（20240714）材料科学基础（2）晶体结构
一、晶体
左侧CSH水化硅酸钙，右侧板状托贝莫来石
固体物质 是由离子、原子或分子等基本粒子以特定的空间排列方式组织而成的物质，在其内部质点分布上表现出明显的周期性和对称性特征；因此这些固体物质通常呈现出规则而有序的外形特征。
- 晶格结构：在晶体结构中作为质心的离子、原子和分子的位置通过连接形成的空间格架即为晶格结构，并简称为晶格
3.晶胞 ：是从晶体结构中取出来反应晶体周期性和对称性的（最小）重复单元。
3.晶面 ：将晶体沿任何方向切割出的某一平面，该面的法向轴成为晶向。
二、晶体中的结合力
晶体中的原子通过相互作用形成键合结构，这得益于它们之间存在的结合力和结合能
按照结合力性质的不同，分为
（1）强键力（主价键或化学键）如：离子键、共价键、 金属键
（2）弱键力（次价键或物理键）如：范德华键和氢键
2.硅酸盐晶体中主要的结合力是离子键和共价键。
具体来说，硅酸盐晶体的结合力特点可以归纳如下：
- 离子键 ：在硅酸盐晶体中金属阳离子（如Ca²⁺、Mg²⁺等）与氧离子（O²⁻）之间形成了很强的离子键。这些特殊的化学结合从而使得该类晶体展现出较高的熔点和硬度特征。
- 共价键 ：硅原子与氧原子之间通过共享电子对形成了共价键 ，构建出Si-O四面体结构（SiO4）。这种基本单元的存在对于整个硅酸盐晶体的性能起着决定性影响。
此外，在硅酸盐晶体中存在高度复杂的构型体系。其分类依据主要集中在硅氧四面体间的连接模式以及它们的空间分布情况上。具体包括岛状构型、集团式构型、链式构型、层式构型以及网状构型等多个类别。这些不同类型的硅酸盐晶体在物理特性和化学行为上存在显著差异，并且在特定领域的应用也各有特点。
三、无机化合物结构
正负离子半径比（r_{+}/r_{-}）定义为属于晶体结构中正离子半径（r_{+}）与负离子半径（r_{-}）的比例，并且这一比例对于解析离解度和电导率等性质具有重要意义
2.AX型结构 ：其键性主要是离子键，NaCl是典型的离子晶体
3.AX2型结构 ：
TiO2除了金红石型结构外，还有板钛矿和锐钛矿两种变体
4.A2X3型结构 ：
A₂X₃型化合物呈现出较为复杂的晶体结构特征，在其显著的晶体复杂性特征中具有较为显著的一类典型结构——刚玉系列构象（包括Al₂O₃、Fe₂O₃、Ti₂O₃等）。
5.ABO3型结构 ：
CaTiO3基质是一种典型的天然无机化合物，在理想状态下其晶体结构属于立方晶系。
6.鲍林规则 ：
大多数氧化物晶体和硅酸盐晶体通常包含一定比例的离子键，在某种程度上可以通过鲍林规则来评估其晶格结构的稳定性和可靠性
四、硅酸盐晶体结构（待补充）
硅、铝和氧是地球岩石圈中最常见的三种元素，在地壳中的质量百分含量分别为26.0%、7.45%和49.13%。地球岩石圈的主要矿物类型包括二氧化硅及其二铝酸盐。
SiO_2 和 SiAl_2O_4
在硅酸盐晶体化学式中，当Si/O比例发生变化时 ，其基本结构单元中的SiO4四面体结合方式也随之发生变化 。进而实现对晶体结构的分类。采用X射线衍射分析方法后发现，在晶体中存在五种不同的结合模式：
岛状结构、组群状结构、链状结构、层状结构、架状结构
- 岛状 结构中，在SiO_4四面体之间没有形成任何联系。
- 组群状 结构体系内由SiO_4组成的小单元之间有多种配位方式可以选择：单个配位键存在于双链型单元里；三连配位存在于三联配位型单元里；而六联配位型单元则包含两个独立的三连配位小单元。
- 在某些特定条件下这些配位键之间的相对位置会发生变化从而导致不同的晶体类型。
- 在这个研究领域我们通常采用X射线衍射分析法来确定晶体的具体形态以及各原子之间的结合关系。
总结：水化硅酸钙的晶体结构
一、水化硅酸钙的基本信息
水合硅酸钙是一种硅酸钙的水合物，在化学上通常写作Ca₅Si₆O₁₆(OH)·4H₂O；除此之外还存在其他形式如CaSiO₃·H₂O等；这种差异主要由物质的具体形态及所处环境决定。此物质于1880年首次在苏格兰马尔岛被发现
二、水化硅酸钙的晶体特性
水化硅酸钙呈现多样性晶体形态，在直方晶和针晶等典型结构下这些形态主要由温度、浓度及溶液环境等多种因素所决定。
水化硅酸钙的结晶过程是指其分子层层堆积最终形成晶体的过程这一过程所需时间长短会因浓度等因素而有所不同。
三、水化硅酸钙的非晶体特性
需要注意的是，在特定条件下（如具备形成晶体结构的能力），水化硅酸钙确实可以实现晶体结构的形成；然而，在某些情况下（如存在于水泥浆体及其类似物质中），其状态倾向于保持无定型的胶体状。值得注意的是，在这种复杂环境中（如水泥浆体等混合体系），水化硅酸钙的结晶程度极为有限；即便经过长时间浸泡或搅拌处理，其结晶度仍然难以显著提升。
