天然硅酸鹽的結構
銅臭 / 2022-07-29
硅酸鹽在自然界中分布極廣，前巳提及，地殼主要是由硅石和各種硅酸鹽所構成的，長石、云母、粘土、石棉、滑石和許多其他礦 物皆屬于天然的硅酸鹽。很多的巖石，如花剛巖、 片磨巖、玄武巖和各種頁巖等皆含有硅酸鹽。為了更清楚地表示這些復雜鹽類的組成，可將它們看作是酸性二氧化硅和堿性金屬氧化物的化合物，正如CaCO?可認為是CaO和CO?的化合物而將共表示為CaO·CO?,又如Al?(SO?)?可表示為Al?O?·3SO?等等。根據這種表示方法，現在列出幾種天然的硅酸鹽的組成。
透輝石，CaO·MgO·2SiO?或CaMg(SiO?)?
正長石，K?O·Al?O?·6SiO?或K?Al?Si?O??
鈉長石，Na?O·Al?O?·6SiO?或Na?Al?Si?O??
白云母，K?O·3Al?O·?6SiO?·2H?O 或H?K?Al?Si?O??
綠柱石，3BeO·Al?O?·6SiO?或Be?Al?Si?O??
石棉，CaO·3MgO·4SiO?或CaMg?Si?O??
所有天然硅酸鹽晶體的基本秸構單位是SiO?四面體。不論與 之同在的是哪種離子，這個基本單位的結構是保持不變的，Si-O的鍵長總是1.62Å,而相鄰近的氧原子之間的距離總是2.7Å,這個SiO?四面體可用以下方式表示。
式(a)表示Si與排列在四面體頂端的四個氧相連接。式(b)和(c)表示從上俯視四面體的圖形，中心的硅以黑點代表，四面體通過氧的共享而速接起來。根據四面體的不同排列，可得以下幾類 秸構的硅酸鹽: (1) 有單個陰離子的硅酸鹽，即這類鹽的陰離子是由單硅酸根離子SiO???、雙硅酸根離子Si?O???、三硅酸根離子Si?O???等有限數目的四面體所逃接起來的陰離子所粗成的; (2)有鏈式或片式陰離子的硅酸鹽，即在這類鹽內，四面體秸為不定長 度的鏈(SiO???, Si?O????)或不定大小的片(Si?O???); (3)有三向網格的精構，在這類晶體內四面體在三向皆完全互相接連起來(SiO?)。
1.單個陰離子
在正硅酸鹽內，有單個SiO?四面體存在，每個四面體不與鄰近的其他四面體共用氧原子而相連接。雖然如此，在晶體內四面體的氧原子皆配位在陽離子周圍，而且由于這種配位的方式不同而有不同秸構的正硅酸鹽。這類的硅酸鹽中有橄欖石9Mg?SiO?。
Fe?SiO?及其同類的礦石如硅鈹石Be?SiO?、硅鋅石Zn?SIO?、鉆石ZrSiO?。圖14-4表示橄境石的晶格單位，由圖可見， 每個二價金屬離子(圖中心)有六個氧原子排列在周圍成八面體形，每個氧原 子與個硅相述接， 而配位于三個鎂原子間。橄欖石的同類硅酸鹽皆有相似的結構。
SiO?四面體共用氧原子而秸成較復雜的陰離子，其中以由兩個四面體速接起來而形成的雙硅酸根離子Si?O???為最簡單(圖14-5),這是鈧硅石Sc?Si?O?的特征秸構單位。三偏硅酸根Si?O???和六偏硅酸根Si?O??¹²?離子皆為四面體的環(huán)狀秸構，如圖14-6所示。Si?O???根離子是藍錐礦BaTiSi?O?的特征秸構單位，而Si?O??¹²?根離子是緣柱石Be?Al?Si?O??的特征秸構單位，在這兩種硅酸鹽的晶體內，四面體的環(huán)皆排列在平面內，平面與平面之間為金屬離子。
2.鏈式或片式陰離子
SiO?四面體連接成單鏈(圖14-7)，其成分為(SiO?)n²??，是輝石類硅酸鹽的特征結構。例如頑輝石MgSiO?、透輝石CaMg(SiO?)?、硬玉NaAl(SiO?)?和鋰輝石LiAl(SiO?)?皆有這種結構的長鏈。
金屬陽離子在鏈與鏈之間起聯絡作用。四面體連接成雙鏈(圖14-8)，成分為(Si?O??)n???，是閃石類硅酸鹽的特征結構。例如，透閃石(HO)?Ca?Mg?(Si?O??)?和鈉閃石Na?Fe??Fe??? (Si?O??)OH皆有這樣的雙鏈。鏈與鏈之間也有金屬陽離子起聯絡作用。值得指出的是這類硅酸鹽的纖維性質和這些纖維的易于撕開皆反映它們內部的鏈的結構。石棉是閃石類，與纖蛇敉石(HO)?Mg?(Si?O??)·H?O的結構相類似。
鏈的互相交聯(圖14-9)產生片結構。每個SiO?四面體的三個氧皆與其他四面體共享。陽離子存在于層與層之間，它們的靜電力使層與層相聯系。不過層與層之間的聯系力遠小于每層之內的結合力。因此這類礦石很易裂為薄片。云母和土壤礦石皆有這樣的結構。
3.架式結構
每個SiO?四面體的氧皆與其他四面體共享時則得架式秸構。三種不同形的硅石都具有這種結構，在其中每個硅原子皆與四個氧原子相連接，而每個氧原子則為兩個硅所共享，故硅石的整個組成是SiO2,它的一粒晶體就是一個巨大的分子。
占火成巖約三分之二的長石也是架式結構，不過所有的四面體中心不完全是硅原子，而有四分之一一以上為鋁原子所代替。鋁離子比硅離子少一個陽電荷，故SiO?晶體里的硅-氧四面體不帶電荷，而鋁氧四面體則帶陰電荷，其組成是AlO??。因此，長石的晶格內有陽離子存在。由于陽離子的不同而有鉀長石、鈉長石、鋇長石、鈣長石等的區(qū)別。因為陽離子的大小不同，這些長石的對稱性略有不同，但一般的結構則仍一致。
沸石和長石相同，含有組成為(Si, Al)nO?n的架式結構。不過沸石秸構的孔隙比長石大得多。沸石的一個特性是容易吸水和脫水并進行離子交換。將它浸在溶液里，原來在孔隙中的陽離子可以與溶液里其他陽離子相交換。用軟化硬水的軟水砂就是含鈉的沸石。在硬水中軟水砂將水里的鈣離子吸入，而將自己孔腔里的鈉離子放出。硬水中的鈣離子換為鈉離子，就變?yōu)檐浰?。舊的軟水砂用食鹽水處理，其中的鈣離子即被鈉離子所置換，就可重新使用。佛石的另一特性是每種沸石有大小一致的孔隙。因此，它 只能吸附按共直徑能進這些一定 大小孔隙的分子。例如，菱沸石， (Ca, Na?)(AI, Si?)?O??·6H?O,在充分脫水后，很快地吸附氬(直徑3.84A)和甲烷(直徑4.25Å)，吸附丙烷(4.9Å)和正丁烷較慢,對于異丁烷(5.6Å)則不吸附。各種沸石可使混合在一起不同大小的分子分離，故有“分子篩”之稱?，F在很多軟水砂和分子篩是用人造沸石。制做人造沸石最常用的原料是鋁酸的鈉鹽和硅酸鹽溶液。兩者相作用產生鋁硅酸鹽凝膠，加以適當處理即得人造沸石。
所有的玻璃、陶瓷和水泥工業(yè)皆建立在硅酸鹽化學之上，冶金工業(yè)也與硅酸鹽有密切關系，這是不僅因為許多礦石本身是硅酸鹽，而且也因為在所有的煉爐渣內皆有硅酸鹽，故在硅的化合物中以硅酸鹽為最重要。
.jpg)
閩ICP備15011996號-4
|
閩公網安備35040002000218號
|