硅酸盐晶体从岛状、环状和链状到层状，［SiO4］中的活性氧越来越少。如果［SiO4］中的氧全为桥氧，活性氧个数为零，则晶体就成了架状硅酸盐（tectosilicates或framework silicates）结构。架状硅酸盐晶体中的［SiO4］，其角顶处的氧分别被两个［SiO4］共用，进而向三维空间无限扩展。这种结构中的每个氧皆为惰性氧，且电荷已达平衡，如石英。如要形成架状结构的铝硅酸盐，［SiO4］中的部分Si必须被Al3+或其他离子取代，形成如［AlO4］一样的四面体配位，但这会产生不平衡电荷，通常不平衡电荷较少。这些不平衡电荷由其他阳离子来平衡。架状结构中还有较大空隙，故低电价、大半径和高配位数的离子，如K+、Ca2+等常常进入架状硅酸盐晶体中。架状硅酸盐晶体主要有石英、长石等。

长石（feldspar）主要有钾长石K［AlSi3O8］、钠长石Na［AlSi3O8］、钙长石Ca［Al2Si2O8］等多种种类。这些长石矿物约占地壳总重量的50%，它们是极其重要的造岩矿物。自然界中的钾长石（orthoclase）在CO2、日光和雨水的长期作用下会发生化学风化。风化后的产物就有我们前面介绍的高岭石，其风化的化学反应可简写为

反应生成的K2CO3可被水冲走，所以高岭土中常有石英存在。高岭石继续风化会产生水铝石（Al2O3·nH2O）和蛋白石（SiO2·nH2O）。长石主要用于玻璃、陶瓷工业。它可以降低烧成温度、促进莫来石晶体的形成和长大。陶瓷坯体中有了长石，则可以在较低温度下产生液相。液相可填充坯体中的空隙、增大坯体致密度，进而提高产品机械强度、透光性和介电性能。

石英（quartz）是以SiO2为主要成分的一族矿物的统称。其成分简单，类质同象混入物极少。它是岩浆岩中最重要的一种氧化物。石英的变体有很多，其中石英、鳞石英（tridymite）、方石英（cristobalite）是基本结构。这三种基本结构的转变如图3.36所示。

图3.36　石英的几种晶型转变（引自Kingery，2010）

对化学成分相同而结构不同的变体，矿物学常根据它们形成温度的高低来命名。温度从低到高依次是α、β型。因此α-石英是低温变体、β-石英是高温变体。石英在压力作用下，同样也会引起结构的变化。图3.36仅表示了石英在低压下随温度转变的情形。在低压下，这些石英变体有各自稳定存在的温度范围，如α-石英在低于573℃是稳定的。这里说的稳定是指热力学稳定，并不代表某些类型的石英在其他条件下就不能存在。关于这一点，我们将在后面的相平衡和相变一章做介绍。(www.daowen.com)

α-石英是我们在自然界中常常看到的石英形态，因此在提到石英而又未加特别说明时，通常指α-石英。Willianm bragg等在1925年就用X射线测出了α-石英和β-石英的晶体结构。α-石英属于三方晶系，其空间群为P3121或P3221，晶格常数a=b=4.91Å，c=5.41Å，Z=3，密度ρ=2.65 g/cm3。［SiO4］角顶相连平行于c轴呈线状分布，Si—O—Si键角为143°。α-石英具有压电性，可作石英谐振器。其振荡频率比较稳定，所以把该谐振器用在石英手表上，手表的走时精度比机械表的高。人们利用其对红外、紫外光有良好的透明性作光学材料。石英类矿物是玻璃、陶瓷、水泥等工业的重要原料。以α-石英为主要成分的玛瑙、紫水晶等还是宝石的原料。石英类矿物中的SiO2是半导体Si的重要来源。制备半导体Si的工艺大致如下：

图3.37　石英晶胞示意图

（a）α-石英；（b）β-石英；（c）两种晶胞俯视图

β-石英属于六方晶系，其空间群为P6222或P6422，晶格常数a=b=5.02Å，c=5.48Å，Z=3，密度ρ=2.53 g/cm3。Si—O—Si键角为153°。图3.37为α和β石英晶胞示意图，它们的晶胞俯视图是一样的。α-石英与β-石英的相互转变仅仅是质点在位置上稍有移动、键角有所改变。其中不涉及键的断裂和重建，故称α-石英与β-石英的转变为位移性转变。图3.36中，石英、鳞石英和方石英各自的α与β型转变都是位移性转变。位移性转变迅速且可逆，而石英、鳞石英和方石英间的相互转变涉及键的断裂和重建，而且转变较慢。由于工业生产中的升温、降温速度往往不是非常慢，因此石英、鳞石英和方石英之间在转变时常常形成亚稳态，如β-鳞石英在降温，特别是快速降温时往往形成中间型或α-鳞石英，而不是β-石英。

这里要强调一下α-石英与β-石英的转变，因为普通陶瓷原料常含有α-石英。理论上，陶瓷坯体升温到573℃时，α-石英转变为β-石英。烧成后，降温到该温度时发生相反的过程。因两种石英的密度不同，故它们的转变会引起体积变化即ΔV/V。结合它们在升温时产生的膨胀，α-石英在573℃转变为β-石英时，体积增大0.82%。尽管体积增大很小，但转变很快。如果坯体受热不均匀，有的地方转变了，而其他地方又未转变，在转变与未转变的交界区域就会因体积变化产生拉应力或压应力。若应力超过坯体的承受极限，坯体就会破裂而成废品。因此，为了避免该情况的出现，在500～700℃温度段，人们常采取缓慢升温、降温，而β-石英转变为β-鳞石英时，体积增大16%。但因转变慢，加上温度高，且有液相出现，体积变化产生的应力会得到削弱。故在700℃以上，升温速度可以比在500～700℃区间时大。

此外，α-石英与β-石英在一定的常压下，转变温度是一定的。这在地质上有助于推测它们存在的地质体形成时的温度，因此β-石英也叫地质温度计，若在岩石中有β-石英就能知道岩石的形成温度高于573℃。