5 2008 硅酸盐晶体结构.ppt

第五节 硅酸盐晶体结构Silicate Structures Many ceramic materials contain silicate structures, which consist of silicon and oxygen atom (ions) bonded together in various arrangements. Also, a large number of naturally occurring minerals such as clays, feldspars, and micas are silicates since silicon and oxygen are two most abundant elements in the earth’s crust. Many silicates are useful for engineering materials because of their low cost, availability, and special properties. Silicate structure are particularly important for the engineering construction materials glass, portland cement, and brick. Many important electrical insulative materials also are made with silicates. （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。 氧化物方法：即把构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和顺序全部写出来，先是1价的碱金属氧化物，其次是2价、3价的金属氧化物，最后是SiO2。例如，钾长石的化学式写为 K2O·Al2O3·6SiO2； 无机络盐表示法：把构成硅酸盐晶体的所有离子按照一定比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用 [ ]括起来。先是1价、2价的金属离子，其次是Al3+和Si4+，最后是O2-或OH—。如钾长石为K[AlSi3O8]。 （1）构成硅酸盐晶体的基本结构单元[SiO4]四面体。Si-O-Si键是一条夹角不等的折线，一般在145o左右。 （2）[SiO4]四面体的每个顶点，即O2-离子最多只能为两个[SiO4]四面体所共用。 （3）两个相邻的[SiO4]四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。 （4）[SiO4]四面体中心的Si4+离子可部分地被Al3+ 所取代。 The Si-O bond in the [SiO4]4- structure is about 50 percent covalent and 50 percent ionic according to calculations from Pauling’s equation. Because of the small, highly charged Si 4+ ion, strong bonding forces are created within the [SiO4]4- tetrahedrons, and as a result the [SiO4]4- units are normally joined corner to corner and rarely edge to edge. [SiO4]四面体的结构图 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。 表1-8 硅酸盐晶体结构类型与Si/O比的关系 （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。 Island: Fe 2+ and Mg 2+ ions combine with [SiO4]4- to form Oli