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陶瓷固体的特征2:硅酸盐结构及其他结构
2022年05月25日 发布 分类:粉体入门 点击量:130
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硅酸盐结构

种类繁多、化学组成复杂的硅酸盐中,原子的排列就其基本结构来说是很简明且有条理的。同时,很多硅酸盐结构的细节却是很复杂的,没有立体的模型就难以说明。

硅石 

结晶态硅石有几种不同的晶型,它们和所有角都被共用的四面体群的不同组合方式相对应。有3种基本结构石英、鳞石英和方石英,每一个都有两种或3种变体。低温型的变体是基本的高温型经畸变后产生的衍生结构。

正硅酸盐 

这类硅酸盐包括橄榄石矿物(镁橄榄右Mg2Si04,及其与 Fe2Si04的固溶体)、石榴石、锆英石和铝硅酸盐(蓝晶石、硅线石、红柱石和莫来石)。镁橄榄石(Mg2Si04)的结构和金绿宝石(Al2BeO4)的结构是相似的,其氧离子呈近乎六角密堆结构,而Mg2+则处于八面体间隙,硅处于四面体间隙(从配位的角度看,也可以把这个结构看成是 SiO44-形成四面体排列,Mg2+离子在八面体间隙中)。每个氧离子与一个Si4+和3个Mg2+配位或与两个Si4+配位。

蓝晶石(Al2Si05)的结构由近似立方密堆的氧离子以及在四面体间隙中的Si4+和在八面体间隙中的 Al3+组成。然而,蓝晶石的同质多象体红柱石和硅线石有更为开放的结构,具有 SiO4四面体区 A1O6八面体配位。莫来石 Al6Si2O13是烧土制品的共同组分,其结构和硅线石类似。

偏硅酸盐

含有(Si03)n2n-离子的硅酸盐有两种类型:硅氧四面体的环状或链状排列。有一大类矿物具有链状结构。具有单链结构的(Si03)n2n-是辉石类,具有双链结构(Si4011)n6n-的是闪石类。辉石类包括顽辉石、透辉石、锂辉石和翡翠。闪石类包括透闪石,其中存在大量的同型置换。石棉矿物就属于闪石类。

骨架结构

许多重要的硅酸盐结构是以无限的三维硅氧骨架为基础形成的,其中包括长石及沸石。长石的特点是由 Al3+ 取代硅氧骨架中的某些 Si4+从而形成铝硅酸盐骨架,由于取代而导致的负电荷由在间隙位置上的大尺寸正离子予以平衡。例如钠长石 、钙斜长石、正长石、钡长石等。这一网络结构本质上与方石英结构相似,但在间隙位置中填充有碱金属或碱土金属离子。只有大的正离子可以形成长石,较小的正离子则因为具有八面体配位而形成链状或层状硅酸盐。在沸石和群青中的铝氧一硅氧骨架更为开放。由于这些化合物中骨架足够开放,所以在结构中有较大的通道。这些矿物所含碱金属和碱土金属离子可在水溶液中被交换,因此它们可用做水的软化剂。此外,这些通道可以用做分子筛在分子尺度上过滤混合物。网络中通道的尺寸取决于成分。

衍生结构

如果把衍生结构定义为从比较简单的基本结构中派生出来的结构,那么有许多衍生结构是与硅石结构密切相关的。产生这种结构的一种方式是使基本结构畸变。石英、鳞石英及方石英就是这种情形,它们都具有由对称性较高的高温型畸变而成的低温型。这种畸变是由离子位移引起的。

其他结构

陶瓷中其他大多数重要的晶体结构是和上述氧化物结构或各种硅酸盐的结构密切相关的。我们感兴趣的有如下几种。

三水铝矿

三水铝矿结构是一种层状结构。水镁石的结构与此类似,区别在于后者中所有的八面体间隙都是填满的。

石墨 

石墨具有层状绪构,其中基面上的碳原子由强的定向共价键结合在一起形成六角排列。相形之下,层与层之间的键是微弱的范德瓦耳斯力,故这个结构有很强的方向性。氮化硼(BN)具有类似的结构。

 

碳化物 

碳化物的结构主要是由碳原子的小尺才决定的。尺寸小的碳原子很容易插人间隙位置,结果大多数过渡金属的碳化物具有密堆的金属原子,而碳原子在其间隙位置上。在这些结构中,金属与碳的键合是介乎共价键和金属键的中间型。碳和电负性相似的原子所形成的碳化物如SiC则纯粹是共价的。SiC 的一种较普通的晶型与纤锌矿有相似的结构。


石墨结构

氮化物 

氮化物结构与碳化物相似,但金属一氮键与金属一碳键相比,前者金属键的性质较少。


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