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      陶瓷固體的特征2:硅酸鹽結構及其他結構
      2022年05月25日 發布 分類:粉體入門 點擊量:211
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      硅酸鹽結構

      種類繁多、化學組成復雜的硅酸鹽中,原子的排列就其基本結構來說是很簡明且有條理的。同時,很多硅酸鹽結構的細節卻是很復雜的,沒有立體的模型就難以說明。

      硅石 

      結晶態硅石有幾種不同的晶型,它們和所有角都被共用的四面體群的不同組合方式相對應。有3種基本結構石英、鱗石英和方石英,每一個都有兩種或3種變體。低溫型的變體是基本的高溫型經畸變后產生的衍生結構。

      正硅酸鹽 

      這類硅酸鹽包括橄欖石礦物(鎂橄欖右Mg2Si04,及其與 Fe2Si04的固溶體)、石榴石、鋯英石和鋁硅酸鹽(藍晶石、硅線石、紅柱石和莫來石)。鎂橄欖石(Mg2Si04)的結構和金綠寶石(Al2BeO4)的結構是相似的,其氧離子呈近乎六角密堆結構,而Mg2+則處于八面體間隙,硅處于四面體間隙(從配位的角度看,也可以把這個結構看成是 SiO44-形成四面體排列,Mg2+離子在八面體間隙中)。每個氧離子與一個Si4+和3個Mg2+配位或與兩個Si4+配位。

      藍晶石(Al2Si05)的結構由近似立方密堆的氧離子以及在四面體間隙中的Si4+和在八面體間隙中的 Al3+組成。然而,藍晶石的同質多象體紅柱石和硅線石有更為開放的結構,具有 SiO4四面體區 A1O6八面體配位。莫來石 Al6Si2O13是燒土制品的共同組分,其結構和硅線石類似。

      偏硅酸鹽

      含有(Si03)n2n-離子的硅酸鹽有兩種類型:硅氧四面體的環狀或鏈狀排列。有一大類礦物具有鏈狀結構。具有單鏈結構的(Si03)n2n-是輝石類,具有雙鏈結構(Si4011)n6n-的是閃石類。輝石類包括頑輝石、透輝石、鋰輝石和翡翠。閃石類包括透閃石,其中存在大量的同型置換。石棉礦物就屬于閃石類。

      骨架結構

      許多重要的硅酸鹽結構是以無限的三維硅氧骨架為基礎形成的,其中包括長石及沸石。長石的特點是由 Al3+ 取代硅氧骨架中的某些 Si4+從而形成鋁硅酸鹽骨架,由于取代而導致的負電荷由在間隙位置上的大尺寸正離子予以平衡。例如鈉長石 、鈣斜長石、正長石、鋇長石等。這一網絡結構本質上與方石英結構相似,但在間隙位置中填充有堿金屬或堿土金屬離子。只有大的正離子可以形成長石,較小的正離子則因為具有八面體配位而形成鏈狀或層狀硅酸鹽。在沸石和群青中的鋁氧一硅氧骨架更為開放。由于這些化合物中骨架足夠開放,所以在結構中有較大的通道。這些礦物所含堿金屬和堿土金屬離子可在水溶液中被交換,因此它們可用做水的軟化劑。此外,這些通道可以用做分子篩在分子尺度上過濾混合物。網絡中通道的尺寸取決于成分。

      衍生結構

      如果把衍生結構定義為從比較簡單的基本結構中派生出來的結構,那么有許多衍生結構是與硅石結構密切相關的。產生這種結構的一種方式是使基本結構畸變。石英、鱗石英及方石英就是這種情形,它們都具有由對稱性較高的高溫型畸變而成的低溫型。這種畸變是由離子位移引起的。

      其他結構

      陶瓷中其他大多數重要的晶體結構是和上述氧化物結構或各種硅酸鹽的結構密切相關的。我們感興趣的有如下幾種。

      三水鋁礦

      三水鋁礦結構是一種層狀結構。水鎂石的結構與此類似,區別在于后者中所有的八面體間隙都是填滿的。

      石墨 

      石墨具有層狀緒構,其中基面上的碳原子由強的定向共價鍵結合在一起形成六角排列。相形之下,層與層之間的鍵是微弱的范德瓦耳斯力,故這個結構有很強的方向性。氮化硼(BN)具有類似的結構。

       

      碳化物 

      碳化物的結構主要是由碳原子的小尺才決定的。尺寸小的碳原子很容易插人間隙位置,結果大多數過渡金屬的碳化物具有密堆的金屬原子,而碳原子在其間隙位置上。在這些結構中,金屬與碳的鍵合是介乎共價鍵和金屬鍵的中間型。碳和電負性相似的原子所形成的碳化物如SiC則純粹是共價的。SiC 的一種較普通的晶型與纖鋅礦有相似的結構。


      石墨結構

      氮化物 

      氮化物結構與碳化物相似,但金屬一氮鍵與金屬一碳鍵相比,前者金屬鍵的性質較少。


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