鍵結與晶體化學
陽離子(cation)
/ KAT-eye-on /
陽離子是失去一個或多個電子、因而帶正電的原子。在陶瓷中它們幾乎總是金屬原子:鈉變成 Na+、鎂變成 Mg2+、鋁變成 Al3+、矽變成 Si4+,各以右上標的加號與數字表示交出了幾個電子。由於失去電子會使原子縮小(剩下的電子被此時失衡的原子核拉得更緊),陽離子是陶瓷中較小的一方,塞進晶體空隙裡的小彈珠。
在離子模型中,陽離子有兩個重要性質:電荷與大小。電荷決定它把周圍陰離子拉得多緊、貢獻多少鍵強;大小(相對於陰離子)則決定周圍能塞下幾個陰離子,即配位數。像 Si4+ 這種又小又高電荷的陽離子拉力很強,卻小到只容得下四個氧(四面體),而較大的 Ca2+ 能聚攏八個。同一元素甚至可以是好幾種陽離子:鐵可為 Fe2+ 或 Fe3+,兩者間的切換正是肥粒鐵(ferrite)以及許多顏色與缺陷的成因。
選哪個陽離子、以何種電荷態存在,是陶瓷工作者手中的主要槓桿。以少量 Y3+ 取代 Zr4+(異價摻雜)會強迫產生氧空位,使氧化鋯變成燃料電池用的氧離子導體;BaTiO3 中偏心的 Ti4+ 則使它具鐵電性。陽離子通常也是燒結與反應得以進行時必須擴散的原子,因此其大小與電荷也悄悄主宰了加工。
以矽為陽離子:Si4+ 的離子半徑僅約 0.026 nm,相對於氧的約 0.14 nm,半徑比近 0.19,故它坐在氧四面體的中心,這就是每一種矽酸鹽的 SiO4 積木。
一個又小、又帶四正電的陽離子,因其大小被迫採四配位。
「陽離子」並不等同於「金屬」。陽離子是任何帶正電的離子;矽與硼是類金屬,卻在氧化物中以陽離子(Si4+、B3+)行事。定義特徵是失去電子、帶正電,而非它是不是金屬。
另见