文档介绍：五、层状结构
、化学式与类型
层状结构是每个硅氧四面体通过3个桥氧连接,构成向二维方向伸展的六节环状的硅氧层(无限四面体群),见图2-37 。在六节环状的层中,可取出一个矩形单元[Si4O10]4-,于是硅氧层的化学式可写为[Si4O10] n4n-。
图2-37 层状结构硅氧四面体
立体图
投影图
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2-38-1、图2-38-2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2-38-1 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2-38-2 单网层及复网层的构成
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=,b=,c=,=100o;结构属于复网层结构,如图2-39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2-39 滑石的结构
(a)(001)面上的投影
(b)图(a)结构的纵剖面图
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,叶蜡石常用作硼硅质玻璃中引入Al2O3的原料。
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=,b=,c=,=91o36,,=104o48,,=89o54,;晶胞分子数Z=1。
结构如图2-40,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。