矽氧比(Si:O 比)
想一眼看出手上拿的是哪一種矽酸鹽,就去數它的矽與氧原子。矽氧比(silicon-to-oxygen ratio)是一個簡單的記帳數字,捕捉了有多少個四面體的角被共用,而它竟然就決定了整個結構類型。這是矽酸鹽礦物學裡最有用的一個數字:告訴我 Si:O 比,我就能說出那些四面體是孤立的島、是鏈、是層、還是完整的骨架。
跟著橋接氧走。孤立四面體不共用任何角,四個氧全歸自己,比值為 Si:O = 1:4(島狀矽酸鹽)。每個各共用兩個角,四面體便連成單鏈,比值 1:3(鏈狀矽酸鹽)。雙鏈平均共用兩個半的角,得 4:11。共用三個角就得到無限延伸的層,比值 2:5(層狀矽酸鹽)。共用全部四個角時,每個氧都橋接兩個矽,因此每個氧只算給每個矽一半,得 Si:O = 1:2,即架狀矽酸鹽的化學式 SiO2。隨著共用增加,比值從 0.25 穩定爬升到 0.50。
這一個比值把化學連到晶體構造,甚至連到熔體行為:共用的角越多,網路就越聚合、越剛硬,熔點越高,真的熔化時液體也越黏。它還標示出鋁躲在哪裡。當 Al3+ 在骨架中取代 Si4+(如在長石中),骨架便多出一份負電荷,必須由 K+ 或 Na+ 這類大陽離子來平衡,這就是為什麼主宰岩石的是鋁矽酸鹽骨架,而非純 SiO2。
橄欖石(Mg2SiO4)Si:O = 1:4,四面體孤立;頑火輝石(MgSiO3)為 1:3 單鏈;滑石與各種黏土落在 2:5 的層附近;石英(SiO2)為 1:2,每個角都共用。讀化學式,就讀到了構造。
隨著四面體共用越多角,Si:O 比從 1:4 升到 1:2,正好依序走過各個矽酸鹽類別。
當鋁扮演矽的角色時,數氧要小心。在長石中該用的比是 (Si+Al):O = 1:2,因為鋁同樣坐在四面體裡;忽略鋁會讓骨架看起來含氧多到不可能。