세라믹의 결정구조 (3) - 규산염 세라믹

규산염들은 지각에 존재하는 가장 풍부한 원소들인 규소와 산소가 주 성분인 재료이다.

-ex) 흙덩어리, 암석, 점토 및 모래

SiO4(4-) 사면체의 여러가지 배열을 이용해서 표현해보자.

SiO4(4-) 의 형태는 이러하다.

SiO4(4-)

Si원가 각각이 4개의 O원자에 결합되어 있는데 산소원자들은 사면체의 형태를 취하고 있다.

이것이 규산염의 기본단위이기 때문에 이를 음으로 하전된 독립체로 둔다.

특징으로는

1. Si-O원자간 결합들은 상당한 공유결합 특성을 가진다. - 이온성으로 간주 x

2. 방향성이 있고, 결합이 강하다.

3. O원자들이 안정되기 위해 모두 1개씩의 전자를 필요로 하므로 SiO4(4-) 사면체마다 -4전하

이것으로 여러가지 규산염의 구조들이 나타난다.

 

1. 이산화규소

화학적으로 가장 간단한 규산염 재료로 , 화학식은 SiO2(실리카)이다.

각각의 사면체의 모서리 산소 원자들이 인접 사면체들과 공유하므로 전기적으로 중성이다.

이러한 사면체들이 규칙적이고 정렬된 방법으로 배열된다면, 결정구조가 형성되는데, 실리카의 동질이상으로

홍연석, 석영, 인규석이 있다. 그중 홍연석 단위정을 보자.

홍연석 (crystobalite)

 

이 구조들은 비교적 복잡하고 열려있다. 즉 원자들이 서로 조밀하게 충진되어 있지 않다. 결과적으로 실리카들은 낮은 밀도를 가지게 된다. 실리카는 나노결정 고체 혹은 유리로 만들어질 수 있다.

 

2. 규산염 (여러가지)

 

여러가지 규산염 광물에 있어 SiO4(4-) 사면체 모서리의 산소 원자들의 1,2,3 개는 다른 사면체를 만들어 상당히 복잡한 구조들을 형성한다.  Si2O7(6-), Si3O9(6-) 등의 화학식을 가지고 있다. 그중 몇몇은 단사슬구조 또한 가능하다.

양으로 하전된 Ca(2+), Mg(2+), Al(3+) 같은 양이온은 SiO4(4-) 원자단위들의 음전하들을 상쇄 시키고 양이온들은 사면체들과 함께 이온적으로 결합한다.

 

(1) 단순 규산염

 

이러한 규산염 중 구조적으로 가장 간단한 것들은 고립된 사면체를 포함하는데 예를들어 Mg2SiO4는 모든 Mg(2+)이온들이 6개의 산소 최인접 이웃들을 갖는 방법으로 사면체들과 관련된 2개에 상당하는 Mg2+이온들을 갖고 있다.

Mg2SiO4

(2) 적층 규산염

 

2차원적 판지 또는 층상 구조는 사면체 각각의 3개의 산소 이온들을 공유하여 만들어 질수 있는데, 이 구조에서 반복되는 단위식은 (Si2O5)2-으로 대표된다. 이때 이 판지의 비결합 산소원자들에 2차결합으로 적층이 되는 것이다.

이러한 재료들은 적층 규산염이라고 부르며 기본구조는 점토류 광물들의 특징을 갖는다.

점토광물들 중 가장 흔한 형태는 카올리나이트 인데 이는 비교적 간단한 2층 규산염 판지구조를 띈다.

카올리나이트는 Al2(Si2O5)(OH)4 화학식을 가지는데

(Si2O5)2- 내부 규산염 사면체 층이 인접 Al2(OH)4(2+)층에 의해 전기적 중성이 된다. 

층간은 약한 반데르발스 힘에 의해 느슨하게 결합이 되어 있다. 판형은 전형적으로 육각형이다.