石Mg2[SiO4]结构
属斜方晶系，空间群Pbnm
资源加工与生物工程学院
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 体空隙
第二章 晶体结构——2.5 硅酸盐晶体结构
硅酸盐晶体分类方法：
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
无机材料科学基础-2.4常见硅酸盐的晶体结构
中-C2S、-C2S（Ca2SiO4）和C3S（Ca3SiO5）等。
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
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）
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· Al2O3· 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]。
……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-。
（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
六节环：绿宝石Be3Al2[Si6O18]
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
《硅酸盐晶体结构》PPT课件
1 ：2
镁橄榄石 Mg2[SiO4] 镁铝石榴石 Al2Mg3[SiO4]3 硅钙石 Ca3[Si2O7] 蓝锥矿 BaTi[Si3O9] 斧石
Ca2Al2(Fe,Mn)BO3[Si4O12](OH) 绿宝石 Be3Al2[Si6O18] 透辉石 CaMg[Si2O6] 透闪石 Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2 滑石 Mg3[Si4O10](OH)2 石英 SiO2 钾长石 K[AlSi3O8] 方钠石 Na[AlSiO4] 4/3H2O
三、组群状结构
2个、3个、4个或6个[SiO4] 通过共用氧相连接形成单独硅 氧络阴离子团（有限硅氧四面体群），它们之间再通过其它金 属离子连接。
（1）桥氧（或公共氧、非活性氧）：有限四面体群中连 接两个Si4+的氧，其电价已饱和，一般不再与其它正离子配位
（2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+
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 体空隙
（a） （100）
面上的 投影图
（c） 立体 侧视图
（b）（001）面上的投影图
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。
硅酸盐晶体分类方法：
镁橄榄石 Mg2[SiO4] 镁铝石榴石 Al2Mg3[SiO4]3 硅钙石 Ca3[Si2O7] 蓝锥矿 BaTi[Si3O9] 斧石
Ca2Al2(Fe,Mn)BO3[Si4O12](OH) 绿宝石 Be3Al2[Si6O18] 透辉石 CaMg[Si2O6] 透闪石 Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2 滑石 Mg3[Si4O10](OH)2 石英 SiO2 钾长石 K[AlSi3O8] 方钠石 Na[AlSiO4] 4/3H2O
三、组群状结构
2个、3个、4个或6个[SiO4] 通过共用氧相连接形成单独硅 氧络阴离子团（有限硅氧四面体群），它们之间再通过其它金 属离子连接。
（1）桥氧（或公共氧、非活性氧）：有限四面体群中连 接两个Si4+的氧，其电价已饱和，一般不再与其它正离子配位
（2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+
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 体空隙
（a） （100）
面上的 投影图
（c） 立体 侧视图
（b）（001）面上的投影图
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。
硅酸盐晶体分类方法：
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
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、离子或分子的排列方式。
硅酸盐晶体是指以硅酸根为基础的晶体，其中硅离子（SiO_4^4-）与其他阳离子形成网络结构。
硅酸盐晶体结构的研究对于了解晶体的物理性质以及在材料科学中的应用具有重要意义。
硅酸盐晶体结构可以分为四类：随机硅酸盐、连续硅酸盐、不连续硅酸盐、氟硅酸盐。
随机硅酸盐晶体结构是指硅酸盐中的硅酸根离子（SiO_4^4-）和其他离子随机排列的结构。
这类结构的特点是硅酸根离子之间没有明确的排列规律，并且硅酸根离子与其他离子之间的距离也比较随机。
随机硅酸盐晶体结构可以用来制备玻璃等非晶态材料。
连续硅酸盐晶体结构是指硅酸盐中的硅酸根离子（SiO_4^4-）按照一定的排列规律形成的结构。
这类结构的特点是硅酸根离子之间有明确的连接方式，形成一维、二维或三维的网络结构。
连续硅酸盐晶体结构具有较高的晶体度和结晶度，可以用来制备陶瓷等工程材料。
不连续硅酸盐晶体结构是指硅酸盐中的硅酸根离子（SiO_4^4-）与其他离子之间有插入不连续的阳离子，形成硅酸盐层状结构。
这类结构的特点是硅酸根离子之间有明确的排列规律，但是硅酸根离子与其他离子之间的距离不均匀。
不连续硅酸盐晶体结构可以用来制备硅酸钙等复合功能材料。
氟硅酸盐晶体结构是指硅酸盐中的硅酸根离子（SiO_4^4-）的一部分或全部被氟离子（F^-）取代的结构。
这类结构的特点是硅酸根离子与氟离子之间有明确的排列规律，并且形成独特的晶体结构。
氟硅酸盐晶体结构具有特殊的光学、电学和热学性质，可以用来制备光学器件、电子器件和热障涂层等材料。
总之，硅酸盐晶体结构的研究对于深入了解晶体的性质、设计新型材料以及开发新的应用具有重要意义。
随着材料科学的进步和技术的发展，我们对硅酸盐晶体结构的理解将进一步深化，为新材料的开发和应用提供更多的可能性。
硅酸盐晶体结构讲解
13
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。 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。
结构和性质上特征等
2
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。
14
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。
第二章 晶体结构(Structure of Crystal)
§２.1 结晶学基础知识
§２.2 晶体中质点的堆积 §２.3 单质晶体结构 §２.4 决定离子晶体结构的基本因素 §２.5 无机化合物结构 §２.6 硅酸盐晶体结构
1
§2.6 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。 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。
结构和性质上特征等
2
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。
14
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。
第二章 晶体结构(Structure of Crystal)
§２.1 结晶学基础知识
§２.2 晶体中质点的堆积 §２.3 单质晶体结构 §２.4 决定离子晶体结构的基本因素 §２.5 无机化合物结构 §２.6 硅酸盐晶体结构
1
§2.6 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
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
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。
第二章 晶体结构 - 2.4.2岛状结构硅酸盐晶体结构分析_06.15_CG
材料科学基础第 2 章2.4.2岛状结构硅酸盐晶体结构分析镁橄榄石晶体结构（a）（100）面上的投影图（c）立体侧视图（b）（001）面上的投影图硅氧四面体彼此孤立，犹如大海中的孤岛一样， 因此把这种结构的硅酸盐晶体称为岛状结构1. 岛状结构名称由来岛状结构特点代表性矿物：镁橄榄石化学式：Mg 2SiO 4晶体结构：正交晶系，晶胞参数a 0=0.476nm ，b 0=1.021nm ，c 0=0.598nm ，晶胞分子数Z=4。
硅氧阴离子团[SiO 4]4-，Si ：O=1：4氧离子一价与硅离子连接一价与其他金属阳离子连接硅氧四面体孤立存在由镁氧八面体连接 镁橄榄石晶体结构有缘学习更多驾卫星ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）镁橄榄石晶体结构投影图紧密堆积方式氧离子做六方紧密堆积配位数硅离子：CN=4镁离子： CN=6镁橄榄石结构中镁离子、硅离子填充配位多面体的比例是多少？在镁橄榄石结构中，一个晶胞中有4个Mg 2SiO 4分子，由Mg 2SiO 4的化学式可知，一个晶胞中氧离子个数为：4 ×4=16个镁离子个数为：2 ×4=8个硅离子个数为：1 ×4=4个填充二分之一八面体空隙 填充八分之一四面体空隙Si O Mg硅氧四面体孤立存在由镁氧八面体连接镁氧八面体共棱连接3. 镁橄榄石结构中配位多面体连接方式3. 镁橄榄石结构中配位多面体连接方式与硅氧四面体共顶连接4. 镁橄榄石结构中氧离子电价是否平衡？通过分析可见，电价平衡5. 性能与用途①性能②用途生产镁质耐火材料与镁质陶瓷的原料较高的硬度，熔点高达1890℃，在加热过程中无多晶转变，并有一定抗碱性渣侵蚀的能力；结构无明显解理，破碎呈粒状①橄榄石（FexMg1-x）SiO4固溶体：由镁橄榄石结构中的Mg2+可以被Fe2+以任意比例取代形成；②钙镁橄榄石CaMgSiO4：由图中25、75的Mg2+被Ca2+取代形成；③γ-Ca2SiO4：由结构中全部Mg2+被Ca2+取代形成。
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）
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。
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
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
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。
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
无机材料科学基础第二章硅酸盐晶体结构第6节4
1、岛状结构 ——[SiO4]四面体在结构中以孤立状态存在。 即[SiO4]各顶角之间并不互相连接，每个O2-除已经与一个Si4+ 相连外，不再与其他[SiO4]中的Si4+相配位，没个O2-剩余的 一价可与金属离子相配位而达到点价平衡。因此，[SiO4]四 面体之间是通过其他金属离子联系起来的。 属于岛状结构的晶体有： 锆英石Zr[SiO4]；橄榄石(Mg,Fe)2[SiO4]；硅线石Al2O3· SiO2； 莫来石3Al2O3· 2SiO2及水泥熟料中的C2S、C3S等。
α-鳞石英的结构（架状）
7
8
硅酸盐晶体的几个特点
（1）硅酸盐结构中Si4+间不存在直接的键，键的联接是通过O2-来 实现的，Si－O－Si键角为145°； （2）每一个Si4+存在于四个O2-为顶点的四面体中心，构成[SiO4]四 面体，它是硅酸盐晶体结构的基础； （3）[SiO4]四面体的每个顶点，即O2-最多只能为两个[SiO4]四面体 所共用（电价平衡）； （4）相邻的[SiO4]四面体之间只能以共顶而不能以共棱或共面相连 接； （5）结构中常出现同晶置换现象，除含有Si以外，还有Mg2+、Al3+、 Be2+、Na+、K+等，这些离子可以取代Si4+，相互置换，并不改变 晶体的结构，这种现象称为同晶置换。 （6）有些硅酸盐矿物组成中还存在一些“附加阴离子”最常见的 有F-、Cl-、OH-等，此外还可能有结构水或吸附水。
单四面体、
3
（2） 组群状
团，再通过其它金属离子连接。Si/O=2:7=1:3.5
①双四面体：两个[SiO4]通过公共“氧桥”相互连成[Si2O7]6-
而 组 成 封 闭 平 面 孤 立 环 ， 称为 三 节 环 、 四 节 环、 六 节 环 。 Si/O=1:3
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上一讲主要内容回顾
1 离子晶体的结构及其影响因素 2 鲍林规则 3 二元化合物的典型晶体结构
2.4 硅酸盐的晶体结构
一、硅酸盐晶体组成表征、结构特点及分类
二、岛状结构
三、组群状结构 四、链状结构 五、层状结构 六、架状结构
2.4 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
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。
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。
硅酸盐晶体结构类型与Si/O比的关系
结构 类型 岛状 [SiO4]4-共 用 O2-数 0 四面体 [SiO4]4[Si2O7]6[Si3O9]6[Si4O12]8[Si6O18]12[Si2O6]4[Si4O11]6[Si4O10]4[SiO2]0 架状 4 骨 架 [AlSi3O8]1[AlSiO4]11 ：2 1 ：4 镁橄榄石 Mg2[SiO4] 镁铝石榴石 Al2Mg3[SiO4]3 1 组群状 2 双四面体 三节环 四节环 2 ：7 1 ：3 1 ：3 1 ：3 1 ：3 4 ：11 4 ：10 硅钙石 Ca3[Si2O7] 蓝锥矿 BaTi[Si3O9] 斧石 Ca2Al2(Fe,Mn)BO3[Si4O12](OH) 六节环 链状 2 2，3 层状 3 单 链 双 链 平面层 绿宝石 Be3Al2[Si6O18] 透辉石 CaMg[Si2O6] 透闪石 Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2 滑石 Mg3[Si4O10](OH)2 石英 SiO2 钾长石 K[AlSi3O8] 方钠石 Na[AlSiO4] 4/3H2O 形 状 络阴离子 Si/O 实 例
体空隙
每个[SiO4] 被[MgO6] 隔开，呈孤岛状分布
（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பைடு நூலகம்的投影图
镁橄榄石晶体结构（3）
（b）（001）面上的投影图
镁橄榄石晶体结构（4）
镁橄榄石结构中的同晶取代
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。 如：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
（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CaMgSiO4；
（3）若Mg2+全部被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。
六节环：绿宝石Be3Al2[Si6O18]
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
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）
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· Al2O3· 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]。
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。
中-C2S、-C2S（Ca2SiO4）和C3S（Ca3SiO5）等。
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
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
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]
三节环：蓝锥矿BaTi[Si3O9]
三、组群状结构
2个、3个、4个或6个[SiO4] 通过共用氧相连接形成单独硅 氧络阴离子团（有限硅氧四面体群），它们之间再通过其它金 属离子连接。 （1）桥氧（或公共氧、非活性氧）：有限四面体群中连 接两个Si4+的氧，其电价已饱和，一般不再与其它正离子配位 （2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+ 相连接的氧
1 离子晶体的结构及其影响因素 2 鲍林规则 3 二元化合物的典型晶体结构
2.4 硅酸盐的晶体结构
一、硅酸盐晶体组成表征、结构特点及分类
二、岛状结构
三、组群状结构 四、链状结构 五、层状结构 六、架状结构
2.4 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
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。
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。
硅酸盐晶体结构类型与Si/O比的关系
结构 类型 岛状 [SiO4]4-共 用 O2-数 0 四面体 [SiO4]4[Si2O7]6[Si3O9]6[Si4O12]8[Si6O18]12[Si2O6]4[Si4O11]6[Si4O10]4[SiO2]0 架状 4 骨 架 [AlSi3O8]1[AlSiO4]11 ：2 1 ：4 镁橄榄石 Mg2[SiO4] 镁铝石榴石 Al2Mg3[SiO4]3 1 组群状 2 双四面体 三节环 四节环 2 ：7 1 ：3 1 ：3 1 ：3 1 ：3 4 ：11 4 ：10 硅钙石 Ca3[Si2O7] 蓝锥矿 BaTi[Si3O9] 斧石 Ca2Al2(Fe,Mn)BO3[Si4O12](OH) 六节环 链状 2 2，3 层状 3 单 链 双 链 平面层 绿宝石 Be3Al2[Si6O18] 透辉石 CaMg[Si2O6] 透闪石 Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2 滑石 Mg3[Si4O10](OH)2 石英 SiO2 钾长石 K[AlSi3O8] 方钠石 Na[AlSiO4] 4/3H2O 形 状 络阴离子 Si/O 实 例
体空隙
每个[SiO4] 被[MgO6] 隔开，呈孤岛状分布
（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பைடு நூலகம்的投影图
镁橄榄石晶体结构（3）
（b）（001）面上的投影图
镁橄榄石晶体结构（4）
镁橄榄石结构中的同晶取代
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。 如：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
（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CaMgSiO4；
（3）若Mg2+全部被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。
六节环：绿宝石Be3Al2[Si6O18]
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
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）
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· Al2O3· 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]。
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。
中-C2S、-C2S（Ca2SiO4）和C3S（Ca3SiO5）等。
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
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
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]
三节环：蓝锥矿BaTi[Si3O9]
三、组群状结构
2个、3个、4个或6个[SiO4] 通过共用氧相连接形成单独硅 氧络阴离子团（有限硅氧四面体群），它们之间再通过其它金 属离子连接。 （1）桥氧（或公共氧、非活性氧）：有限四面体群中连 接两个Si4+的氧，其电价已饱和，一般不再与其它正离子配位 （2）非桥氧（或非公共氧、活性氧）：只有一侧与Si4+ 相连接的氧