硅酸盐晶体结构 .ppt

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1、硅酸硅酸盐晶体晶体结构构 现在学习的是第1页，共50页v自然矿物是制造所有陶瓷材料的重要原料自然矿物是制造所有陶瓷材料的重要原料v地壳中最丰富的两种元素：硅和氧地壳中最丰富的两种元素：硅和氧v硅酸盐占所有矿物的硅酸盐占所有矿物的1/31/3以上以上v研究硅酸盐矿物结构研究硅酸盐矿物结构 必要性！必要性！现在学习的是第2页，共50页1、无机硅酸盐的结构单元硅氧四面体硅氧四面体SiO44(1)硅原子的外层电子结构硅原子的外层电子结构Si1S22S22P63S23P23s电子移至电子移至3p轨轨道形成四个道形成四个等价等价的的SP3杂化轨道杂化轨道四面体排列四面体排列现在学习的是第3页，共50页(2

2、)硅氧四面体硅氧四面体 Si的的四四个个等等价价SP3杂杂化化轨轨道道各各与与一一个个氧氧键键合合，形形成成硅硅氧氧四四面面体体SiO44无无机机硅硅酸酸盐结构亚单元；极性结构盐结构亚单元；极性结构现在学习的是第4页，共50页vSiO键键：离子键和共价键各占离子键和共价键各占1/2v硅氧四面体可孤立存在也可共顶连接，硅氧四面体可孤立存在也可共顶连接，每个每个O最多被两个四面体共有最多被两个四面体共有现在学习的是第5页，共50页2 2、无机硅酸盐在空间的结合、无机硅酸盐在空间的结合(1)(1)结构亚单元间的结合形式结构亚单元间的结合形式 A A、直接连接共顶、直接连接共顶(棱、面棱、面)共用顶角

3、氧共用顶角氧 B B、间接连接、间接连接 a a、离子键键合：、离子键键合：为达电中性引入为达电中性引入 正离子而形成的离子键正离子而形成的离子键 b b、分子间力：、分子间力：亚单元亚单元(及其结合体及其结合体)间的间的Van der waals力力 现在学习的是第6页，共50页 由由于于氧氧原原子子用用于于键键合合的的是是两两个个具具有有方方向向性性的的轨轨道道，所所以以SiOSiO4 4 4 4亚亚单单元元之之间间通通常常以以共共顶顶相相连连接接，偶偶尔尔共共棱棱，从从不不共共面面（泡泡林林规规则则：Si高电价、低配位）高电价、低配位）现在学习的是第7页，共50页v硅酸盐晶体结构特点：硅

4、酸盐晶体结构特点：v1.SiO4是结构基础是结构基础v2.Si4间不直接相键，通过间不直接相键，通过O2-来实现来实现v3.SiO4每个顶点，即每个顶点，即O2最多能被最多能被2个个SiO4所所共用共用v4.两个相邻的两个相邻的SiO4之间可以共顶，而不以共棱，之间可以共顶，而不以共棱，共面相连接共面相连接现在学习的是第8页，共50页v硅酸盐化学式表示方法：硅酸盐化学式表示方法：v1.氧化物式：氧化物式：先低价、后高价，先低价、后高价，SiO2在最后，之在最后，之后写结构水、层间水后写结构水、层间水()v【Eg.】钾长石钾长石v高岭土高岭土v多水高岭土多水高岭土现在学习的是第9页，共50页v硅

5、酸盐化学式表示方法硅酸盐化学式表示方法：v2.结构式：结构式：以结构单元为主体，先与硅氧团相以结构单元为主体，先与硅氧团相连的金属离子、后硅氧团，之后写结构水、层连的金属离子、后硅氧团，之后写结构水、层间水间水()v【Eg.】钾长石钾长石v高岭土高岭土v多水高岭土多水高岭土现在学习的是第10页，共50页v硅酸盐矿物中的水分子硅酸盐矿物中的水分子v1.吸附水吸附水：中性水分子，不参与晶体结构，物：中性水分子，不参与晶体结构，物理吸附于矿物颗粒表面理吸附于矿物颗粒表面/缝隙，含量不固定，缝隙，含量不固定，100以上逸出以上逸出v2.结构水：结构水：（化合水）以（化合水）以OH存在，参与晶体存在，参

6、与晶体结构，占据晶格固定位置，含量比确定，结构，占据晶格固定位置，含量比确定，6001000逸出导致结构破坏重组逸出导致结构破坏重组现在学习的是第11页，共50页v硅酸盐矿物中的水分子硅酸盐矿物中的水分子v3.层间水：层间水：层状硅酸盐结构层之间，中性水分子，层状硅酸盐结构层之间，中性水分子，参与晶体结构，含量大范围波动，参与晶体结构，含量大范围波动，110以上大量以上大量逸出逸出Eg.蒙脱石蒙脱石v层间水含量受交换阳离子及空气潮湿环境影响，层间水含量受交换阳离子及空气潮湿环境影响，吸水膨胀性（层间距吸水膨胀性（层间距），水分子逸出，层间距），水分子逸出，层间距现在学习的是第12页，共50页(

7、2)常见无机硅酸盐的结构形式常见无机硅酸盐的结构形式 a a、岛状：、岛状：不共顶不共顶 1 1：4 4 双岛状双岛状：共用：共用1 1顶顶 2 2：7 7 b b、环状：、环状：共用共用2 2顶顶 1 1：3 3 c c、单链状：、单链状：共用共用2 2顶顶 1 1：3 3 双链状：双链状：平均共平均共2 2个半顶个半顶 4 4：1111 d d、层状：、层状：共用共用3 3顶顶 4 4：1010 e e、网状（架）：、网状（架）：共用共用4 4顶顶 1 1：2 2硅氧四面体硅氧四面体硅酸盐硅酸盐b.b.双岛状、环状双岛状、环状组群状组群状（共用（共用1 1顶或顶或2 2顶）顶）Si/OSi

8、/O比比Si/OSi/O比比现在学习的是第13页，共50页A、岛状硅酸盐 （1）无连接：单岛状结构，SiO44（2）共用一顶：双岛状结构，Si2O76现在学习的是第14页，共50页 在在岛岛状状结结构构硅硅酸酸盐盐中中，硅硅氧氧四四面面体体相相互互不不连连接接而而各各自自孤孤立立，以以阴阴离离子子团团的的形形式式存存在在。处处于硅酸盐结构中的正离子起双重作用：于硅酸盐结构中的正离子起双重作用：(1)(1)、保证电中性、保证电中性 (2)(2)、以离子键间接连接阴离子团、以离子键间接连接阴离子团现在学习的是第15页，共50页1616岛状结构岛状结构:镁橄榄石镁橄榄石SiOSiO4 4 孤立孤立孤

9、立孤立MgMg2 2形成形成形成形成MgOMgO6 6 连接连接连接连接SiOSiO4 4 单元单元单元单元现在学习的是第16页，共50页三节环（三元环、三节环（三元环、三方环）三方环）四节环四节环六节环六节环SiSiSiSi6 6 6 6O O1818 1212SiSi4 4O O1212 8 8 8 8SiSi3 3O O9 9 6 6B B、环状硅酸盐环状硅酸盐 环状，共用环状，共用2 2顶：顶：环状结构单独存在，通过其他阳离子相连环状结构单独存在，通过其他阳离子相连现在学习的是第17页，共50页v实例：绿柱石实例：绿柱石实例：绿柱石实例：绿柱石vvBeBe3 3AlAl2 2SiSi6

10、 6O1818 vv六方晶系六方晶系六方晶系六方晶系vvSiSi6 6OO1818 12-12-六节环六节环现在学习的是第18页，共50页v桥氧和非桥氧桥氧和非桥氧vSiO4之间的共用之间的共用O2电价已饱和，不和其电价已饱和，不和其他阳离子相配位，该他阳离子相配位，该O2为为桥氧桥氧vSiO4中中O2仅与一个仅与一个Si4相连，尚有剩余电相连，尚有剩余电价与其他阳离子相配位，称该价与其他阳离子相配位，称该O2为为非桥氧非桥氧现在学习的是第19页，共50页C C、链状硅酸盐链状硅酸盐1.1.单链状单链状 共用共用共用共用2 2 2 2顶：顶：顶：顶：SiSiSiSi2 2 2 2O O O O

11、6 6 6 6 4 4 4 4 硅氧四面体通过桥氧相连，在一维方向硅氧四面体通过桥氧相连，在一维方向无限延伸的链状结构无限延伸的链状结构现在学习的是第20页，共50页辉石辉石R R2 2Si2 2OO6硅灰石中硅灰石中硅灰石中硅灰石中Si3 3OO9 9 SiSi2 2O O6 6 n n4n4n现在学习的是第21页，共50页2、双链状硅酸盐 平均共用两个半顶 Si4O116两条相同的单链通过尚未公用的氧连起来在一维方向无限延伸的带状结构现在学习的是第22页，共50页双链：闪石中双链：闪石中SiSi4 4O1111通过一个辉石单链镜面的反映通过一个辉石单链镜面的反映成双而得成双而得成双而得成双

12、而得2323现在学习的是第23页，共50页链状结构硅酸盐的解理链状结构硅酸盐的解理链链状状结结构构硅硅酸酸盐盐中中，链链上上为为键键合合较较强强的的Si-O共共价价键键，不不易易断断裂裂；链链间间M-O键键合合相相对对较弱，易断裂较弱，易断裂因此在受外力作用时，沿链间因此在受外力作用时，沿链间一定角度一定角度解理为柱体或纤维解理为柱体或纤维Eg.角闪石石棉呈细长纤维状由于双链角闪石石棉呈细长纤维状由于双链结构单元的解理所致结构单元的解理所致现在学习的是第24页，共50页D D、层状结构层状结构硅酸盐硅酸盐 层状，共用三个顶：Si4O104剩余剩余剩余剩余1 1 1 1个个个个活性氧活性氧活性氧

13、活性氧现在学习的是第25页，共50页 层层状状结结构构硅硅酸酸盐盐的的结结构构单单元元SiO4通通过过三三个个桥桥氧氧相相连连，在在二二维维方方向向无无限限延延伸伸构构成成硅硅氧氧四四面面体层体层硅硅氧氧四四面面体体中中非非桥桥氧氧一一般般由由阳阳离离子子以以CN6相连构成相连构成AlO6、MgO6等八面体等八面体现在学习的是第26页，共50页v层状硅酸盐结构中八面体层和四面体层的连接方层状硅酸盐结构中八面体层和四面体层的连接方式式有两种：有两种：1 1：1 1型（单网层）型（单网层）：一层四面体：一层四面体层和一层八面体层相连层和一层八面体层相连2 2：1 1型（复网层）型（复网层）：两层四

14、面体层：两层四面体层中间夹一层八面中间夹一层八面体层相连体层相连现在学习的是第27页，共50页v二八面体和三八面体二八面体和三八面体v非桥氧和非桥氧和Al3、Mg2等阳离子相连构成等阳离子相连构成八面体八面体（4个个O、2个个OH构成）构成）v二八面体二八面体：八面体空隙八面体空隙2/3被金属离子填满被金属离子填满/八面体共八面体共棱相连，棱相连，O2被两个金属阳离子共用被两个金属阳离子共用v三八面体三八面体：八面体空隙全被金属离子填满八面体空隙全被金属离子填满/八面体共八面体共棱相连，棱相连，O2被三个金属阳离子共用被三个金属阳离子共用现在学习的是第28页，共50页杨为中杨为中 材料物理化学

15、材料物理化学29292022/10/82022/10/8二八面体：AlO八面体高岭石结构单元高岭石结构单元AlO八面体八面体八面体八面体Al3+CN=6，与与Al相键合的每个价键相键合的每个价键S=3/6=1/2四面体四面体Si4+CN=4，与与Si相键合的每个价相键合的每个价键键S=4/4=111/21/2每个每个O2两价：两价：2个个Al3各从各从O2分分1/2价，价，Si4分另分另1价，价键平衡，故八面体中价，价键平衡，故八面体中O2被两个阳被两个阳离子共用离子共用二八面体二八面体现在学习的是第29页，共50页杨为中杨为中 材料物理化学材料物理化学30302022/10/82022/10

16、/8三八面体：MgO八面体八面体八面体Mg2+CN=6，与与Al相键合的每个价相键合的每个价键键2/6=1/3四面体四面体Si4+CN=4，与与Si相键合的每个价键相键合的每个价键4/4=1滑石结构滑石结构每个每个O2两价：两价：3个个Mg2各从各从O2分分1/3价，价，Si4分另分另1价，价键平衡，故八面体中价，价键平衡，故八面体中O2被三个阳被三个阳离子共用离子共用三八面体三八面体现在学习的是第30页，共50页v层间层间离子键、分子间力或离子键、分子间力或H H键键连系连系v层中离子取代：如：层中离子取代：如：SiO4层中部分层中部分Si4被被Al3取代；取代；AlO6层中部分层中部分Al

17、3被被Mg2取代，为平取代，为平衡结构中多余负电荷，引入低电价、半径大的衡结构中多余负电荷，引入低电价、半径大的其他阳离子（如其他阳离子（如Na，K）：）：离子健离子健AlO6层中的取代，结合并不牢固，一定条件层中的取代，结合并不牢固，一定条件下可进行阳离子交换下可进行阳离子交换SiO4层中的取代，且量较多，层间产生离子键层中的取代，且量较多，层间产生离子键作用，结合牢固作用，结合牢固现在学习的是第31页，共50页 层层间间不不同同的的连连接接方方式式决决定定层层状状结结构构硅硅酸盐的机械性能酸盐的机械性能 高岭石：高岭石：氢键氢键滑石：滑石：范德瓦尔键范德瓦尔键 蒙脱石：蒙脱石：范德瓦尔键范

18、德瓦尔键 云母：云母：离子键离子键现在学习的是第32页，共50页v1.高岭石高岭石v1：1型，型，一层四面体层和一层八面体层沿一层四面体层和一层八面体层沿C轴方向轴方向无限重复而成；无限重复而成；v两层结构单位在两层结构单位在ab平面无限伸展平面无限伸展v层间靠氢键相连，易解理；层间靠氢键相连，易解理；高龄石沿高龄石沿c c轴投影轴投影二层二层现在学习的是第33页，共50页高龄石结构：单网层、层间氢键高龄石结构：单网层、层间氢键高龄石结构：单网层、层间氢键高龄石结构：单网层、层间氢键现在学习的是第34页，共50页高岭石结构单元高岭石结构单元AlO八面体层中此层为八面体层中此层为OH离子，通过此

19、离子，通过此层的层的H键作用与其他层相连接键作用与其他层相连接v每个每个AlAl3 3同时和同时和同时和同时和2 2个个个个OO2、4 4个个个个OHOH相连，形成相连，形成相连，形成相连，形成AlO(OH)AlO(OH)4八面体，硅氧层八面体，硅氧层八面体，硅氧层八面体，硅氧层和水铝石层构成单网层和水铝石层构成单网层和水铝石层构成单网层和水铝石层构成单网层vAl3 3填充填充填充填充2/32/3八面体空隙八面体空隙八面体空隙八面体空隙二八面体层二八面体层二八面体层二八面体层现在学习的是第35页，共50页v同晶置换同晶置换：四面体中四面体中Si4被被Al3或或M2+取代，多余负电荷，取代，多余

20、负电荷，高岭石带负电高岭石带负电v离子取代不易，仅在最外层结构发生离子取代不易，仅在最外层结构发生v为平衡多余负电荷，层间吸附为平衡多余负电荷，层间吸附K、Na、Ca等离子，结合等离子，结合不稳，可与其他离子进行交换不稳，可与其他离子进行交换v层间氢键较强，可交换阳离子容量低层间氢键较强，可交换阳离子容量低v高岭石层间含水高岭石层间含水多水高岭石多水高岭石c轴伸长轴伸长高岭石高岭石KCa2+高岭石高岭石CaK+现在学习的是第36页，共50页vv2.2.叶蜡石复网层叶蜡石复网层叶蜡石复网层叶蜡石复网层 AlAl2 2Si4 4OO1010(OH)(OH)2 2v两层硅氧四面体两层硅氧四面体v一层

21、铝氧八面体一层铝氧八面体vv八面体为八面体为八面体为八面体为AlOAlO4 4(OH)(OH)2 vv4 4个个个个OO，2 2个个个个OHOHvv层间：层间：层间：层间：范氏力：片状解理范氏力：片状解理范氏力：片状解理范氏力：片状解理3737三层三层现在学习的是第37页，共50页v3.复网层：滑石复网层：滑石Mg3(Si4O10)(OH)2v单斜晶系，单斜晶系，两层硅氧四面体中间夹一层镁氧（氢两层硅氧四面体中间夹一层镁氧（氢氧）三八面体组成氧）三八面体组成v看作叶蜡石中看作叶蜡石中2个个Al3+被被3个个Mg2取代，取代，Mg2填填满全部八面体空隙满全部八面体空隙（三八面体）（三八面体）v八

22、面体层：八面体层：MgO4(OH)2水镁层水镁层/水氢氧层水氢氧层v层间：范德华力层间：范德华力解理完全：滑腻感解理完全：滑腻感现在学习的是第38页，共50页滑石结构滑石结构复网层，层间范氏力复网层，层间范氏力现在学习的是第39页，共50页v4.4.复网层蒙脱石结构复网层蒙脱石结构vAl2Si4O10(OH)8xnH2Ov叶蜡石含层间水叶蜡石含层间水v两层硅氧四面体两层硅氧四面体 v一层铝氧二八面体层一层铝氧二八面体层v层间范德华力层间范德华力相连相连v与多水高岭石不同：与多水高岭石不同：蒙脱石：含水量可变蒙脱石：含水量可变多水高岭石：水量有限多水高岭石：水量有限三层三层n H2On H2O现

23、在学习的是第40页，共50页v蒙脱石：含水量可变？蒙脱石：含水量可变？vAlO八面体层中约八面体层中约1/3Al3可被可被Mg2取代，复网层取代，复网层带负电（层间有斥力）带负电（层间有斥力）v结构层中进入其他水化阳离子以平衡电价，水易渗结构层中进入其他水化阳离子以平衡电价，水易渗透进层间膨胀，进入的正离子易于被交换可交换透进层间膨胀，进入的正离子易于被交换可交换阳离子容量大阳离子容量大v(Al2xMgx)Si4O10(OH)8(MxnH2O)vM如如Na，Ca2，以水化阳离子形式进入，以水化阳离子形式进入vC C值随结构层间水分子及交换阳离子情况改变值随结构层间水分子及交换阳离子情况改变现在

24、学习的是第41页，共50页v5.白云母白云母KAl2AlSi3O10(OH)2v复网层复网层2：1vSiO4层中离子取代：层中离子取代：vAl31/4Si4v层间层间K平衡负电荷平衡负电荷v层间层间:离子键结合离子键结合v结合力较强结合力较强现在学习的是第42页，共50页vv【Eg.Eg.】在实验中，从一种熔体玻璃中结晶出层状晶在实验中，从一种熔体玻璃中结晶出层状晶体，经体，经X X射线衍射法鉴定，它们是单相（一种晶体结构）射线衍射法鉴定，它们是单相（一种晶体结构）射线衍射法鉴定，它们是单相（一种晶体结构）射线衍射法鉴定，它们是单相（一种晶体结构）。化学分析表明其具有复杂化学式：。化学分析表明

25、其具有复杂化学式：。化学分析表明其具有复杂化学式：。化学分析表明其具有复杂化学式：KFAlF3 3BaOBaOMgOAlMgOAl2 2O3 35MgO5SiO2 2，请说明该晶体与何种晶体，请说明该晶体与何种晶体，请说明该晶体与何种晶体，请说明该晶体与何种晶体类型有关类型有关类型有关类型有关A.A.滑石、滑石、滑石、滑石、B.白云母、白云母、白云母、白云母、C.C.叶蜡石叶蜡石叶蜡石叶蜡石 并对其结构简单说明。并对其结构简单说明。并对其结构简单说明。并对其结构简单说明。滑石：滑石：滑石：滑石：MgMg3 3(Si4 4O1010)(OH)(OH)2白云母：白云母：白云母：白云母：KAl2Al

26、SiAlSi3 3O1010(OH)(OH)2 叶蜡石：叶蜡石：AlAl2SiSi4OO10(OH)(OH)2现在学习的是第43页，共50页v如何入手？如何入手？v1.分析分析A A滑石、滑石、滑石、滑石、B白云母、白云母、C C叶蜡石结构；叶蜡石结构；叶蜡石结构；叶蜡石结构；vv2.2.该晶体结构？化学式该晶体结构？化学式该晶体结构？化学式该晶体结构？化学式结构式！结构式！结构式！结构式！v3.比较说明。比较说明。比较说明。比较说明。vv解：解：解：解：A A、B B、C C：2 2：1 1型，层状结构型，层状结构型，层状结构型，层状结构vvA.A.滑石三八面体；滑石三八面体；滑石三八面体；

27、滑石三八面体；C.C.叶蜡石二八面体叶蜡石二八面体叶蜡石二八面体叶蜡石二八面体B.B.白云母白云母白云母白云母SiOSiO4 4 中中中中1/4Si1/4Si4 4被被被被AlAl3 3取代，多余负电荷由层间进入取代，多余负电荷由层间进入取代，多余负电荷由层间进入取代，多余负电荷由层间进入KK平衡平衡平衡平衡vv该晶体：化学式该晶体：化学式该晶体：化学式该晶体：化学式结构式：结构式：结构式：结构式：KBaMgKBaMg6 6AlAl3 3SiSi5 5OO2020FF44vvSiOSiO4 4 中中中中4Si4Si4 4被被被被AlAl3 3取代，层间取代，层间取代，层间取代，层间KK、BaB

28、a，F F-取代取代取代取代OHOH-，MgMg三八三八三八三八面体型，面体型，面体型，面体型，可见：与白云母相关可见：与白云母相关可见：与白云母相关可见：与白云母相关滑石滑石Mg3(Si4O10)(OH)2白云母白云母KAl2AlSi3O10(OH)2叶蜡石叶蜡石Al2Si4O10(OH)2现在学习的是第44页，共50页E E、网状结构硅酸盐（架状）网状结构硅酸盐（架状）共用四个顶角：共用四个顶角：v硅氧四面体排列成为具有三维网络空间的硅氧四面体排列成为具有三维网络空间的“架架”状状Si：O1：2v化学式化学式：nSiO2v当当Al3取代取代Si4：则：则RAlSiO4或或AlSi3O8(A

29、l+Si):O=1:2现在学习的是第45页，共50页共用四个顶角共用四个顶角共用四个顶角共用四个顶角现在学习的是第46页，共50页4747长石网（架）状硅酸盐结构长石网（架）状硅酸盐结构Al3Si4：同晶置换：同晶置换现在学习的是第47页，共50页硅酸盐结构中的同晶置换 网状结构硅酸盐的网状结构硅酸盐的SiO44中，常有一定数量中，常有一定数量的的Si原子被原子被Al原子置换，使某些氧原子产生不饱原子置换，使某些氧原子产生不饱和的键合轨道，晶体结构达不到电中性和的键合轨道，晶体结构达不到电中性 同晶置换要求：同晶置换要求：两种原子的半径相差不大，两种原子的半径相差不大，不影响晶体的结构状态不影

30、响晶体的结构状态 现在学习的是第48页，共50页 为达到电中性，由正离子引入而存在于网状结为达到电中性，由正离子引入而存在于网状结构的间隙中：（构的间隙中：（正离子半径大、电荷低，如正离子半径大、电荷低，如K，Na，Ca2等）等）a、保证整个结构的电中性、保证整个结构的电中性b、起离子键作用把带电价的络阴离子团联、起离子键作用把带电价的络阴离子团联接起来接起来现在学习的是第49页，共50页典型例子典型例子长长石石族族为为网网状状结结构构硅硅酸酸盐盐中中的的一一族族重重要要岩石矿物，其中正长石岩石矿物，其中正长石(高温钾长石高温钾长石)为：为：KAlSi3O8结构中结构中1/4的的Si被被Al取代，取代，K+进入结构以平衡进入结构以平衡电荷电荷现在学习的是第50页，共50页