α-石英结构

9.2.3　α-石英结构

α-石英属六方晶系，空间群为P6422或P6222;晶胞参数a= 0.496nm，c= 0.545nm;晶胞分子数Z= 3，见图9.10(a)。α-石英在(0001)面上的投影如图9.10(b)所示。结构中每个Si⁴⁺周围有4个O^2－，空间取向是两个在Si⁴⁺上方，两个在其下方。各四面体中的离子排列于高度不同的三层面上，最上一层用粗线表示，其次一层用细线表示，最下方一层以虚线表示。α-石英结构中存在6次螺旋轴，围绕螺旋轴的Si⁴⁺离子，在(001)面上的投影可连接成正六边形，如图9.10(b)和9.10(c)所示。根据螺旋轴的旋转方向不同，α-石英有左形和右形之分，其空间群分别为P6422和P6222。α-石英中Si—O—Si键角为150°。

图9.10　α-石英的晶体结构和在(001)面上的投影

β-石英属三方晶系，空间群P3221或P3121;晶胞参数a= 0.491nm，c=0.540nm;晶胞分子数Z= 3，见图9.11。β-石英是α-石英的低温变体，两者之间通过位移相变实现结构的相互转换，图9.12是两结构中的Si⁴⁺在(001)面上的投影示意图。在β-石英结构中，Si—O—Si键角由α-石英中的150°变为137°，键角变化使得对称要素从α-石英中的6次螺旋轴转变为β-石英中的3次螺旋轴。围绕3次螺旋轴的Si⁴⁺在(001)面上的投影已不再是正六边形，而是复三角形，见图9.12(b)。同α-石英一样，β-石英也有左、右形之分。

图9.11　β-石英的晶体结构示意图

图9.12　β-石英、α-石英中硅氧四面体在(001)面上的投影

结构与性质的关系: SiO₂结构中Si—O键的强度很高，键力强弱在三维空间分布比较均匀，因此SiO₂晶体的熔点高，硬度大，化学稳定性好，无明显解理。