型或三层型或复网层层状结构;
层与层之间只能以微弱的分子键或OH-产生的氢键来联系,键力弱,结构单元之间可能存在水分子,若有类质同象替代,Al3+→Si4+,Mg2+、Fe2+→Al3+,结构单位中电荷失衡,则进入一些电价低、离子半径大的阳离子,如K+、Na+或水化阳离子。 高岭石结构
高岭石的化学式为A14(Si4O10)·(OH)8。其结构属于三斜晶系,C1空间群。a0=0.5139nm,b0=0.8932nm,c0=0.7371nm,α=91°36′,β=104°48′,γ=89°54′;Z=1高岭石结构是1 :1型,是一层硅氧四面体和一层铝氧八面体相连。在铝氧八面体层中,每一个Al3+离子和四个OH-离子以及二个O2-离子相连。这种两层型结构单位在ab平面内无限伸展,在c轴方向是两层的结构单位重复排列。 蒙脱石结构
蒙脱石的化学式为(MxnH2O)(A12-xMgx)(Si4O10)(OH)2。其结构属于单斜晶系C2/m空间群;a0=0.523nm,b0=0.906nm,c0值可变,单位晶胞中Z=2。蒙脱石是2:1型结构,即两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体层。在铝氧八面体层中,大约有的A13+被Mg2+离子所取代,为了平衡多余的负电价,在结构单位层之
间有其它阳离子进入。由于结构中Al3+可被Mg2+取代,使复网层并不呈电中性,带有少量负电荷(一般为-0.33e,也可有很大变化);因而复网层之间有斥力,使略带正电性的水化正离子易于进入层间;与此同时,水分子也易渗透进入层间,使晶胞c轴膨胀,随含水量变化,由0.960nm变化至2.140nm因此,蒙脱石又称为澎润土。
二八面体与三八面体
二八面体:八面体以共棱方式相连,八面体中的O2-只被两个阳离子所共有,如[Al-O6]八面体,只有2/3的八面体空隙被填充。
三八面体:八面体以共棱方式相连,八面体中的O2-被三个阳离子所共有,如[Mg-O6]八面体,八面体空隙全部被金属离子所占据 。
位移性转变与重组性转变
位移性转变:石英变体中纵向之间的变化均不涉及晶体结构中键的破裂和重建,转变过程迅速而可逆,往往只是键之间的角度稍变而已。
重建型转变:横向之间的转变涉及到键的破裂和重建,其过程相当缓慢。
以典型硅酸盐矿物为例说明不同类型硅酸盐结构,并说明结构与性质的关系
岛状硅酸盐:结构中每个O2-离子同时和1个[SiO4]和3个[MgO6]相连接,因此,O2-的电价是饱和的,晶体结构稳定。由于Mg-O键和Si-O键都比较强,所以,镁橄榄石表现出较高的硬度,熔点达到1890℃,是镁质耐火材料的主要矿物。同时,由于结构中各个方向上键力分布比较均匀,所以,橄榄石结构没有明显的解理,破碎后呈现粒状。
组群状硅酸盐:绿柱石结构的六节环内没有其它离子存在,使晶体结构中存在大的环形空腔。当有电价低、半径小的离子(如Na+)存在时,在直流电场中,晶体会表现出显著的离子电导,在交流电场中会有较大的介电损耗;当晶体受热时,质点热振动的振幅增大,大的空腔使晶体不会有明显的膨胀,因而表现出较小的膨胀系数。结晶学方面,绿柱石的晶体常呈现六方或复六方柱晶形。
链状硅酸盐:具有良好的电绝缘性能,是高频无线电陶瓷和微晶玻璃的主要晶相。柱状解理,柱状或纤维状结晶习性。
层状硅酸盐: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。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。 架状结构(石英和长石等):SiO2结构中Si-O键的强度很高,键力分别在三维空间比较均匀,因此SiO2晶体的熔点高、硬度大、化学稳定性好,无明显解理。
硅酸盐结构的共性及变化规律 —化学成分
—类型与Si/O比例关系
硅酸盐结构中,Si-O键性质与结构中其他阳离子和Si:O有关。不同Si-O骨干中Si:O的比值见下表。从孤立四面体到架状硅氧骨干Si:O由4:16递增到4:8,在Si-O-A关系中,Si-O作用递增,而O-A作用递减,从而使Si的离子化趋势逐渐增强。