九章 硅酸盐各论.doc

九章 硅酸盐各论分类按结构特点分岛状结构的硅酸盐类群组状结构的硅酸盐类链状结构的硅酸盐类层状结构的硅酸盐类架状结构的硅酸盐类2 分述2.1 岛状硅酸盐亚类2.1.1 概念由SiO44-弧立四面体和Si2O76-硅氧双四面体单独或 两者一起与团外阳离子结合形成的化合物.四面体双四面体2.1.2 化学成分硅氧骨干SiO4,Si2O7均呈弧立的岛状,排列得紧 密(比其它亚类),Si:O =1:4 1:3.5,要求阳 离子半径不能太大.本亚类矿物的阳离子成分,电价高,半径小或中等.2.1.3 化学键和结晶结构本亚类矿物络阴离子团与外阳离子的结合以离子键为 主,具有附加阴离子时,既有离子键,同时还有共价 键或氢键性质.硅氧骨干整体以及氧原子和金属阳离子都具有紧密排 列的特点.2.1.4 形态和物理性质本亚类矿物的形态决定于络阴离子团与团外阳离子的 排列形式以及附加阴离子的存在与否.无附加阴离 子的常成三向等长的粒状;含有附加阴离子时,多成 一向延伸的柱状,针状;MO6等配位多面体与 SiO4 在二维相联时,呈一向延伸与二向延伸的中间型,板 柱状.本亚类矿物的物理性质,决定于阳离子成分,化学键 性质及结晶结构. 阳离子为Mg2+,Al3+,Ca2+等S, P区元素时呈无色;Fe2+,Fe3+, Cr3+,Ti2+,Zr4+ 等d区元素时,呈现各种不同深彩色.本亚类矿物多 为离子键,共价键性质为主,多数矿物透明,玻璃光 泽.多数阳离子电价高,半径小,排列紧密,故硬度 (68)和比重较其它亚类为大.2.1.5 分类橄榄石族石榴石族红柱石族夕线石,莫莱石橄榄石石榴石红柱石2.2 群组状硅酸盐亚类2.2.1 概念群组硅氧骨干SiO3 n2 n- 或双环骨干Si2O5 n2 n- (n=3,4,6)络阴离子团与团外离子相结合形成的 化合物.骨干可分三方环,四方环,六方环和六方双环等三方环四方环六方环2.2.2 化学成分 在络阴离子团中Si:O=1:3-1:2.5硅氧骨干在结 构中均呈岛状弧立存在,且较紧密排列,要求阳 离子半径小,电价高.团外阳离子与硅氧骨干以附加阴离子之间以离子键 结合为主,团内的键有共价键性质.2.2.3 化学键和结晶结构化学键性质与岛状亚类类似,不过离子键性增强.环状硅酸盐亚类矿物中硅氧骨干的环面垂直于Z轴, 沿Z轴累迭.因此,在Z轴方向形成隧道状孔隙,其 中常由大半径阳离子占据.2.2.4 形态和物理性质本亚类矿物多呈柱状,针状等一向延伸者为主.物理性质决定于成分,化学键和结晶结构.本亚类矿物呈玻璃光泽,透明,浅颜色,硬度较高, 解理不明显,有时具有垂直Z轴的裂开.2.2.5 分类绿柱石族 电气石族绿柱石电气石2.3 链状硅酸盐亚类2.3.1 概念本亚类矿物是指由链状硅氧四面体骨干与金属阳离子 相结合形成的化合物,其中包括单链,双链和三链等 硅氧四面体骨干.2.3.2 化学成分单链硅氧骨干中,一般很少或不存在Al取代Si的现象;双 链硅氧骨干中,允许Al取代Si,形成铝硅酸盐.阳离子:除了S,P,d区小半径元素外,S区的低电价, 大半径阳离子Li,Na,K等元素,是某些链状硅酸盐矿物 的重要组成元素.阳离子之间广泛形成类质同象2.3.3 化学键和结晶 结构链状硅氧四面体骨干与骨干外阳离子之间的结合以离子 键为主,双链硅酸盐中必有氢键存在.具有多键性.硅氧 骨干沿Z轴方向延伸,结晶结构简单,但链与链之间,具 有不同类型的孔隙,可以被不同的阳离子(M)充填,构 成不同的MO配位多面体.2.3.4 形态和物性 硅氧骨干的特征决定了晶体的形态为一向延伸,表现为 柱状,针状等特点.光学性质与岛,环亚类相似.但表现明显的解理特征.2.3.5 分类辉石族斜方辉石和单斜辉石两个亚族.角闪石族包括斜方晶系和单斜晶系两个亚族.2.4 层状硅酸盐亚类2.4.1 概念本亚类矿物,由层状硅氧四面体,骨干Si4O10n4n- 及 (OH)-与骨干外阳离子结合形成的矿物.2.4.2 化学成分A 络阴离子团:既有单纯的硅氧骨干层的Si4O10 ,也有部分Si被Al3+,Fe3+等的替代 Si4-XAlXO10n B 附加阴离子:多数为(OH)-,有时还可有F-C 阳离子:主要为S区和P区元素,部分d区元素.D 部分矿物含有层间水,特别是蒙脱石等粘土矿物.2.4.3 化学键和结晶结构硅氧骨干内以共价键性为主,骨干外阳离子与骨干以离子键性为主.结构特点:每个SiO4四面体以三个桥式氧与相邻的硅氧四面 体联接成层状硅氧骨干.每一层状骨干中所有的 桥式氧位于同一平面上,非桥式氧朝该平面的一 边,从而构成四面体结构层.中,小半径的阳离子Mg2+,Fe2+,Fe3+,Al3+ 等,形成二维连续的六次配位的铝氧八面体结构层或镁氧八面体结构层.八面体层与硅氧四面体层联合组成结构单元层,或称复合层.在八面体层中,其八面体内的中心阳离子,有的是二价的Mg2+,Fe2+,有的是三价的Fe3+,Al3+ ,通常按八面体层中八面体的中心阳离子性质和充填数量,将八面体划分为两种类型:其一为三八面体层;具有与氢氧镁石Mg(OH)2结构相同的特点,故又称氢氧镁石层;其二为二八面体层;这种八面体结构层具有与三水铝石Al(OH)3结构相同的特点,所以又称氢氧铝石层.若八面体层中,二价和三价阳离子同时存在,则属于上述两者之间的中间类型.四面体结构层(标记为T)和八面体结构层(标记为O)结构单元层有两种形式:(1) 由一个四面体层与一个八面体层重迭构成的二重层(标 记为TO);(2) 由两个四面体层和一个八面体层构成的三重层,八面体 层夹在两个四面体层之间(标记为TOT).2.4.4 分类按其单元层的形式及联接方式,主要有四种类型:高岭石型滑石叶蜡石型云母型绿泥石型2.4.5 粘土类矿物1 概念粘土: 是黏土矿物的集合体.粘土矿物:是各种颜色,细分散的多种含水的层状硅酸盐 及含水的非晶质硅酸盐矿物的总称.2 粘土矿物的分类1980年国际分类方案为:1:1层型 - 高岭石- 蛇纹石族2:1层型 - 滑石叶腊石族,蒙皂石族,蛭石族, 云母族,脆云母族,绿泥石族及坡缕 石海泡石族.(7个)3 黏土矿物 的基本结构黏土矿物属于层状结构的硅酸盐矿物.4 各种黏土 矿物概述高岭石:化学式为:Ai4Si4O10(OH)8 形态为 六角板状,呈 书本状或蠕虫状结构.高岭石晶格内的置换是很少 的.在差热曲线上表现为500oC-600oC有一个强的 吸热谷,900oC-1000oC有一个大的放热峰, 1200oC也有一个放热峰.埃洛石:化学式: Ai4Si4O10(OH)84H2O 化学组成与高 岭石相同,但比高岭石多含2个分子的水.呈多管 状结构,形态多为管状,也有球状,三角状等.通 过热分析可以看出埃洛石 在100oC以下具失水性, 100oC-400oC有微量失水,430oC-500oC结构水突 然迅速失去.在1650oC-1775oC熔化.在室温下失 去的层间水不可复得.地开石及珍珠陶石:单斜晶系,化学式: Ai4Si4O10(OH)8 具多型性.形态与高岭石基本相同,为六角板状, 或六角柱状或宝塔状.结晶度较高.差热曲线表现 为脱(OH)温度要比高岭石高100oC达700oC左右. 并具复谷性.蒙脱石:结构属 2:1 突出特点为C轴的可变性,脱除层间 水的温度是100oC-300oC ,在差热曲线上表现为1- -2个吸热谷,谷的数目和温度与交换性阳离子有关伊利石:又称水云母.结构属2:1型.属单斜晶系,呈不规 则片状.层间键比白云母弱,比蒙脱石强.由该矿 物组成的黏土,一般可塑性低,干后强度差,干燥 和烧成收缩小,烧结温度低,烧结范围窄.白云母: 结构式为KAl2(AlSi3)O10(OH)2 属单斜晶系. 为六角板状.差热曲线为:100-150oC 550-600oC880oC910oC滑石: Mg3(Si4O10)(OH)2 为2:1型层状结构的硅酸盐 矿物,硬度为1 ,可作为电瓷用料.无可塑性. 叶腊石: Al2Si4O10(OH)2 属2:1型层状结构的硅酸盐矿 物,层间靠范德华力连结.有滑感,具挠性,烧成 收缩小,线膨胀系数不大,适宜于快速烧成.5 黏土矿物的基本性质(1) 可塑性 (2) 膨胀性(3) 稠性 (4) 分散性(5) 凝聚性 (6) 黏性(7) 触变性 (8) 离子交换性6 黏土的形成(1) 风化作用 (4) 有机酸的腐蚀作用(2) 机械侵蚀作用 (5) 蒸汽与热水的作用(3) 化学分解作用 7 黏土的组成与性能化学成分中:含SiO2 46.5% ,Ai2O3 39.5% H2O 14% (1) 黏土的矿物组成黏土中的矿物主要有:黏土质矿物 硅石质矿物矾土质矿物 铁质矿物钙质矿物 镁质矿物碱类矿物 钛质矿物含碳物质(2)黏土的颗粒组成黏土中各种尺寸的百分含量叫颗粒组成.测定颗粒组成的方法:筛分法,沉降法,离心法,显微镜法.2.4.6 层状结构的硅酸盐晶体形态及物理性质形态取决于结构,为片状,板状等两向延展的结晶习性为主,亦有呈柱状晶体者.层状硅酸盐矿物多数为无色或浅色,透明,玻璃光泽,解理面表现出珍珠光泽特点.其颜色受Fe的含量影响.层状硅酸盐矿物的硬度普遍低.不同矿物之间的硬度差 异主要取决于层间的结合力,平行于结构单元层发育 极完全解理.2.4.7 黏土研究方法层状硅酸盐矿物,其结晶颗粒多数都很微小,研究方 法具有特殊的要求,比较有效的研究手段有:(1) 黏土的简易鉴定法(2) 化学分析法(3) 物理分析法:颗粒分析,可塑性实验,泥浆性能测定(4) 矿物组成的测定:包括,热分析法,X-射线研究法, 电子衍射法 ,电子显微镜法,核磁共振吸收法, 紫外吸收光谱法等方法.2.5 架状硅酸盐亚类2.5.1 概念由ZXSiN-XO2NX-络离子团与阳离子结合形成的硅酸盐.2.5.2 化学成分(1)络阴离子团AlXSiNXO2NX-SiO4以四个角顶相联成三维空间无限延伸的骨架,在SiO4中的部分Si4+被Al3+所取代.呈铝硅酸盐.包括:长石族 付长石族 沸石族(2)附加阴离子:出现CO32-,SO42-,Cl-,F-,S2-等附加阴离子.(3)阳离子主要是大半径,低电价的元素.(4) 水在部分架状硅酸盐矿物中含有大量的水.2.5.3 化学键和结晶结构SiO和AlO四面体内的结合为共价键性质为主, 络阴离子团与团外阳离子之间为离子键性质为主.2.5.4 物理性质若不含杂质(微量元素)时,绝大部分架状硅酸盐矿 物,无色,白色或浅色,透明至半透明,玻璃光泽, 比重一般较低,硬度中等(46).2.5.5 分类根据SiO4中Si被Al或其它无素代替与否,划分为硅氧(Si4O8即SiO2)型- 石英族架状(铝)硅酸盐型- 长石族付长石族沸石族以石英族和长石族为例予以讨论:2.5.5.1 石英族1 石英的晶体结构石英具有典型的架状结构, 其SiO4 四面体的连接方 式有如下几种:(1) 石英属六方晶系.结构特征为:C+扭曲(2) -磷石英属六方晶系.结构特点为:P (3) 方石英属立方晶系.对称特点为:C从以上三种结构种可以看出:石英与方石英的转变要比石英与磷石英的转变容易一些2化学组成石英的化学组成主要是:二氧化硅,在其杂质中三氧化二铁为其 主要有害成分.应控制在0.5% 以下.高纯超细石英物(粉)中,二氧化硅含量大于99.9%,粒度 小于1.2微米.通常采用化学制备(用途).3 石英的一般性质.石英的颜色,根据不同的晶型和类别,有多种多样, 平常 用作工业原料的石英呈乳白色或灰色,有玻璃光泽 (断 口为油脂光泽),硬度为7,比重2.31-2.65,无解理.4 同质多象转变按照SiO4四面体连接方式,有三种最基本存在状态:石英 (Quaytz) 870C以下磷石英 (Tridymite) 1470C以下方石英 ( Cristobalite) 1713C以下超过1713C以后,变为熔融态.在自然界中则大部分以石英的形态稳定存在.只有少 部份的以磷石英或方石英的介稳态存在.-石英-石英二战后,又陆续发现或合成了下列各种类型:W石英 1954年,韦斯合成.Q 石英 1959年,罗伊与奥利文合成.C 石英 1953年,科斯合成.K 石英 1953年,基特合成.S 石英 1961年,斯提肖夫和波波娃合成.其中C-石英(柯石英),S-石英(斯石英)属高压变体近年来又合成了下列石英:M-石英(Metamict) N-石英(中子)X-石英(E.F.Osborn)5主要的变体类型:(1) 石英:常表现出六方晶形的透明大晶体.常见的类型有: -石英,常温下是稳定的. -石英,在自然界中找不到天然的. (2) 磷石英:自然界以这种形式存在的石英为数极 少.石英很少直接转化为磷石英.常见的类型有: -磷石英:自然界难找到.稳定范围为:870oC -磷石英:一种过渡形式的磷石英,存在的温度 范围很窄,为:117-163oC - 鳞石英:呈半安定形态,能在常温下长久地 存在.但自然界很少见到.(3) 方石英:石英在1200 0C 以上的温度下常时 间加热时便会转化成 方石英,6 石英,鳞石英与方石英的鉴别方法有1 比重;2 体积变化:3 沉降法:4 双折射率法:5 晶型比较法:6 差热法:7矿产分布规律石英原料赋存层位极其分布范围有如下规律:(1)太古界变质岩系中,有脉石英和伟晶岩石英块体矿床.(2)元古界辽河群含石英岩矿床.(3)下震旦系在华北,东北广泛含有石英岩或石英砂岩矿床.(4)上震旦系石英砂岩矿床主要分布在我国的南方.(5)下寒武系石英砂岩矿床分布于山东,山西一带.(6)泥盆系石英岩和石英砂岩分布于长江流域及西北个别地区(7) 侏罗系的石英原料矿床比较少,仅在个别地区有.(8) 白垩系中的石英原料矿床稀少.(9) 第三系中的石英砂大多未充分胶结.(10)第四系石英砂,含长石石英砂分布于东南沿海及内陆地区8 石英的代替原料代替品:伟晶岩,云英岩,霞石正长岩等岩石.9 矿石成本较低廉.价格取决于矿石加工程度与运输距离.10小结:(1) 石英为架状结构的硅酸盐矿物(2) 石英有三种不同的结晶形态且每一种结晶形态有两 种或三种不同 的变体,变体之间转化有体积效应, 尤以573 C 时破坏性最大.(3) 石英为一瘠性原料,在生产中起着重要作用.(4) 石英原料中尤以脉石英质量最好,(5) 石英可用其它的矿物或岩石代替.2.5.5.2 长石族长石是碱金属和碱土金属的铝硅酸盐矿物.1 长石的分类有四种:钾长石,钠长石,钙长石,钡长石.按其化学组成可分为三个亚族:即:正长石亚族,斜长石亚族,钡长石亚族.正长石亚族: 是钾钠长石系列靠近钾端员的矿物,斜长石亚族: 是由钠长石和钙长石及它们的中间矿 物组成的类质同象系列的总称.生产中常用的长石为:钾长石,微斜长石, 钠长石及斜长石中富 含钠的长石,钙长石 和钡长石一般不能单 独作熔剂使用.2 长石的晶体结构长石结构中的基本单 元是四个四面体相互 共顶形成四联环,组 成曲轴状的链,链与 链之间以侧向桥氧相 连形成三维架状结构透长石钠长石正长石3 长石的物理性质长石的比重为2.56-3.37 , 硬度为6-6.5 , 熔点为 11000C-17150C 颜色由无色-白色-灰白色-浅黄-肉红色.4 长石的化学组成依其种类的不同主要成分为SiO2 Ai2O3 K2O Na2O