離子性百分比(percent ionic character)
化學鍵就是兩個原子共用電子這層「膠水」。在完全離子鍵中,一個原子把電子整個交出去,兩者變成帶電的球體,靠單純的靜電吸引黏在一起(像冰箱上的磁鐵);在完全共價鍵中,兩個原子平均地共用電子,像兩個小孩各拉一條繩子的一端。陶瓷中真實的鍵結都落在這兩個極端之間,而離子性百分比就是一個從 0 到 100 的數字,說明某個鍵在這條光譜上落在哪裡。
鮑林(Pauling)給了一個簡單公式。取兩個原子的電負度(electronegativity,衡量各自把共用電子拉過去的能力)之差,記作 delta-X,則離子性分率 = 1 - exp(-0.25 times (delta-X)^2),再乘 100 就是百分比。以食鹽 NaCl 為例:鈉的電負度約 0.9、氯約 3.0,delta-X = 2.1,代入得 1 - exp(-0.25 times 2.1^2) = 1 - exp(-1.10) = 0.67,約 67% 離子性。碳化矽 SiC 中矽為 1.8、碳為 2.5,delta-X = 0.7,只得約 12% 離子性,故 SiC 幾乎是共價的。
這個數字是判斷陶瓷行為的第一個指標。高度離子性的固體(MgO 約 73%、NaCl 約 67%)傾向形成最密堆積、高配位的結構,並以規則的方式劈裂或溶解;高度共價的固體(SiC、Si3N4、鑽石)則形成開放、具方向性的骨架,極硬且極剛。大多數陶瓷氧化物落在中間:二氧化矽 SiO2 約 51%、氧化鋁 Al2O3 約 63%——這正是為何對它們而言,純離子的硬球模型永遠只是近似。
對氧化鋁,Al(1.5)與 O(3.5)給出 delta-X = 2.0,故 1 - exp(-0.25 times 4) = 1 - exp(-1) = 0.63,約 63% 離子性:一個以離子性為主、但確實帶有共價成分的鍵。
從電負度表直接讀出一個鍵的離子性。
這個公式是估計而非量測:鮑林是用鍵能擬合出來的,不同電負度標度會給出略有差異的數字。請把「67% 離子性」理解成「以離子性為主」,而不是實際轉移電荷的精確分率。