SiO2虽有多种同素异构体，但其他的结构都可看成是由?-方石英的变形而得。石英晶体中由于具有较强的Si—O键及完整的结构，因此具有熔点高、硬度高、化学稳定性好等特点。
3. A2B3型化合物结构
以?-Al2O3为代表的刚玉型结构，是A2B3型的典型结构。
刚玉为天然?-Al2O3单晶体，呈红色的称红宝石（含铬），呈蓝色的称蓝宝石（含钛）。其结构属菱方晶系。正负离子的配位数为6和4，O2近似作密排六方堆积，Al3+位于八面体间隙中，但只填满这种空隙的2/3。铝离子的排列要使它们之间的距离最大，因此每三个相邻的八面体空隙，就有一个是有规则地空着，这样六层构成一个完整周期。按电价规则，每个O2可与4个Al3+键合，即每一个O2同时被4个[AlO6]八面体所共有； Al3+与6个O2的距离有区别，其中3个距离较近为0.189 nm，另外3个较远为0.193 nm。每个晶胞中有4个Al3+和6个O2。
刚玉性质极硬，莫氏硬度9，不易破碎，熔点2050°C，这与结构中Al—O键的结合强度密切相关。属于刚玉型结构的化合物还有Cr2O3，?-Fe2O3，?-Ga2O3等。
4. ABO3型化合物结构
a. CaTiO3（钙钛矿）型结构。钙钛矿又称灰钛石，系以CaTiO3为主要成分的天然矿物，理想情况下为立方晶系，在低温时转变为正交晶系。
Ca2+和O2构成fcc结构，Ca2+在立方体的顶角，O2在立方体的六个面心上；而较小的Ti4+填于由6个O2
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所构成的八面体[TiO6]空隙中，这个位置刚好在由Ca2+构成的立方体的中心。由组成得知，Ti4+只填满1/4的八面体空隙。[TiO6]八面体群相互以顶点相接，Ca2+则填于[TiO6]八面体群的空隙中，并被12个O2所包围，故Ca2+的配位数为12，而Ti4+的配位数为6。
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，而Ca—O离子间的S为，每个O2被2个[TiO6]3621–
八面体和4个[CaO12]立方八面体所共用，O2的电价为?2??4?2，即饱和，结构稳定。
36从鲍林规则得知：Ti—O离子间的静电键强度S为
属于钙钛矿型结构的还有BaTiO3，SrTiO3，PbTiO3，CaZrO3，PbZrO3，SrZrO3，SrSnO3等。
b. 方解石（CaCO3）型结构。方解石属菱方晶系。每个晶胞有4个Ca2+和4个[CO3]2络合离子。每个Ca2+
被6个[CO3]2所包围，Ca2+的配位数为6；络合离子[CO3]2中3个O2作等边三角形排列，C4+在三角形之中心位置，C—O间是共价键结合；而Ca2+同[CO3]2是离子键结合。[CO3]2在结构中的排布均垂直于三次轴。
属于方解石型结构的还有MgCO3（菱镁矿），CaCO3·MgCO3（白云石）等。 5. AB2O4型化合物结构
AB2O4型化合物中最重要的化合物是尖晶石（MgAl2O4）。
MgAl2O4属立方晶系，面心立方点阵。每个晶胞内有32个O2，16个Al3+和8个Mg2+离子。O2面心立方密排结构，Mg2+的配位数为4，处在氧四面体中心；Al3+的配位数为6，居于氧八面体空隙中。其结构颇为复杂，为了清楚起见，可把这种结构看成是由8个立方亚晶胞所组成，它们在结构上又可分甲、乙两种类型。在甲型立方亚胞中，Mg2+位于单元的中心和4个顶角上（相应于晶胞的角和面心），4个O2分别位于各条体对角线上距临空的顶角1/4 处。在乙型立方亚胞中，Mg2+处在4个顶角上，4个O2位于各条体对角线上距Mg2+顶角的1/4处，而Al3+位于4条体对角线上距临空顶角的1/4 处。若把MgAl2O4晶格看作是O2立方最密排结构，八面体间隙有一半被Al3+所填，而四面体间隙则只有1/8被Mg2+所填。
按电价规则，SAl3+ = 3/6 = 1/2，SMg2+ = 2/4 = 1/2，这样每个O2离子的电价要由4个正离子提供，其中3个为Al3+，1个为Mg2+，即3个[AlO6]八面体与1个[MgO4]四面体共顶连接，电价饱和，结构稳定。而且结构中的Al—O键，Mg—O键均为较强的离子键，故结合牢固，硬度高，熔点高（2135°C），化学稳定性好。
属于尖晶石型结构的还有ZnFe2O4，CdFe2N4，FeAl2O4，CoAl2O4，NiAl2O4，MnAl2O4和ZnAl2O4等。 2.4.3 硅酸盐的晶体结构
硅酸盐晶体是构成地壳的主要矿物，它们也是制造水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料的主要原料。
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硅酸盐的成分复杂，结构形式多种多样。但硅酸盐的结构主要由三部分组成，一部分是由硅和氧按不同比例组成的各种负离子团，称为硅氧骨干，这是硅酸盐的基本结构单元，另外两部分为硅氧骨干以外的正离子和负离子。因此，硅酸盐晶体结构的基本特点可归纳如下：
(1) 构成硅酸盐的基本结构单元是硅和氧组成的[SiO4]4四面体。在[SiO4]4中，4个氧离子围绕位于中心的硅离子，每个氧离子有一个电子可以和其他离子键合。硅氧之间的平均距离为0.160 nm，这个值比硅氧离子半径之和要小，说明硅氧之间的结合除离子键外，还有相当成分的共价键，一般视为离子键和共价键各占50%。
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(2) 按电价规则，每个O2最多只能为两个[SiO4]4四面体所共有。如果结构中只有一个Si4+提供给O2电价，那么O2的另一个未饱和的电价将由其他正离子如Al3+，Mg2+??提供，这就形成各种不同类型的硅酸盐。
(3) 按鲍林第三规则，[SiO4]4四面体中未饱和的氧离子和金属正离子结合后，可以相互独立地在结构中存在，或者可以通过共用四面体顶点彼此连接成单链、双链或成层状、网状的复杂结构，但不能共棱和共面连接，否则结构不稳定，且同一类型硅酸盐中，[SiO4]4四面体间的连接方式一般只有一种。
(4) [SiO4]4四面体中的Si—O—Si 结合键通常并不是一条直线，而是呈键角为145°的折线。
所以，硅酸盐结构是由[SiO4]4四面体结构单元以不同方式相互连成的复杂结构。因此其分类不能按化学上的正、偏硅酸盐来分，而是按照[SiO4]4的不同组合，即按[SiO4]4四面体在空间发展的维数来分。下面简单介绍孤岛状、组群状、链状、层状和骨架状硅酸盐的晶体结构。
1. 孤岛状硅酸盐
所谓孤岛状结构，是指在硅酸盐晶体结构中，[SiO4]4四面体是以孤立状态存在，共用氧数为零，即一个个[SiO4]4四面体只通过与其他正离子连接，而使化合价达到饱和时，就形成了孤立的或岛状的硅酸盐结构，又称原硅酸盐。正离子可是Mg2+，Ca2+，Fe2+，Mn2+等金属离子。
属于孤岛状硅酸盐结构的矿物有镁橄榄石Mg2[SiO4]，锆英石Zr[SiO4]等。下面即以镁橄榄石为例说明该结构的特点。镁橄榄石Mg2[SiO4] 属正交晶系。每个晶胞中有4个“分子”，28个离子。其中有8个镁离子，4个硅离子和16个氧离子。其结构的主要特点如下：
(1) 各[SiO4]4四面体是单独存在的，其顶角相间地朝上朝下； (2) 各[SiO4]4四面体只通过O—Mg—O 键连接在一起；
(3) Mg2+离子周围有六个O2离子位于几乎是正八面体的顶角，因此整个结构可以看成是由四面体和八面体堆积而成的；
(4 ) O2离子近似按照六方排列，这是由于氧离子与大多数其他离子相比尺寸较大的缘故。氧离子成密堆积结构是许多硅酸盐结构的一个特征。
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镁橄榄石结构在（100）面投影图 位于四面体中心的Si4+未画出
二价铁离子Fe2+和钙离子Ca2+可以取代镁橄榄石中的Mg2+，而形成(Mg,Fe)2[SiO4]或(Ca,Mg)2[SiO4]橄榄石。 镁橄榄石结构紧密，静电键也很强，结构稳定，熔点高达1890°C，是碱性耐火材料中的重要矿物相。 2. 组群状硅酸盐晶体结构
组群状结构是指由[SiO4]4通过共用1个或2个氧（桥氧）相连成的含成对、3节、4节或6节硅氧团组群。这些组群之间再由其他正离子按一定的配位形式构成硅酸盐结构。下面以绿柱石Be3Al2[Si6O18]为例来说明这类结构的特点。
孤立的有限硅氧四面体群的各种形状
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绿柱石Be3Al2[Si6O18]结构属六方晶系。其基本结构单元是6个硅氧四面体形成的六节环，这些六节环之间靠Al3+和Be2+离子连接，Al3+的配位数为6，与硅氧网络的非桥氧形成[AlO6]八面体；Be2+配位数为4，构成[BeO4]四面体。环与环相叠，上下两层错开30°。从结构上看，在上下叠置的六节环内形成了巨大的通道，可储有K+，Na+，Cs+离子及H2O分子，使绿柱石结构成为离子导电的载体。
体中的Si4+被Al3+所取代，环外的（Be3Al2）被（Mg2Al3）所取代而已。
3. 链状硅酸盐
[SiO4]4四面体通过桥氧的连接，在一维方向伸长成单链或双链，而链与链之间通过其他正离子按一定的配位关系连接就构成了链状硅酸盐结构。
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绿柱石的结构
具有优良抗热、抗振性能的堇青石Mg2Al3[AlSi5O18]的结构与绿柱石相似，只是在六节环中有一个[SiO4]四面
单链
双链
n?单链结构单元的分子式为?SiO3?2。一大批陶瓷材料具有这种单链结构，如顽辉石Mg[SiO3]，透辉石nCaMg[Si2O6]，锂辉石LiAl[Si2O6]，顽火辉石Mg2[Si2O6]。在单链状结构中由于Si—O键比链间M—O键强得多，因此链状硅酸盐矿物很容易沿链间结合较弱处裂成纤维。
n?双链的结构单元分子式为?Si4O11?6。透闪石Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2，斜方角闪石(Mg,Fe)7[Si4O11]2(OH)2，硅n线石Al[AlSiO5]和莫来石Al[Al1+x·Si1-xO5- x/2](x = 0.25～0.40)及石棉类矿物都属双链结构。
4. 层状结构硅酸盐
[SiO4]4四面体的某一个面（由3个氧离子组成）在平面内以共用顶点的方式连接成六角对称的二维结构即为层状结构。它多为二节单层，即以两个[SiO4]4四面体的连接为一个重复周期，且它有1个氧离子处于自由端，价态未饱和，称为活性氧，将与金属离子（如Mg2+，Al3+，Fe2+，Fe3+，Mn3+，Li+，Na+，K+等）结合而形成稳定的结构，如图所示。在六元环状单层结构中，Si4+分布在同一高度，单元大小可在六元环层中取一个矩形，结构单元内氧与硅之比为10∶4，其化学式可写成[Si4O10]4。
当活性氧与其他负离子一起与金属正离子如Mg2+，Ca2+，Fe2+，Al3+等相连接，构成了[Me(O,OH)6]八面体层。它与四面体层相连接就构成双层结构；若八面体层的两侧各与四面体层结合的硅酸盐结构称为三层结构。
在层状硅酸盐结构中，层内Si—O键和Me—O键要比层与层之间分子键或氢键强得多，因此这种结构容易从层间剥离，形成片状解理。
具有层状结构的硅酸盐矿物高岭土Al4[Si4O10](OH)8为典型代表，此外还有滑石Mg3[Si4O10](OH)2，叶蜡石Al2[Si4O10](OH)2，蒙脱石(Mx·nH2O)(Al2-xMgx)[Si4O10](OH)2等。
5. 架状硅酸盐
当[SiO4]4四面体连成无限六元环状，层中未饱和氧离子交替指向上或向下，把这样的层叠置起来，使每两个活性氧为一个公共氧所代替，就可以得到架状结构硅酸盐。这个结构的特点是每个[SiO4]4四面体中的氧离子全部被共用。因此，架状结构的硅氧结构单元化学式为SiO2。
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层状结构硅酸盐中的四面体
典型的架状结构硅酸盐是石英及其各种变种，还有长石(K, Na, Ca)[AlSi3O8]，霞石Na[AlSiO4]和沸石Na[AlSi2O6]·H2O等。 2.5 共价晶体结构
元素周期表中Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ族元素、许多无机非金属材料和聚合物都是共价键结合。共价晶体的共同特点是配位数服从8-N法则，N为原子的价电子数，这就是说结构中每个原子都有8-N个最近邻的原子。这一特点就造成共价键结构具有饱和性。
共价晶体最典型代表是金刚石结构。金刚石是碳的一种结晶形式。这里，每个碳原子均有4个等距离（0.154 nm）的最近邻原子，全部按共价键结合，符合8-N规则。其晶体结构属于复杂的面心立方结构，碳原子除按通常的fcc排列外，立方体内还有4个原子，它们的坐标分别为
111331313133，，，相当于晶内其中4444444444444个四面体间隙中心的位置。故晶胞内共含8个原子。实际上，该晶体结构可视为两个面心立方晶胞沿体对角线相对位移
1距离穿插而成。 4具有金刚石型结构的还有?-Sn，Si，Ge。另外，SiC，闪锌矿（ZnS）等晶体结构与金刚石结构也完全相同，只是在SiC晶体中硅原子取代了复杂立方晶体结构中位于四面体间隙中的碳原子，即一半原碳原子占据的位置被Si原子取代；而在闪锌矿（ZnS）中，S离子取代了fcc结点位置的碳原子，Zn离子则取代了4个四面体间隙中的碳原子而已。
As，Sb，Bi晶体属菱方结构（A7），配位数为3，即每个原子有3个最近邻的原子，以共价键方式相结合并形成层状结构，层间具有金属键性质。
Se，Te晶体属三角晶体结构（A8）。它的配位数为2，每个原子有2个近邻原子，以共价键方式相结合。原子组成呈螺旋形分布的链状结构。 2.6 聚合物的晶态结构
聚合物聚集态结构也称三次结构。它是指在分子间力作用下大分子相互敛集在一起所形成的组织结构。聚合物聚集态结构分为晶态结构和非晶态（无定形）结构两种类型，且有两个不同于低分子物质聚集态的明显特点：
(1) 聚合物晶态总是包含一定量的非晶相；
(2) 聚合物聚集态结构不但与大分子链本身的结构有关，如聚合物一次和二次结构规则，简单的及分子间作用力强的大分子有利于结晶，分子链越长，则结晶越困难；而且还强烈地依赖外界条件，如温度对结晶过程有很大影响，应力也可加速结晶。
也正因为是大分子结构的缘故，带来高分子结晶结构的特征，例如，高分子的结晶是分子的结晶；结晶速度慢和结晶不完整性；晶内存在大量的缺陷；一个大分子可以贯穿若干个晶胞，甚至可从结晶区到非晶区再穿入结晶区等，这就使其晶态结构要比小分子复杂得多。 2.6.1 聚合物的晶体形态
聚合物的晶态多种多样，主要有单晶、片晶、球晶、树枝状晶、孪晶、纤维状晶和串晶等。 1. 高分子单晶
通常只能在特殊条件下得到高分子单晶。例如，从浓度在0.01%以下的极稀溶液中缓慢结晶可以获得具有规则外形的薄片状晶体。在电镜下观察到它们的厚度通常在10 nm左右，大小从几个微米至几十微米，甚至更大。
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2. 高分子球晶
球晶是高分子多晶体的一种主要形式，它可以从浓溶液或熔体冷却结晶时获得。当它的生长不受阻碍时其外形呈球状。其直径通常在0.5至100 μm之间，大的甚至可达cm数量级。较大的球晶（5 μm以上）很容易在光学显微镜下观察到。
球晶生长过程示意图
球晶结构的详细示意图
球晶的光学特征是可以在偏光显微镜下观察到黑十字消光图案（Maltese Cross），有时在消光黑十字上还重叠有一系列同心圆环状消光图案。
球晶的生长过程：成核初始阶段它只是一个多层片晶，然后逐渐向外张开生长，不断分叉生长成捆束状形式，最后形成球状晶体。实际上这还属早期阶段，最后的球晶通常还要大得多。
3. 高分子树枝状晶
当结晶温度较低或溶液浓度较大，或相对分子质量过大时，高分子从溶液析出结晶时不再形成单晶，结晶的过度生长会产生较复杂的结晶形式。这时高分子的扩散成为结晶生长的控制因素，突出的棱角在几何学上将比生长面上邻近的其他点更为有利，能从更大的立体角接受结晶分子，所以在棱角处倾向于在其余晶粒前头向前生长变细变尖，更增加树枝状生长的倾向，最终形成树枝状晶。
4. 高分子串晶
串晶也称Shish-Kabab结构。最早是在高分子溶液边搅拌边结晶中形成。在电子显微镜下观察，串晶貌如串珠，因而得名。这种高分子串晶具有伸直链结构的中心线，中心线周围间隔地生长着折叠链的晶片。搅拌速度越快，高分子在结晶过程中受到的切应力就越大，所形成的串晶中伸直链晶体的比例就越大。晶体的熔点也增高。这种晶体因具有伸直链结构的中心线，所以提供了材料的高强度、抗溶剂和耐腐蚀等优良性能。例如聚乙烯串晶的断裂强度为374.4 MPa，伸长率为22%，弹性模量相当于普通聚乙烯纤维的6倍，达1999.2 MPa。在高速挤出淬火所获得的高分子薄膜中也发现有串晶结构，这种薄膜的模量和透明度提高很大。所以高分子串晶的发现，对了解纤维纺丝和薄膜成型等工艺过程中结构与性能的关系具有实际意义。
5. 伸直链晶体
高分子在高温高压下结晶时，有可能获得由完全伸展的高分子链平行规则排列而成的伸直链片晶，片晶厚度与分子链的长度相当。例如，聚乙烯在温度高于200°C，压力大于405.3 MPa下进行结晶时，就得到伸直链片晶。所得到的片晶熔点为140.1°C，结晶度为97%，密度超过0.99 g/cm3。片晶厚度达103 nm～104 nm，基本上等于伸直了的分子链长度。厚度与相对分子质量分布相当，而且不随热处理条件的变化而变化。所以现在认为伸直链结构是高分子中热力学上最稳定的一种聚集态结构。 2.6.2 聚合物晶态结构的模型
随着人们对高分子晶体的认识的逐渐深入，在实验的基础上提出了各种各样的模型，试图解释观察到的各种实验现象，进而探讨结晶结构与高分子性能之间的关系。
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