【科普】释放负离子的“天选之子”——电气石

  琳琅满目的宝石被人们挂在脖子上，佩戴在手腕上，传言这样做才能够辟邪消灾，排毒养颜，保持健康等等。其他宝石暂且不论，碧玺确实有保持健康的神奇功效。碧玺是电气石的工艺名，天然矿石电气石颜色多样，质地透明，璀璨夺目，古人将其视为宝石佩戴以彰显身份地位；现在的人们依然热衷于佩戴碧玺，则是由于其不可多得的保健功效。

  随着健康理念的深入，各种宣传负离子的广告让人应接不暇。传的神乎其神的负离子并非神秘莫测，树木茂盛的地方就能找到它的身影（如图1）。空气中的中性分子与自由电子结合形成带负的电粒子称之为空气负离子，由于氧气在含量和捕获自由电子的能力上拔得头筹，因此负氧离子就成了空气负离子的“代言人”[1]。负氧离子之所以被人们称为“空气维生素”，是因为它携带的负电可以为老化的细胞和血球电子提供能量，消除自由基，延缓衰老。除了对人体细胞产生积极影响外，负离子还可以与空气中带正电荷的颗粒污染物（如细菌、灰尘等）发生沉聚作用[2]，使其从空气中分离开来，达到净化空气的目的。

  这是因为电气石能自发释放负离子！在电气石形成的电场中，水电离产生的氢离子快速的向负极移动，一部分吸收电子变为氢气；另外一部分氢离子与水分子结合形成活性分子——水合氢离子（H3O+）。这种活性分子具有极强的界面活性，使得电气石具备了吸收杂质，净化水源的“超能力”。而水电离产生的氢氧根离子则与其他的水分子形成H3O2-负离子，也称之为“羟离子”，这便是空气负离子的主要成分了[3]。羟离子（H3O2-）可将人体油脂乳化、浸透、分散、溶化，最终分解；难能可贵的是它具有抗菌、灭菌、除臭等清洁功效。在电气石释放负离子的整一个完整的过程中，主要化学反应方程式为H2O→OH-+H+，2H++ H2O→H3O+/2H++ 2e-→H2↑ ，OH-+ nH2O→( H2O)n( OH-)（如图2）。总反应方程式为: 4H2O + 4e-→2H3O2-+ H2↑。令人叹为惊奇的是，电气石自身具备永久自发电极化能力，并不是特别需要额外的电场来加持。

  都说结构决定性质，物质所具有的性质究其根本是其晶体结构的宏观反映。电气石非中心对称单向极轴的晶体结构造就了它独具特色的性质。电气石是一种以含硼为特征的钠、镁、铁、铝、锂环状结构的硅酸盐矿物，其成分富含挥发组分硼和水[4]。晶体结构属三方晶系，一致认为其基本单元主要是硅氧四面体(SiO4)6的复三方环[5]。有一条极性轴L3在Z轴方向上，无对称中心[6]，这条轴也称之为非中心对称单向极轴。无对称中心说明电气石的晶体结构是不对称的，也就是说Z轴方向上两端的原子排列不是完全相同而是有差异的。当面对变动的外界条件（温度、压力等）时，正负电荷中心就不会发生同等程度的变动。不同程度的位移，导致符号相反、数量相等的电荷在L3方向的两端聚集，致使电气石产生自发极化现象。在结晶学构造上存在着未成键的孤对电子和游离的正离子，正负极性中心不对称、不重合，造就了永久电极性的产生[4]。基于以上的过程，自发极化效应便产生了。

  这些复杂且独特的晶体结构使得电气石具有远红外辐射、自发极化、释放负离子、吸附效应等新特性[6]，广大科研工作者纷纷投入研究，先后将这些特性应用于建筑材料、纺织用品和环境等诸多领域，掀起了新的研究热潮，为提高人类生活品质作出了巨大贡献。

  随着生活水平的日渐提高，人们对健康生活的追求也被放在了首位。生活理念的转变，让许多企业看到了商机，释放负离子的功能涂料被推向市场。功能涂料也有高低优劣之分，普通的负离子涂料是通过添加一些负离子助剂来实现负离子释放的。毫无疑问，这种涂料的功效全仰仗于添加其中的负离子助剂，如果助剂失效或消耗殆尽，这种涂料也就沦为“摆设”而无实质功效了。未解决负离子释放量和释放时间的限制问题，具有永久自发极化能力的电气石被科研工作者视为“最佳选项”。将电气石运用到负离子涂料中，这样制备的涂料无需担心负离子释放的时效问题，且室内负离子浓度更高，杀菌抗菌、净化空气的作用也就更可观[2]。

  电气石周围存在着强电场，对细菌的繁殖有着抑制作用，且电气石自身的远红外线的功能也能起到抗菌的作用[7]。将负离子材料应用于纺织物之中，一样能形成负离子的聚集效应。把这样一件抑菌的衣服穿在身上，怎么不令人心驰神往呢？除了做保健衣物外，床单被套、地毯窗帘都是不错的选择。钟纺公司将经过超细化处理过的电气石作为添加剂，加入到纺丝中，制得了能释放负离子的纤维。纤维接触到空气中的水分、身体的汗水等都会产生负离子继而进入人体[4]，为人体健康保驾护航。并且释放负离子的能力不会受到水洗影响。

  应用于污水处理方面的电气石陶瓷球（如图3），主要依赖的是它的自发电极性和良好的吸附性能。电气石可以有效吸附废水中的Cu2+、Cr6+、As3+、Zn2+、Pb2+、Cd2+等重金属离子。随着粒径的减小，电气石表面产生大量不饱和键，这些不饱和键与水分子配位形成大量羟基。同时，解离形成的氢氧根离子，与被吸引到晶体负极的重金属离子发生络合反应，生成各种沉淀或碱式盐而析出[8]。

  电气石因非中心对称单向极轴而具有永久自发极化的特点，这一特性使其成为释放负离子的“天选之子”。空气中负离子的增加，能调节人体离子平衡、活化细胞、净化空气，为保持人体健康创造优良环境，因而释放负离子的电气石被大众追捧。但碧玺转运辟邪一说，还请各位擦亮眼睛，理性对待。

  [2]林杰赐,陈炳耀,陈明毅.浅谈电气石在负离子涂料中的应用[J].现代涂料与涂装,2020,23(04):30-32.

  [4]文圆,黄惠宁,张国涛,黄辛辰,杨景琪,戴永刚.电气石性能与应用研究发展[J].陶瓷,2019(02):17-24.

  [6]韩炜. 超细纳米化电气石的性质研究及其应用意义[D].中国地质大学,2004.

  [7]赵明,夏昌奎,彭西洋,等.释放负离子功能材料的研究进展[J].陶瓷,011(8)：44-47.

  [8]赵群,陈利军,石伟,王冠平. 电气石在污水处理领域的应用[C]//.中国环境科学学会2021年科学技术年会——环境工程技术创新与应用分会场论文集（一）.,2021:217-219+222.