硅酸盐晶体结构.pptx

《硅酸盐晶体结构.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅酸盐晶体结构.pptx（59页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、无机材料科学基础无机材料科学基础续续（3）按鲍林第三规则，SiO4四面体可以独立存在，两个相邻的SiO4四面体只以共顶，而不以共棱或共面存在。（4）按鲍林第五规则，在同一类型硅酸盐中，SiO4四面体的连接方式一般只有一种。（5）SiOSi结合键通常并不是一条直线，而是一条折线，其SiOSi键角并不完全一致，一般在145左右。SP3杂化第1页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础书写方法硅酸盐晶体的表达式有化学式和结构式两种：（1）即按氧化物来书写。若用化学式书写，则可按1价、2价、3价氧化物的顺序书写，最后写出SiO2和H2O。（2）即按无机络盐方式书写。若用结构式书写，则先写外加正离子，

2、后写硅氧骨干，再写外加负离子，（OH）和H2O。例1：钾长石，化学式：K2OAl2O3 6SiO2，结构式：KAlSi3O8。例2：高岭石，化学式：Al2O32SiO22H2O，结构式：Al2Si2O5(OH)4。第2页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础Si:O公用氧硅氧骨干类型例子1:40SiO44-孤岛状有限硅氧基团镁橄榄石Mg2SiO41:3.51Si2O76-双四面体硅钙石Ca3Si2O71:32Si3O96-三元环蓝锥矿BaTiSi3O92Si4O128-四元环斧石Ca2Al2(Fe,Mn)BO3Si4O12(OH)2Si6O1812-六元环绿宝石Be3Al2Si6O182S

3、i2O64-单链状无限硅氧基团透辉石CaMgSi2O61:2.752，3Si4O116-双链状透闪石CaMg5Si4O112(OH)21:2.53Si4O104-层状高岭石Al4Si4O10(OH)81:24SiO2架状石英 SiO2表表 硅酸盐晶体结构分类硅酸盐晶体结构分类第3页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础4 4硅酸盐结构示意图硅酸盐结构示意图第4页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础双四面体结构单元Si2O88-1O2-=Si2O76-此O被共用第5页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础三元环基本结构单元Si3O1212-3O2-Si3O96-此O被共用共有三个这

4、样的O对于每个SiO4有两个O被共用第6页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础六元环O5O4O8O10O3O3O9Si4O5Si3O4O8Si1Si2O10O9Si4Si3O6O7O2O1O6O7第7页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础链状结构示意图单链结构示意图Single chains双链结构示意图Double chain silicates第8页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础二、岛状结构（Orthosilicates(Nesosilictaes)Orthosilicates(Nesosilictaes)）在硅酸盐晶体中，SiO4四面体以孤立状态存在，SiO4四面

5、体之间不是以O2共顶连接，即每个O2除了与一个Si4+相连外，不再与其它SiO4四面体中的Si4+相连，而与其它金属离子相连。主要有镁橄榄石（Mg2SiO4），锆英石（ZrSiO4）等 Neo-:fromGreekMeans:island第9页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础（1）镁橄榄石（Mg2SiO4）（Olivine）基本特征：斜方晶系，Pbnm空间群。晶格常数a=0.467nm,b=1.020nm,c=0.598nm,每个晶胞中有4个“分子”，故可以写成Mg8Si4O16。按鲍林第一规则:所以Si4的配位数为4，形成SiO4四面体；，所以Mg2的配位数为6，形成MgO6八面体

6、。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。第10页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础续（镁橄榄石结构）续（镁橄榄石结构）按鲍林第四规则，高价低配位的SiO4四面体不互相结合，而是孤立存在，而SiO4四面体和MgO6八面体直接可以共顶和共棱连接。按鲍林第五规则，在镁橄榄石中，Si4的配位方式只有SiO4四面体，Mg2只有MgO6八面体，没有其它形式配位多面体的存在。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。第11页/共59页无

7、机材料科学基础无机材料科学基础示意图镁橄榄石在（镁橄榄石在（100）面投影）面投影第12页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础镁橄榄石结构中的同晶取代：镁橄榄石中的Mg2+可以被Fe2+以任意比例取代，形成铁橄榄石（FexMg1-x）SiO4固溶体。部分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。水泥熟料矿物-Ca2SiO4，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。其它同类型晶体：蓝晶

8、石Al2O3SiO2、莫来石3Al2O32SiO2以及水泥熟料中的-C2S、-C2S和C3S等。水泥的主要组成矿物之一第13页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础橄榄石自然界中，橄榄石（Peridot或Olivine）因具有橄榄绿色而得名，以酷似祖母绿色者最佳，次为浓绿色和黄绿色，为八月诞辰石，产于河北，吉林。第14页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础三、组群状结构（Sorosilicates and Cyclosilicates）基本特点：两个、三个、四个或六个SiO4四面体通过共用氧相连接，形成单独有限的硅氧络阴离子，除双四面体外其余的通常为环状(Ring Silicates

9、)，环还可以重叠起来形成双环，如六元双环。环与环之间通过其它金属正离子如Ca2、Mg2+、Be2等联系起来。常见同类矿物：硅钙石Ca3Si2O7,镁方柱石Ca2MgSi2O7，蓝 锥 矿 BaTiSi3O9，绿 宝 石Be3Al2Si6O18等。举例:绿宝石第15页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础绿宝石（BeBe3 3AlAl2 2SiSi6 6O O1818，beryl）基本特征:六方晶系，P6/mcc空间群，a=0.919nm，c=0.919nm。“分子数”Z2。基本结构特征：六个SiO4四面体形成六元环，六节环中一个Si4和两个O2在同一高度，环与环相叠，途中粗黑线和细黑线分别

10、表示上下两层，上下两层交叉30。环与环之间由Be2和Al3连接。三个85位置的O2-和三个65位置的O2-及其中的Al3构成AlO6八面体。而两个85位置的O2和两个65位置的O2及其中的Be2构成BeO4四面体。O2，连接有三个BeO4四面体和一个AlO6八面体，电价达到饱和。第16页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础六元环六元环第17页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础绿宝石结构示意图绿宝石结构在（绿宝石结构在（0001）面上的投影）面上的投影第18页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础祖母绿祖母绿为绿柱石矿物的一种，因具特殊晶莹的“祖母绿色”被誉为“绿色宝石之王”，

11、据说其绿色之美，任何绿色以宝石皆望尘莫及。以翠绿、皆为佳，优质绿祖母绿均产于哥伦比亚。第19页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础绿柱石和云母绿柱石和云母绿柱石绿柱石第20页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础链状硅酸盐链状硅酸盐Chain Silicates(Inosilicates)Chain Silicates(Inosilicates)基本特点：一个硅氧四面体有两个顶点被共用，而形成各种环状与链状结构结合的长链，既可以是单链，也可以是双链。链上未饱和的氧离子靠金属阳离子(如Mg2+，Ca2+等)饱和，并且把链与链连接在一起。代表矿物：辉石族和闪石族。辉石族是陶瓷中主要物相。

12、滑石瓷的主要晶相是顽火辉石晶体Mg2Si2O6。石棉是闪石类矿物，具有双链结构，呈细长纤维状。Ino-:fromGreekmeans:thread第21页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础单链结构示意图Single chains双链结构示意图Double chain silicates第22页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础透辉石透辉石结构特征：单斜晶系，结构特征：单斜晶系，C2/CC2/C空间群，空间群，单链第23页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础透闪石透闪石CaCa2 2MgMg5 5SiSi4 4O O1111(OH)(OH)2 2单斜，（单斜，（100）面上

13、的投影）面上的投影翡翠，硬玉类。翡翠，硬玉类。软玉，由角闪石矿软玉，由角闪石矿物组成物组成第24页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础透灰石透灰石透闪石透闪石直闪石石棉直闪石石棉第25页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础层状硅酸盐结构(Sheet Silicate or(Sheet Silicate or Phyllosilicates)Phyllosilicates)基本特征：（1）SiO4四面体通过三个共用氧构成向二维空间无限伸展的六节环。在六节环中，可以取出一个基本单元Si4O10，每一个SiO4四面体的第四个顶点(O2-)则与金属阳离子结合，像这种只与一个硅相联结的氧为“

14、活性氧”，活性氧可指向一方也可以指向相反的方向。在层状结构中，层与层之间靠分子间力或氢键结合，比层内的Si-O键结合力小得多，故这种结构材料可以沿层与层之间劈开成薄片，很容易产生层与层之间滑移。常见矿物：高岭石、云母和滑石。第26页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础层状硅酸盐中的四面体层状硅酸盐中的四面体如何得到基本结构单元？如何得到基本结构单元？第27页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础层状结构示意图层状结构示意图a=0.52nma=0.90nm第28页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础 中、小半径的阳离子中、小半径的阳离子Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等，形

15、成二维连续的六配位的铝氧八面体结构等，形成二维连续的六配位的铝氧八面体结构层或镁氧八面体结构层。将八面体划分为两种类型：层或镁氧八面体结构层。将八面体划分为两种类型：其一为其一为三八面体层三八面体层；具有与氢氧镁石；具有与氢氧镁石Mg（OH）2结构相同的特点，故又称氢氧镁石层；结构相同的特点，故又称氢氧镁石层；其二为其二为二八面体层二八面体层；这种八面体结构层具有；这种八面体结构层具有与三水铝石与三水铝石Al（OH）3结构相同的特点，所以又称结构相同的特点，所以又称氢氧铝石层。若八面体层中，二价和三价阳离子同氢氧铝石层。若八面体层中，二价和三价阳离子同时存在，则属于上述两者之间的中间类型。时存

16、在，则属于上述两者之间的中间类型。第29页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础双层结构六元环第30页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础高岭石（高岭石（Kaolinite）AlAl4 4(Si(Si4 4O O1010)(OH)(OH)8 8最早发现于江西景德镇，景德镇古称昌南（China出处），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。多呈隐晶质、分散粉末状、疏松块状集合体。白或浅灰、浅绿、浅黄、浅红等颜色，条痕白色，土状光泽。摩氏硬度2-2.5，比重2.6-2.63。吸水性强，和水具有可塑性，粘舌，干

17、土块具粗糙感。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。第31页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础(010)(001)第32页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础属于双层结构。属于双层结构。第33页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础从高岭土结构可以推出其它层状硅酸盐高岭土双层结构叶腊石三层结构叶腊石三层结构叶蛇纹石2Al3+被3个Mg2+加一层加一层加一层加层间水皂石加层

18、间水蒙脱石滑石高岭石蛇纹石双层结构滑石三层结构第34页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础举例举例高岭石叶腊石滑石第35页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础叶腊石：叶腊石：叶腊石：叶腊石：AlAl2 2SiSi4 4OO1010(OH)(OH)2 2 属属2：1型层状结构的硅酸盐矿型层状结构的硅酸盐矿 物，层间靠范德华力连结物，层间靠范德华力连结.有滑腻感，烧成收缩小，有滑腻感，烧成收缩小，线膨胀系数不大，适宜于快速烧成。线膨胀系数不大，适宜于快速烧成。第36页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础滑石：滑石：滑石：滑石：MgMg3 3(Si(Si4 4OO1010)(OH)

19、(OH)2 2 为为2：1型层状结构的硅酸盐型层状结构的硅酸盐 矿物，硬度为矿物，硬度为1，可作为电瓷用料。无可塑性。，可作为电瓷用料。无可塑性。第37页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础蒙脱石（微晶高岭石）的结构 单斜晶系，空间群C2/ma；理论化学式为 Al2Si4O10(OH)2nH2O；晶胞参数a=0.515nm，b=0.894nm，c=1.520nm，=90o；单位晶胞中Z=2。实际化学式为 (Al2-xMgx)Si4O10(OH)2（NaxnH2O），式中x=0.33，晶胞参数a0.532nm，b0.906nm，c的数值随含水量而变化，无水时c0.960nm。蒙脱石又称为膨

20、润土。钠基膨润土和钠基膨润土和钙基膨润土钙基膨润土第38页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础结构与性质关系：uC轴变化较大，易于吸水。蒙脱石晶胞c轴长度随含水量而变化，甚至空气湿度的波动也能导致c轴参数的变化，所以，晶体易于膨胀或压缩。加水膨胀，加热脱水并产生较大收缩，一直干燥到脱去结构水之前，其晶格结构不会被破坏。u高离子交换能力。随层间水进入的正离子使复网层电价平衡，它们易于被交换，使矿物具有很高的阳离子交换能力。第39页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础用途用途滑石滑石可入药，有吸附和收敛作用，内可入药，有吸附和收敛作用，内服能保护肠壁。滑石粉撒布创面服能保护肠壁。滑石粉

21、撒布创面形成被膜，有保护创面，吸收分形成被膜，有保护创面，吸收分泌物，促进结痂的作用。泌物，促进结痂的作用。药物载体药物载体(蒙脱石蒙脱石),化妆品化妆品,高级乳胶高级乳胶漆漆,水性涂料水性涂料,纺织纺织印花糊料印花糊料,农药蚕农药蚕药助剂药助剂,饲料等饲料等第40页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础白云母：白云母：白云母：白云母：结构式为结构式为KAl2 2(AlSi3 3)O1010(OH)2 2 属单斜晶系。属单斜晶系。为六角板状。差热曲线为：为六角板状。差热曲线为：100-150oC550-600oC880oC910oC第41页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础白云母白

22、云母第42页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础 黏土矿物的基本性质黏土矿物的基本性质黏土矿物的基本性质黏土矿物的基本性质（1）可塑性可塑性 （2）膨胀性膨胀性 （3）稠性稠性 （4）分散性分散性 （5）凝聚性凝聚性 （6）黏性黏性 （7）触变性触变性 （8）离子交换性离子交换性 黏土的形成黏土的形成黏土的形成黏土的形成（1）风化作用风化作用 （4）有机酸的腐蚀作用有机酸的腐蚀作用 （2）机械侵蚀作用机械侵蚀作用 （5）蒸汽与热水的作用蒸汽与热水的作用 （3）化学分解作用化学分解作用 粘土黏土第43页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础5、架状结构Framework Silicat

23、es(Tektosilicates)Framework Silicates(Tektosilicates)基本特征：在骨架状结构中，硅氧四面体之间共有四个顶点，四个O2全部为公用氧，SiO4四面体构成三维无限骨架状结构。陶瓷材料中，非常重要的硅石(SiO2)就具有由SiO4四面体组成的三维骨架结构。除此以外，SiO4四面体中的Si4+若被Al3所取代，形成AlSiO4或AlSi3O8等形式，此时(Al+Si)/O仍为1：2。代表矿物：石英、长石、沸石等。第44页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础1 1、SiOSiO2 2的各种变体及其结构的各种变体及其结构SiO2是玻璃、陶瓷等行业一种

24、重要的原料，它有许多种变体，常温常压下可以分为石英、鳞石英和方石英三个系列。PolymorphDensity Crystal ClassStabilityCristobalite2.33CubicAbove1470CTridymite2.28HexagonalAbove870CQuartz(High)2.53HexagonalAbove570CQuartz(Low)2.65Rhombohedral SurfaceConditionsCoesite2.93MonoclinicAbove20kbStishovite4.30TetragonalAbove80kb第45页/共59页无机材料科学基础无机

25、材料科学基础1、石英族晶体的结构 SiO2晶体具有多种变体，常压下可分为三个系列：石英、鳞石英和方石英。它们的转变关系如下：870 1470 1723 -石英 -鳞石英 -方石英 熔体 573 160 268 -石英 -鳞石英 -方石英 117 -鳞石英 第46页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础石英石英/水晶水晶石石英英与与辰辰砂砂共共生生第47页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础玛瑙玛瑙碧玉碧玉第48页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础位移性转变：上述各变体中，同一系列（即纵向）之间的转变不涉及晶体结构中键的破裂和重建，仅是键长、键角的调整，转变迅速且可逆，如-石英

26、、-石英 之间的相变。又称为二级相变。二级相变。重建型相变：不同系列（即横向）之间的转变，如-石英和-鳞石英、-鳞石英和-方石英之间的转变都涉及键的破裂和重建，转变速度缓慢。又称为一级相变。第49页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础一级相变 重建型相变 如 SiO2-方石英方石英-石英石英-石英石英晶体的相变第50页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础 石英的三个主要变体：-石英、-鳞石英和-方石英结构上的主要差别在于硅氧四面体之间的连接方式不同。u-方石英中，两个共顶连接的硅氧四面体以共用O2-为中心处于中心对称状态。u在-鳞石英中，两个共顶的硅氧四面体之间相当于有一对称面。u

27、在-石英中，相当于在-方石英结构基础上，使Si-O-Si键由180o转变为150o。u由于这三种石英中硅氧四面体的连接方式不同，因此，它们之间的转变属于重建性转变。第51页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础石英种类及特征石英种类及特征（a）方石英方石英（b）鳞石英鳞石英（c）石英石英 中心对称中心对称对称面对称面Si-O-Si键由键由180o转变转变为为150o第52页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础结构示意图结构示意图鳞石英（镜面对称）方石英的开放结构（中心对称）第53页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础长石（Feldspar）特征：硅氧四面体中部分Si4被Al3取

28、代，为保持电中性，K、Na、Ca2等离子进入架状结构，如钾长石KAlSi3O8钙长石CaAl2Si2O8、钡长石BaAl2Si2O8基本结构单元为SiO4四面体形成的四元环。第54页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础长石结构示意图长石结构示意图zigzagpairedchains第55页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础透长石透长石透长石透长石钠长石钠长石钠长石钠长石正长石正长石正长石正长石长石的物理性质：长石的物理性质：比重：比重：2.56-3.37，硬度：硬度：6-6.5 ，熔点：熔点：11000C-17150C 颜色由无色颜色由无色-白色白色-灰白色灰白色-浅黄浅黄-肉红

29、色。肉红色。第56页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础总结：总结：Si:OSi:O公用公用氧氧硅氧骨干硅氧骨干类型类型例子例子有有限限硅硅氧氧基基团团1:41:40 0SiOSiO4 4 4-4-孤岛状孤岛状MgMg2 2SiOSiO4 4 镁橄榄石镁橄榄石/1:3.51:3.51 1SiSi2 2O O7 7 6-6-双四面双四面体体组组群群状状CaCa3 3SiSi2 2O O7 7 硅钙石硅钙石1:31:32 2SiSi3 3O O9 9 6-6-三元环三元环BaTiSiBaTiSi3 3O O9 9 兰锥矿兰锥矿2 2SiSi4 4O O1212 8-8-四元环四元环2 2Si

30、Si6 6O O1818 12-12-六元环六元环BeBe3 3AlAl2 2SiSi6 6O O1818 绿柱石绿柱石无无限限硅硅氧氧基基团团1:31:32 2SiSi2 2O O6 6 4-4-单链单链链链状状CaMgSiCaMgSi2 2O O6 6 透辉石透辉石1:2.751:2.752 2，3 3SiSi4 4O O1111 6-6-双链双链CaMgCaMg5 5SiSi4 4O O1111 2 2(OH)(OH)2 2透闪石透闪石1:2.51:2.53 3SiSi4 4O O1010 4-4-层状层状AlAl4 4SiSi4 4O O1010(OH)(OH)8 8高岭石高岭石1:21:24 4SiOSiO2 2 架状架状SiOSiO2 2石英石英第57页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础岛状橄榄石组群状祖母绿金绿猫眼哥伦比亚为绿柱石矿物的一种矿物名金绿宝石链状翡翠(Jade）缅甸主要矿物为硬玉Na(Al,Fe)Si2O6软玉（Nephrite)新疆“和田玉”“昆仑玉由角闪石类矿物（链状）组成层状岫玉辽宁岫岩由蛇纹石族、透闪石族（链状）矿物组成架状水晶、玛瑙全国各地石英独山玉河南，甘肃钙长石类第58页/共59页无机材料科学基础无机材料科学基础感谢您的观看。感谢您的观看。第59页/共59页