材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)

P55,表2-13面心立方、密排六方和體心立方晶胞中的間隙612金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方點陣面心立方點陣密排六方點陣間隙（Interstice）四、八面體間隙fcc，hcp

間隙為正多面體，且八面體和四面體間隙相互獨立bcc

間隙不是正多面體，四面體間隙包含于八面體間隙之中tetrahedraloctahedralinterstice1概念

[SiO4]硅氧四面體或它們彼此共用頂角氧聯(lián)接形成 的各種硅氧四面體骨干，借助其它陽離子結(jié)合而成 的化合物，稱硅酸鹽礦物。2分布及意義 已知硅酸鹽礦物有800余種，約占已知礦物種總數(shù) 的1/4~1/3，其重量占地殼巖石圈重量的85%

硅酸鹽礦物是構(gòu)成三大巖類的主要造巖礦物。是陶 瓷、玻璃、新材料的基礎(chǔ)原材料。5.4.3硅酸鹽結(jié)構(gòu)3化學(xué)成分陰離子 硅酸鹽礦物的主要陰離子是作為基本結(jié)構(gòu)單元的 [SiO4]四面體及其所構(gòu)成的硅氧四面體骨干： [Si2O7]、〔Si3O9〕、〔Si4O12〕、〔Sin－xAlxO2n〕

陽離子 組成硅酸鹽陽離子以s區(qū)元素為主，d區(qū)元素次之，部分p區(qū)、ds區(qū)元素，極少數(shù)f區(qū)元素。

類質(zhì)同象 常見有Mg2＋、Fe2＋，Na＋、K＋等5.4.3.4

硅氧四面體骨干

[SiO4]四面體為其基本結(jié)構(gòu)單元，這種絡(luò)陰離子 團(tuán)是由一個Si及其周圍的四個配位氧構(gòu)成，四個配位氧呈四面體形態(tài)包圍Si，故稱為硅氧四面體 按照絡(luò)陰離子團(tuán)骨干的形式不同可劃分亞類：5.4.3.1

島狀硅氧四面體骨干 這種硅氧四面體骨干是硅氧四面體以單個[SiO4]4-形式，或每兩個共頂角橋式氧相連組成雙四面體[Si2O7]6-形式；結(jié)構(gòu)中彼此通過其它陽離子聯(lián)系起來，而硅氧四面體骨干之間，彼此不直接相連，如滄海中之弧島，故名“島狀”。5.4.3.2

環(huán)狀硅氧四面體骨干 這種硅氧四面體骨干是硅氧四面體[SiO4]以頂角橋式氧相 連形成封閉的環(huán)。5.4.3.3

鏈狀硅氧四面體骨干 這種硅氧四面體骨干是[SiO4]以頂角橋式氧聯(lián)接成的沿一 個方向無限延伸的連續(xù)鏈。最常見的有單鏈和雙鏈。單鏈 在單鏈中，每一個[SiO4]四面體以兩個頂角氧與相鄰的 [SiO4]四面體共用。雙鏈 雙鏈即由兩個單鏈在側(cè)向共用頂角氧并行排列而成。5.4.3.4

層狀硅氧四面體骨干 每一個[SiO4]四面體，組成二維空間無限展開的層。5.4.3.5

架狀硅氧四面體骨干(P210)

每一個[SiO4]四面體，組成三度空間無限擴(kuò)展的骨架。兩個性質(zhì)： 其一，架狀骨干中的孔隙較大，陽離子半徑大 其二，氧離子的剩余電荷少，陽離子電價低?；瘜W(xué)鍵及結(jié)構(gòu)特征化學(xué)鍵 硅氧四面體內(nèi)為共價鍵性質(zhì)的化學(xué)鍵，而非橋式氧與四面體外的陽離子主要以離子鍵結(jié)合。結(jié)構(gòu)特征

在硅酸鹽結(jié)構(gòu)中，[SiO4]四面體是基本結(jié)構(gòu)單元，[SiO4]四面體聯(lián)成各種形式的骨干，骨干與骨干之間再借助其它陽離子互相聯(lián)接成許多類型的硅酸鹽結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中，離子的堆積與硅氧骨干的形式和陽離子性質(zhì)有關(guān)： 在具有弧立[SiO4]四面體的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中，離子常按緊 密和最緊密方式排列。 在具有環(huán)狀硅氧四面體骨干的硅酸鹽骨干中，環(huán)與環(huán) 之間作平行排列，“環(huán)柱”內(nèi)孔隙大，“環(huán)柱”與“環(huán)柱” 之間排列比較松散。 在具有鏈型或?qū)訝罟柩跛拿骟w骨干的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中， 骨干作平行排列，骨干與骨干之間多具較大孔隙。 在具有架型硅氧四面體骨干的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中，離子不 作最緊密堆積，骨干間都具有巨大孔隙。結(jié)論：在硅酸鹽結(jié)構(gòu)中，島—環(huán)—鏈—層—架型結(jié)構(gòu)，由簡單到復(fù)雜，硅氧四面體骨干由小到大，孔隙度由小到大?？紫洞笮∫话憔c團(tuán)外陽離子半徑相適應(yīng)。Al在硅酸鹽結(jié)構(gòu)中起著雙重作用：

A：可以代替部分Si4+進(jìn)入氧的四面體孔隙中，呈四次 配位構(gòu)成[AlO4]，該硅酸鹽，稱為鋁硅酸鹽。

B：Al作為絡(luò)陰離子的團(tuán)外陽離子充填于六個氧圍成的 孔隙中，呈六次配位，構(gòu)成[AlO6]配位八面體，這種硅酸鹽，稱為鋁的硅酸鹽。鋁在硅酸鹽中起到雙重作用？

〔半徑比值法則只適用于離子鍵，而不適用于共價鍵〕 Al在硅酸鹽中作為一種團(tuán)外陽離子，以離子鍵形式與 氧結(jié)合，則上述半徑比值0.452是可以用來說明Al充填 八面體空隙的這種現(xiàn)象的。 根據(jù)實驗資料，Al—O鍵應(yīng)是共價鍵性質(zhì)的。用Al—O的成鍵性質(zhì)討論Al進(jìn)入氧四面體孔隙的原因

Al的電子結(jié)構(gòu)為3S23P1，與Si的電子結(jié)構(gòu)3S23P2是相似 的。從雜化軌道原理來分析，當(dāng)Al失去價電子后，空出 能量相近的S、P軌道，從而能以SP3雜化軌道形式與 四個配位氧形成四個σ軌道，Al—O以σ鍵結(jié)合，故Al 象Si一樣，也能作為中心陽離子存在于氧四面體孔隙中, 構(gòu)成[AlO4]四面體。 從分子軌道的成鍵特點看，根據(jù)Al的3S、3P軌道能量和 對稱性與四個配位氧的2P、2S軌道能量對稱性關(guān)系，兩 者可以發(fā)生軌道重迭而形成四個σ軌道（不考慮π軌 道的形成與否）各自朝四面體頂角取向分布。 此外，F(xiàn)e3+、Ti4+、Cr3+等也與Al一樣，在硅酸鹽結(jié)構(gòu)中 具有雙重作用，只是由于它們的電子結(jié)構(gòu)（具體3d電 子），與Al有所差異，與氧的軌道能量差比Al的要大， 故它們進(jìn)入氧四面孔隙的可能機(jī)會不如Al多。3-3-3硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)SilicateCrystallineStructures

結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[SiO4]4-四面體，Si4+

中心，O2-

頂。兩個鄰近四面體之間共頂相連，不共棱或面。

Silicon-OxygenTetrahedron2：1型層狀的硅酸鹽礦物的晶體結(jié)構(gòu)是由兩層硅氧四面體之間夾著一層鋁（鎂）氧（羥基）八面體構(gòu)成的晶層，晶層之間存在范德華力，晶層內(nèi)的四面體和八面體可以有廣泛的類質(zhì)同象替代，如四面體中Si4+被Al3+,Ti4+,P5+替代，八面體中Al3+被Mg2+,Fe2+,Fe3+,Ni2+,Zn2+,Mn2+替代，從而使晶層帶負(fù)電荷。水合陽子（Na+,K+,Ca2+,Mg2+）可占據(jù)層間域以電荷平衡。各種有機(jī)陽離子（如烷基陽離子）可以通過離子交換反應(yīng)來置換粘土礦物層間原有的水合陽離子，從而使通常親水的粘土礦物表面疏水化，降低了表面能．改善了礦物與聚合物間相容性。（2）黏土的顆粒組成黏土中各種尺寸的百分含量叫顆粒組成。測定顆粒組成的方法：篩分法、沉降法、離心法、顯微鏡法。2.4.6層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽晶體形態(tài)及物理性質(zhì)形態(tài)取決于結(jié)構(gòu)，為片狀、板狀等兩向延展的結(jié)晶習(xí)性為主，亦有呈柱狀晶體者。層狀硅酸鹽礦物多數(shù)為無色或淺色、透明、玻璃光澤、解理面表現(xiàn)出珍珠光澤特點。其顏色受Fe的含量影響。

層狀硅酸鹽礦物的硬度普遍低。不同礦物之間的硬度差 異主要取決于層間的結(jié)合力，平行于結(jié)構(gòu)單元層發(fā)育 極完全解理。2.4.7黏土研究方法層狀硅酸鹽礦物，其結(jié)晶顆粒多數(shù)都很微小，研究方 法具有特殊的要求，比較有效的研究手段有：（1）黏土的簡易鑒定法（2）化學(xué)分析法（3）物理分析法：顆粒分析、可塑性實驗、泥漿性能測定（4）礦物組成的測定：包括，熱分析法、X--射線研究法、 電子衍射法、電子顯微鏡法、核磁共振吸收法、 紫外吸收光譜法等方法。（1）α—石英屬六方晶系。結(jié)構(gòu)特征為：C+扭曲（2）α—-磷石英屬六方晶系。結(jié)構(gòu)特點為：P（3）α—方石英屬立方晶系。對稱特點為：C

從以上三種結(jié)構(gòu)種可以看出：

石英與方石英的轉(zhuǎn)變要比石英與磷石英的轉(zhuǎn)變?nèi)菀滓恍?〕化學(xué)組成石英的化學(xué)組成主要是：二氧化硅，在其雜質(zhì)中三氧化二鐵為其主要有害成分。應(yīng)控制在0.5%

以下。

高純超細(xì)石英物(粉)中,二氧化硅含量大于99.9%,粒度 小于1.2微米.通常采用化學(xué)制備(用途).〔3〕石英的一般性質(zhì).

石英的顏色,根據(jù)不同的晶型和類別,有多種多樣,平常 用作工業(yè)原料的石英呈乳白色或灰色,有玻璃光澤(斷 口為油脂光澤),硬度為7,比重2.31-2.65,無解理。

〔4〕同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變按照[SiO4]四面體連接方式,有三種最基本存在狀態(tài):

石英（Quartz)870C以下磷石英(Tridymite)1470C以下方石英(Cristobalite)1713C以下

超過1713`C以后,變?yōu)槿廴趹B(tài).

在自然界中則大部分以石英的形態(tài)穩(wěn)定存在.只有少 部份的以磷石英或方石英的介穩(wěn)態(tài)存在.〔5〕主要的變體類型：（1）石英：常表現(xiàn)出六方晶形的透明大晶體。常見的類型有：

β-------石英，常溫下是穩(wěn)定的。

α

------石英，在自然界中找不到天然的。（2）磷石英：自然界以這種形式存在的石英為數(shù)極少。石英很少直接轉(zhuǎn)化為磷石英。常見的類型有：

α------磷石英：自然界難找到。穩(wěn)定范圍為：870oCβ------磷石英：一種過渡形式的磷石英，存在的溫度 范圍很窄，為：117---163oC

γ------鱗石英：呈半安定形態(tài)，能在常溫下長久地存在。但自然界很少見到。（3）方石英：石英在12000C以上的溫度下常時 間加熱時便會轉(zhuǎn)化成方石英，

[6]石英、鱗石英與方石英的鑒別方法有

[1]比重；

[2]體積變化：

[3]沉降法：

[4]雙折射率法：

[5]晶型比較法：

[6]差熱法：〔10〕小結(jié)：

（1）石英為架狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物（2）石英有三種不同的結(jié)晶形態(tài)且每一種結(jié)晶形態(tài)有兩 種或三種不同的變體，變體之間轉(zhuǎn)化有體積效應(yīng)， 尤以573`C時破壞性最大。（3）石英為一瘠性原料，在生產(chǎn)中起著重要作用。（4）石英原料中尤以脈石英質(zhì)量最好，（5）石英可用其它的礦物或巖石代替。2.5.5.2長石族長石是堿金屬和堿土金屬的鋁硅酸鹽礦物?！?〕長石的分類有四種：鉀長石、鈉長石、鈣長石、鋇長石。按其化學(xué)組成可分為三個亞族：即:正長石亞族、斜長石亞族、鋇長石亞族。正長石亞族：是鉀鈉長石系列靠近鉀端員的礦物，斜長石亞族： 是由鈉長石和鈣長石及它們的中間礦 物組成的類質(zhì)同象系列的總稱?！?〕長石的化學(xué)組成依其種類的不同主要成