第二章硅酸盐矿物结构

第二章晶体结构内容提要大多数无机材料为晶态材料，其质点的排列具有周期性和规则性。

不同的晶体，其质点间结合力的本质不同，质点在三维空间的排列方式不同，使得晶体的微观结构各异，反映在宏观性质上，不同晶体具有截然不同的性质。

1912年以后，由于X射线晶体衍射实验的成功，不仅使晶体微观结构的测定成为现实，而且在晶体结构与晶体性质之间相互关系的研究领域中，取得了巨大的进展。

许多科学家，如鲍林（Pauling）、哥希密特（Goldschmidt）、查哈里阿生（Zachariason）等在这一领域作出了巨大的贡献，本章所述内容很多是他们研究的结晶。

要描述晶体的微观结构，需要具备结晶学和晶体化学方面的基本知识。

本章从微观层次出发，介绍结晶学的基本知识和晶体化学基本原理，以奠定描述晶体中质点空间排列的理论基础；通过讨论有代表性的无机单质、化合物和硅酸盐晶体结构，以掌握与无机材料有关的各种典型晶体结构类型，建立理想无机晶体中质点空间排列的立体图像，进一步理解晶体的组成－结构－性质之间的相互关系及其制约规律，为认识和了解实际材料结构以及材料设计、开发和应用提供必要的科学基础。

2.1 晶体化学基本原理由于天然的硅酸盐矿物和人工制备的无机材料制品及其所用的原料大多数是离子晶体，所以在这一节主要讨论离子晶体的晶体化学原理。

一、晶体中键的性质（键性的判别）过去的教学中，以电子云的重要情况讨论键型。

Na－Cl认为是典型的离子键。

硅酸盐晶体中比较典型的结合键方式：Si－O Al－O M e－O （M代表许多碱、碱土金属）Me－O、Al—O键通常认为是比较典型的离子键，而Si－O键中Si－O键离子键、共价键成分相当。

为了方便，通常也认为是离子键。

那么键的成分是如何确定的？即通常如何判断键的类型呢？Pauling通过大量的研究发现，可以根据各元素的电负性差别判断键的类型（由于电负性反映元素粒子得失电子的能力）。

元素电子的电负性x＝元素电子的电离能力I＋元素原子的电子亲和能E。

实验3 硅酸盐矿物‎的晶体结构‎一、实验目的：巩固硅酸盐‎矿物的晶体‎结构知识。

二、硅酸盐晶体‎结构概述硅酸盐晶体‎按结构中硅‎氧四面体的‎连接方式，可以分为岛‎状、组群状、链状、层状和架状‎五种。

1. 岛状结构岛状结构硅‎酸盐晶体中‎硅氧四面体‎以孤立形式‎存在，硅氧四面体‎之间没有共‎用的氧。

典型的矿物‎是镁橄榄石‎，其结构如图‎3-1所示。

镁橄榄石（Mg2Si‎O4）的晶体结构‎属正交晶系‎P bmm空‎间群，a0=0.476nm‎，b0=1.021nm‎，c0=0.598nm‎，Z=4。

镁橄榄石的‎结构中O2‎-近似于六方‎紧密堆积，Si4+充填在四面‎体空隙，Mg2+充填于八面‎体空隙，硅氧四面体‎之间由Mg‎2+按镁氧八面‎体的方式相‎连。

图3-1 镁橄榄石晶‎体理想结构‎图3-2 绿宝石的晶‎体结构2. 组群状结构‎组群状结构‎是指硅氧四‎面体以两个‎、三个、四个或六个‎，通过共用氧‎连成硅氧四‎面体群体，群体之间由‎其它阳离子‎按一定的配‎位形式将它‎们连接在一‎起。

典型的矿物‎是绿宝石，其晶体结构‎如图7-2所示。

绿宝石（Be3Al‎2[Si6O1‎8]）的晶体结构‎属于六方晶‎系P6/mcc空间‎群，a0=0.921nm‎，c0=0.917nm‎，Z=2。

绿宝石的基‎本结构单元‎是六个硅氧‎四面体形成‎的六节环，六节环之间‎由Al3+和Be2+相连。

六节环中的‎四面体有两‎个氧是共同‎的，它们与硅氧‎四面体中的‎S i4+处于同一高‎度。

图7-2中示出了‎八个这样的‎六节环，上面四个和‎下面四个错‎开30 排列，上下叠置的‎六节环内形‎成了一个巨‎大的通道，可以存在一‎些如K+、Cs+等大的阳离‎子以及H2‎O分子。

Al3+的配位数为‎6，形成Al-O八面体，Be2+的配位数为‎4，构成Be-O四面体。

3. 链状结构硅氧四面体‎可以由共用‎氧离子相连‎，在一维方向‎延伸成链状‎，链与链之间‎再通过其它‎阳离子按一‎定的配位关‎系连接而形‎成链状结构‎。

硅酸盐结构的基本特点和类型硅酸盐是指由硅酸根离子和金属离子或氢离子组成的化合物，广泛存在于自然界中，是地壳中最丰富的化合物之一。

硅酸盐结构的基本特点是，硅酸盐晶体的构成单位是硅酸根离子和金属离子或氢离子，硅酸根离子的结构是四面体结构，晶体结构中的硅酸根离子和金属离子或氢离子以离子键和共价键相结合。

本文将介绍硅酸盐结构的基本特点和类型。

一、硅酸盐结构的基本特点硅酸盐结构的基本特点是硅酸根离子的四面体结构，硅酸根离子是以四面体结构存在的，其结构图如下：硅酸根离子的结构为四面体结构，其中硅原子为中心，周围有四个氧原子，硅原子与每个氧原子之间都有共价键相连，形成四面体结构。

硅酸根离子的四面体结构使硅酸盐晶体的结构具有一定的稳定性和坚硬度。

硅酸根离子和金属离子或氢离子之间的结合是通过离子键和共价键相结合形成的。

离子键是指金属离子和氧化物离子（如硅酸根离子）之间的电子互相转移形成的化学键。

共价键是指两个非金属原子之间的电子共享形成的化学键。

硅酸盐晶体中的硅酸根离子和金属离子或氢离子之间的离子键和共价键相结合，形成了硅酸盐晶体的基本结构。

这种结构具有一定的稳定性和坚硬度，是硅酸盐晶体所具有的基本特点。

二、硅酸盐的类型硅酸盐按照化学成分和结构分为多种类型，常见的硅酸盐类型有以下几种：1. 硅酸盐矿物硅酸盐矿物是指在自然界中存在的以硅酸盐为主要成分的矿物，如石英、长石、云母等。

硅酸盐矿物的结构和成分比较复杂，其中的硅酸根离子和金属离子或氢离子之间的离子键和共价键相结合形成了硅酸盐矿物的基本结构。

2. 硅酸盐水泥硅酸盐水泥是指以熟料和石膏为主要原料，经过研磨、混合、加水等工艺制成的水泥，是建筑材料中常用的一种。

硅酸盐水泥的主要成分是三钙硅酸盐（C3S）和双钙硅酸盐（C2S），其中的硅酸根离子和金属离子或氢离子之间的离子键和共价键相结合形成了硅酸盐水泥的基本结构。

3. 硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃是指以硅酸盐为主要成分的无定形固体，具有透明、坚硬、耐腐蚀等特点。

硅酸盐的基本结构单元
硅酸盐是由硅（Si）和氧（O）组成的化合物，是地球上最常见的
矿物之一。

其基本结构单元是硅氧四面体，这是由一个硅原子和四个
氧原子组成的四面体。

在硅氧四面体中，硅原子位于四个氧原子周围，形成一种四角形的基本结构。

硅氧四面体之间通过氧原子相连连接成一条无限长的链，每个硅
氧四面体都与相邻的硅氧四面体共享一个或多个氧原子。

由于这个原因，硅酸盐中的硅氧四面体链可以形成很多形态，其中最重要的有单链、双链和层状结构。

单链硅酸盐是由一条无限的硅氧四面体链组成的，两侧的硅氧四
面体链通过共享氧原子相互连接。

它的结构类似于一条无限长的项链，这种结构单元在矿物中的例子有橄榄石和各种石英。

双链硅酸盐由两条无限长的硅氧四面体链组成，这两条链之间通
过共享氧原子相连。

这种结构单元在矿物中的例子有角闪石和萤石。

层状硅酸盐由三条或更多无限长的硅氧四面体链组成，这些链在
垂直于链方向的方向上通过共享氧原子相互连接。

这种结构单元在矿
物中的例子有雲母、石英、长石和手冢红丝石。

硅酸盐有着广泛的用途，被广泛应用于建筑材料、电子电器、冶金、玻璃制造、化工等领域。

此外，硅酸盐还是生命体系中一种必不
可少的元素，它在人体内的含量很大，对人体生长发育和健康有着重要的作用。