硅酸盐晶体结构-09.03.18答辩.ppt

按照硅氧层中活性氧的空间取向不同，硅氧层分为单网层和复网层。单网层结构中，硅氧层的所有活性氧均指向同一个方向。而复网层结构中，两层硅氧层中的活性氧交替地指向相反方向。活性氧的电价由其它金属离子来平衡，一般为6配位的Mg2+或Al3+离子，同时，水分子以OH－形式存在于这些离子周围，形成所谓的水铝石或水镁石层。 单网层相当于一个硅氧层加上一个水铝（镁）石层，称为1：1层。复网层相当于两个硅氧层中间加上一个水铝（镁）石层，称为2：1层，见图1-3-10、图1-3-11示。 根据水铝（镁）石层中八面体空隙的填充情况，结构又分为三八面体型和二八面体型。前者八面体空隙全部被金属离子所占据，后者只有2/3的八面体空隙被填充。 图1-3-10 层状结构硅酸盐晶体中硅氧四面体层和铝氧八面体层的连接方式 （Ａ）１：１型 （Ｂ）２：１型 图1-3-11 单网层及复网层的构成 高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O的结构 (即Al4[Si4O10](OH)8) 高岭石是一种主要的粘土矿物，属三斜晶系，空间群C1；晶胞参数a=0.514nm，b=0.893nm，c=0.737nm，?=91o36，，?=104o48，，?=89o54，；晶胞分子数Z=1。 结构如图1-3-13，高岭石的基本结构单元是由硅氧层和水铝石层构成的单网层，单网层平行叠放形成高岭石结构。Al3+配位数为6，其中2个是O2-，4个是OH-，形成[AlO2(OH)4]八面体，正是这两个O2-把水铝石层和硅氧层连接起来。水铝石层中，Al3+占据八面体空隙的2/3。 图1-3-13 高岭石的结构 结构如图1-3-13，高岭石的基本结构单元是由硅氧层和水铝石层构成的单网层，单网层平行叠放形成高岭石结构。Al3+配位数为6，其中2个是O2-，4个是OH-，形成[AlO2(OH)4]八面体，正是这两个O2-把水铝石层和硅氧层连接起来。水铝石层中，Al3+占据八面体空隙的2/3。 (d) (a)(001)面上的投影 (b)（100）面上的投影（显示出单网层中Al3+填充2/3八面体空隙） (c)（001）面上的投影（显示出硅氧层的六节环及各离子的配位信息） （d）（010）面上的投影（显示出单网层的构成） 结构与性质的关系：根据电价规则计算出单网层中O2-的电价是平衡的，即理论上层内是电中性的，所以，高岭石的层间只能靠物理键来结合，这就决定了高岭石也容易解理成片状的小晶体。但单网层在平行叠放时是水铝石层的OH－与硅氧层的O2-相接触，故层间靠氢键来结合。由于氢键结合比分子间力强，所以，水分子不易进入单网层之间，晶体不会因为水含量增加而膨胀。 滑石Mg3[Si4O10]（OH）2的结构 滑石属单斜晶系，空间群C2/c，晶胞参数a=0.525nm，b=0.910nm，c=1.881nm，?=100o；结构属于复网层结构，如图1-3-12所示。 （a）所示 OH－位于六节环中心，Mg2+位于Si4+与OH－形成的三角形的中心，但高度不同。 （b）所示，两个硅氧层的活性氧指向相反，中间通过镁氢氧层连接，形成复网层。复网层平行排列即形成滑石结构。水镁石层中Mg2+的配位数为6，形成[MgO4（OH）2]八面体。其中全部八面体空隙被Mg2+所填充，因此，滑石结构属于三八面体型结构。 图1-3-12 滑石的结构 （a）（001）面上的投影 （b）图（a）结构的纵剖面图 （a）所示 OH－位于六节环中心。 （b）所示，两个硅氧层的活性氧指向相反，中间通过镁氢氧层连接，形成复网层。复网层平行排列即形成滑石结构。水镁石层中Mg2+的配位数为6，形成[MgO4（OH）2]八面体。其中全部八面体空隙被Mg2+所填充，因此，滑石结构属于三八面体型结构。 结构与性质的关系：复网层中每个活性氧同时与3个Mg2+相连接，从Mg2+处获得的静电键强度为3×2/6=1，从Si4+处也获得1价，故活性氧的电价饱和。同理，OH－中的氧的电价也是饱和的，所以，复网层内是电中性的。这样，层与层之间只能依靠较弱的分子间力来结合，致使层间易相对滑动，所有滑石晶体具有良好的片状解理特性，并具有滑腻感。 离子取代现象：用2个Al3+取代滑石中的3个Mg2+，则形成二八面体型结构（Al3+占据2/3的八面体空隙）的叶蜡石Al2[Si4O10]（OH）2结构。同样，叶蜡石也具有良好的片状解理和滑腻感。 晶体加热时结构的变化：滑石和叶蜡石中都含有OH－，加热时会产生脱水效应。滑石脱水后变成斜顽火辉石?-Mg2[Si2O6]，叶蜡石脱水后变成莫来石3Al2O3·2SiO2。它们都是玻璃和陶瓷工业的重要原料，滑石可以用于生成绝缘、介电性能良好的滑石瓷和堇青石瓷，叶蜡石常用作硼