鍵結與晶體化學

離子模型(ionic model)

離子模型是描述陶瓷晶體最簡單而好用的漫畫:把它想成由堅硬、帶電的彈珠堆成。每個原子都放出或搶得電子而變成離子,一顆小的正彈珠(陽離子)或一顆較大的負彈珠(陰離子),晶體不過是這些彈珠堆疊到正負相觸,靠尋常的靜電吸引維繫,又因彈珠不可壓縮而不致塌陷。沒有共用電子、沒有方向,只有電荷與大小。

兩個念頭就能撐起全部。其一,異性相吸、同性相斥,於是離子排列成讓每個陽離子周圍圍著盡量多的陰離子(反之亦然),同時讓同性離子彼此遠離。其二,每個離子有固定半徑,故幾何決定實際塞得下幾個鄰居。兩者合起來,模型就能預測整個結構:在 MgO 中每個 Mg2+ 與六個 O2- 相觸排成八面體,形成岩鹽結構,而晶體的結合能只憑電荷與間距就能估出。

離子模型以其簡單而言好得驚人:它解釋了為何氧化物又硬、熔點又高、又是透明的電絕緣體,也是鮑林規則與半徑比概念的基礎。但它是一個刻意的虛構。沒有任何鍵是 100% 離子的;即便離子性的 MgO 也有些電子共用,而對共價成分很大的矽酸鹽與氮化物,純帶電球模型開始失效,必須加入方向性鍵結才能得到正確結構。

用模型之眼看岩鹽:把 Na+(半徑約 0.10 nm)與 Cl-(約 0.18 nm)當作電荷 +1 與 -1 的相觸球體,堆到每顆都被六顆異性離子包圍,你就重現了食鹽的立方晶體、其劈裂面,乃至大致的熔點,全程沒有一個共用電子。

只用帶電、不可壓縮的球,就重建了整個晶體。

把離子當成半徑固定的球,是雙重近似:真實離子略可壓縮(可極化),且其大小隨電荷與配位而變。此模型是起點,而非最終真相。

又称
hard-sphere ionic modelcharged-sphere model硬球離子模型