共角連結(角共享)
矽酸鹽結構是靠一個簡單動作反覆堆出來的:兩個相鄰的四面體伸出手,共同抓住同一個氧原子在彼此共用的角上。這就是共角連結(corner-sharing)。想像兩座金字塔只在單一頂點相觸,而不是把整個面黏在一起。這是一種輕巧、開放的連接方式,能讓長鏈、寬層與通透的三維骨架成長,同時仍在其間留下容納其他原子的空間。
位在某個角、同時屬於兩個四面體的氧,稱為橋接氧(bridging oxygen);只屬於單一四面體、轉而與金屬陽離子鍵結的氧,稱為非橋接氧(non-bridging oxygen)。共用一個角,讓兩個矽各自保有完整的氧籠,同時由兩者分攤那個共用原子的代價,這正是為什麼共用的角越多,Si:O 比就越低。關鍵在於:矽酸鹽四面體共用角,卻幾乎從不共用邊或整個面。鮑林規則(Pauling's rules)解釋了原因:共用邊或面會把兩個又小又高電荷的 Si4+ 拉得危險地近,它們之間的靜電排斥會把結構撕裂。
每個四面體共用的角數,零、一、二、三或全部四個,就是決定整套矽酸鹽分類的唯一旋鈕,從孤立的島狀一路到完全連通的架狀。在矽玻璃裡,同一條共角規則搭出一個無序的三維網路;它與結晶石英的差別只在於有沒有長程有序,鍵本身並無不同。因此共角連結是矽酸鹽化學共通的文法,結晶與非晶皆然。
從一個孤立的 (SiO4)4- 島出發,與鄰居共用一個角:兩個共用的矽現在提供七個而非八個氧,得到 Si2O7 雙單元;每多共用一個角就再削去一些氧,直到共用四個角時就到達 SiO2。
每一個共用的角就是一個橋接氧被算一次而非兩次,這就是為什麼聚合度越高、Si:O 比越低。
共用的是角,不是邊或面。若你看到某張矽酸鹽圖把四面體畫成共用邊,那幾乎一定是錯的;共用邊發生在較大、較低電荷的八面體之間,而非 SiO4 四面體之間。