硅酸盐矿物结构

《硅酸盐矿物结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅酸盐矿物结构（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,2.6.6 硅酸盐矿物的晶体结构 一、岛状结构 镁橄榄石（ Mg2SiO4或 2MgOSiO2） 二、组群状结构 绿宝石（Be3Al2Si6O18 或 3BeOAl2O3 6SiO2) 三、连状结构 透辉石CaMg Si2O6 的结构（CaOMgO2SiO2 ） 四、层状结构（层状结构矿物的特点） 1、高岭石结构（ Al2O32SiO2 2H2O 或Al4Si4O10(OH)8） 2、 蒙脱石（微晶高龄石）的结构（Al2Si4O10(OH)8nH2O理论式） 3、滑石的结构(Mg3Si4O10(OH)2） 4、伊利石结构（化学式K11.5Al4Si76.5Al11.5O20(OH)4） 5

2、、白云母（化学式KAl2AlSi3O10(OH)2 ） 五、架状结构（1、石英晶体结构；2、长石晶体结构）,2,六、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。 硅酸盐的化学组成复杂。因为硅酸盐中的正离子、负离子都有可能被其他离子部分或全部取代。,3,硅酸盐的化学式有两种写法： 氧化物排列法按金属氧化物的价态由低到高排列，最后是SiO2。如钾长石，化学式为K2OAl2O36SiO2； 无机络盐写法按离子价态从高到低排列，最后是O2-，并按一定的比例写出其化学式。 如：钾长石，KAlSi3O8。 硅酸盐的结构也很复杂，不象其化学式表示的那样简单

3、。鉴于此，对硅酸盐的分类不是从化学上按正硅酸盐、偏硅酸盐划分，而是根据SiO4四面体在结构中的结合排列方式进行分类。X-ray衍射结构分析证明，硅酸盐中的SiO4四面体结合方式有岛状、组群状、链状、层状和架状五种形式。如表2-5所列。,4,硅酸盐结构分类 SiO4是结构的基本构造单元，SiO4彼此通过共用O2-连接起来，由于连接方式不同，而构成了不同型式的硅氧骨干，硅酸盐矿物的分类也是硅氧骨干类型进行分类（SiO4的排列方式） （1） 岛状 SiO4不直接连接，没有公共的顶角，SiO4通过其它离子连结成一个完整的结构。这种结构称为岛状结构。,单四面体、,5,双四面体 三元环 四元环 六元环,（

4、2） 组群状 双四面体：两个SiO4通过公共“氧桥”相互连成Si2O76-团，再通过其它金属离子连接。Si/O=2:7=1:3.5 孤立环状：由三个、四个或六个SiO44-彼此共用两个顶点而组成封闭平面孤立环，称为三节环、四节环、六节环。Si/O=1:3,6,单链 双链,(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=4:11,7,(4)连续层状 由无穷个SiO4彼此共用三个顶点，在二维方向上连

5、结成无限的六方平面网，借助于剩下的活性氧离子与 金属阳离子相连，而再于其它平面层连接。Si/O=1:2.5;,层状结构,8,-鳞石英的结构（架状）,(5)架状 每个SiO4的四个顶角都与相邻 SiO4相连结，构成三维方向连续延伸的架状骨架。Si/O=1:2. 上述五种结构概括于表2-5（P47）中，通过分析后应掌握其规律。,9,10,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，SiOSi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

6、-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。,11,1、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

7、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ZrSiO4；橄榄石(Mg,Fe)2SiO4；硅线石Al2O3SiO2；莫来石3Al2O32SiO2及水泥熟料中的C2S、C3S等。,12,镁橄榄石Mg2SiO4结构（ 2MgOSiO2） 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,13,镁橄榄石晶体结构（100）面投影 黄球标高25，绿球标高75；,镁橄榄石的 特征： O2-近似排成平行于（10

8、0）面的两层（六方密堆）； Si4+填入四面体空隙中，仅占四面体空隙的1/8；,14,Mg2+填入八面体空隙（三个25，三个75位置O2-），形成MgO6八面体，占据八面体空隙的1/2； SiO4四面体通过Mg2+联系起来。 MgO6间共棱、SiO4与MgO6共面相连,在镁橄榄石结构中，电价是平衡的。因为O2-同时与三个MgO6八面体中的Mg2+和一个SiO4四面体中的Si4+相配位，正离子分配给O2-的电价是： ，所以O2-的电价是饱和的。,镁橄榄石晶体结构（100）面投影 O2-:黄球标高25，绿球标高75； Mg2+ :标高50，标高为0的未画出,15,根据Pauling规则分析： （1

9、）镁橄榄石中有SiO4和MgO6两种配位体（符合规则一、五）； （2）电价平衡（规则二）； （3） MgO6间共棱、SiO4与MgO6共面相连， SiO4间不相连（三、四）。 镁橄榄石的结构是稳定的。Mg-O，Si-O键力都较强，该矿物熔点高（1890 ），硬度大（67级）。且键力分布均匀，晶形呈粒状，无显著解理。 镁橄榄石中的Mg2+被Ca2+取代，就形成钙橄榄石- Ca2SiO4。 Ca2+的配位数为6，化学稳定性好，几乎无水硬性；而- Ca2SiO4 ， Ca2+的配位数为6、8两种，而不是全部为6，化学稳定性差，即水化反应活性大，有很好的水硬性。 C3S 中Ca2+的配位数也是6，但

10、CaO6的O2-分布不规则，留有较大的空腔，水化反应更快。,16,2、组群状结构 组群状结构是两个、三个、四个、六个SiO4四面体通过公共氧相连接，形成单独的硅氧负离子团。如图1-35所示。硅氧负离子团再通过其他金属正离子联系起来，这类结构又称为孤立的有限硅氧四面体群。 这类结构中SiO4之间公用的O2-电价达到饱和，一般不再与其他金属离子配位，称公共氧为非活性氧或桥氧；只用去一价的O2-称为活性氧或非桥氧。非桥氧还可与其他金属离子配位。 组群状结构的典型 硅酸盐晶体是绿宝 石（Be3Al2Si6O18) 和镁方柱石 （Ca2MgSi2O7)。,17,绿宝石结构分析（Be3Al2Si6O18

11、或 3BeOAl2O3 6SiO2) （Si : O=1: 3） 属六方晶系，P6/mcc空间群，a=0.921nm，c=0.917nm，Z=2； 在绿宝石结构中，SiO4四面体形成六节环，环与环之间靠BeO4四面体中的Be2+和AlO6八面体中的Al3+连接。 如图2-61所示为绿宝石结构在（0001）面上1/2个晶胞的投影。在c轴高度上还有一半未画出。 Be2+个数=1/24+1=3个； Al3+个数=12=2个 所以为半个晶胞。,18,绿宝石晶体结构（0001）面投影,19,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

12、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。,BeO4与AlO6共棱相连； BeO4与 SiO4、 AlO6与 SiO4共顶相连,20,（4）以标高为50

13、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。,堇青石Mg2Al3AlSi5O18 与绿宝石结构相同，六节环中的SiO4被AlO4取代，而环外的（Be3Al2 ）被（Mg2Al3）取代，保持电价平衡。,21,3、连状结构 硅氧四面体通过公共氧连起来组成连续的链，构成一维空间无限延伸的连状结构，如图2-62。 在单链中，SiO4中有2个氧变成非桥氧，链中的结构单元为Si2O64-，单链的化学式为Si2O6n4n-， Si : O=1: 3。

14、 两条相同的单链通过非桥氧可组成带状双链，图2-62D。,双链的SiO4中平均有2.5个桥氧（一半有2个，一半有3个），链中的结构单元为Si4O116-，双链的化学式为Si4O11n6n-， Si : O=1: 2.75。 在单链中，按周期长短，即第一个SiO4重复出现的位置，分为一节链，二节链七节链（目前发现的只有七种），图2-62A为二节链。,22,辉石类硅酸盐（如透辉石，玩火辉石）含有Si2O6n4n-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+）

15、, （Li+Al3+）等离子对所取代。,角闪石类硅酸盐含有Si4O11n6n-双链，如斜方角闪石 (Mg,Fe)7 Si4O112(OH)2，透闪石 Ca2Mg5Si4O112(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。,23,透辉石CaMg Si2O6 的结构（CaOMgO2SiO2 ） 属单斜晶系，C2/c空间群，a=0.975nm，b=0.890nm，c=0.525nm，=10537 ，Z =4；图2-63为透辉石结构在（010）和（001）面的投影。 各硅氧链平行于c轴伸展，沿c轴链中SiO4的位置是一个向上一个向下更迭地排列着，以粗黑线和细黑线分别表示两个重叠的硅氧链(稍有移动)。,透辉石晶体结构（010）面投影图,24,由图2-63A，链之间由Mg2+和Ca2+ 相连， Mg2+的配位数是6（图中2个“25” O2-，2个“10”，2个“-10”）；Ca2+的配位数是8，其中4个非桥氧和4个桥氧（图中2个“75” O2-，2个“10”，2个“48”， 2个“52” ）； ，,由图B透辉石的（001）面投影和见，Mg2+