粘土結構和粘土—水系統辯證解析及其教學實施

嚴建華++崔素萍++王志宏++柏曉強++韓策++徐玉茹

摘要：對粘土結構和粘土-水系統性能進行了辯證解析。基于電荷平衡的性質，結合庫侖定律，從科學角度和辯證角度對粘土荷電性質進行了分析。在此基礎上對粘土結構和粘土-水系統相關性質，即粘性、可塑性、懸浮性的辯證內涵進行了分析。對課程教學中引導學生進行辯證思維以幫助學生提高學習效率的教學方法進行了探索。

關鍵詞：粘土結構；荷電性質；粘土-水系統性質；辯證思維；教學方法

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）16-0085-02

粘土是無機材料的重要原料，粘土的結構與性能是無機材料科學基礎的重要內容和重點內容之一，牽涉到無機材料的結構、陶瓷的成型工藝和燒成工藝等。而牽涉成型工藝的粘土泥漿和泥團性質，由于其內涵豐富、牽涉面廣且和生活、工程密切相關，是無機材料課程教學的重點內容和精彩內容之一。如何在學生已有的知識基礎上，通過辯證思索理解其中的理論內涵以及延伸出對理論知識點的理解，是本部分內容教學中值得思考和探索的問題。在這樣的一種考慮下，本文嘗試對《無機材料科學基礎》的粘土結構、泥漿和泥團的課程知識進行一些辯證法解釋，并探討辯證教學在本部分內容的本科教學中實施的必要性和措施。

一、粘土結構和膠團的辯證分析

伊利石結構和蒙脫石結構均屬于二層硅氧四面體中間夾一層鋁氧八面體的復合層結構。復合層中間的鋁離子起到了平衡層狀硅氧網絡陰離子因為斷網而產生的部分負電荷，而尚未平衡的部分負電荷，由氫離子懸掛于硅氧網絡的非橋氧上，形成化學結合水。層狀硅氧網絡陰離子和作為構成硅酸鹽中“鹽”的“堿”組分來源的鋁離子和氫離子一道，構成一個電荷平衡體系，這是伊利石（水云母）類礦物和蒙脫石類礦物的共同特征。蒙脫石類礦物是在該三層復合結構的鋁氧八面體中以低價的鎂離子對鋁離子取代而得到，而伊利石是在該三層復合結構中的表面硅氧層中以鋁離子對硅離子的取代而獲得，這兩種取代產生的層內負電荷，均需要復合層間的陽離子來平衡。但由于二者復合層內負電荷的源頭和復合層表面的距離不同，從而產生了不同的性質。在有了上述結構方面的基礎知識之后，可以借用辯證分析的方法來進一步理解二者在吸水性方面的差異。根據庫侖定律可以得出，伊利石復合層間用于平衡復合層內負電荷的陽離子和復合層內負電荷的吸引力較蒙脫石大。因而，伊利石不容易吸水，蒙脫石容易吸水且產生膨潤的效果。二者的區別可用水分子進入復合層間的動力和阻止水分子進入復合層間的阻力這對矛盾加以分析。就動力而言，通過考察復合層間的情況，可以看出，其一，復合層間有氧離子，和水分子存在氫鍵的作用；其二，復合層間的陽離子容易形成水合陽離子，對水有一定的結合力；其三，復合層間的水分子和復合層面的原子存在范德華力。就阻力而言，復合層間陽離子和復合層內負電荷的作用力有使層間域變窄、將水擠出的作用。對伊利石而言，因為其復合層內負電荷和復合層間陽離子的作用力較大，因而阻力是矛盾的主要方面。而對于蒙脫石而言，水進入復合層間的作用是矛盾的主要方面。而水分子進入層間動力和阻力的矛盾，還可以細分為復合層間陽離子形成水合離子的動力和復合層間陽離子和復合層內負電荷吸引力的矛盾，復合層面上氧離子通過氫鍵結合水的動力和復合層間陽離子和復合層內負電荷吸引力的矛盾，以及復合層面上的原子和水分子的范德華力與復合層間陽離子和復合層內負電荷吸引力的矛盾。對于膨潤土和伊利石的吸水性而言，第一個矛盾是主要矛盾，第二、三個矛盾是次要矛盾。而矛盾不同方面所占據的主導地位不同，導致了吸水能力的差異。

二、粘土-水系統的工程應用實例的辯證分析

粘土-水系統的工程應用和粘土在水中形成膠團有密切關系。當粘土顆粒處于有水的環境中時，復合層間的陽離子將由于和水結合而與層內負電荷距離增大，根據庫侖定律，復合層間陽離子和粘土顆粒吸引力降低。當水分足夠多時，就形成了水合陽離子和帶負電的粘土顆粒所組成的膠團，構成了新的電荷平衡體系。膠團的存在，根據含水量的不同，使粘土泥團具有可塑性、使粘土泥漿具有穩定性。而膠團中負電核心顆粒和外圍水合離子的靜電引力作用，正是粘土-水系統具有粘性的根源所在。首先考慮粘土泥團的可塑性。可塑性的定義為加力可以變形而撤除力后可抵抗重力的作用而形狀得到保持。泥團受力變形的原因為膠團帶來的水膜提供的潤滑作用，而力撤除后形狀得到保持的原因在于粘土泥團的內聚力。水的作用，起著調節矛盾運動過程的重要作用。水少時，粘土顆粒的內聚力大，但此時，水膜比較薄，泥團變形容易開裂。反之，水多時，水膜比較厚，泥團容易變形，水分足夠大時，粘土膠團之間還有自由水存在，不能保持變形后的形狀。對粘土泥團變形后又可抵抗重力作用而保持形狀的這樣一個性質進行矛盾分析，可以看出，既有泥團內聚力和重力之間的矛盾，也有水膜破裂和變形量之間的矛盾。而前者又可以細化為重力和粘土層內負電荷與周圍陽離子之間作用力的矛盾；膠團內部的氫鍵和重力的矛盾以及毛細管力和重力之間的矛盾。考慮粘土泥團基于其層間陽離子而帶來的較大的可塑性，可以分析得出，諸多的矛盾中，粘土層內負電荷與周圍陽離子之間作用力與重力之間的矛盾是主要矛盾。而水在矛盾主次方面的轉化過程中，起到了重要的作用。這里有一個有趣的問題是，當水分含量較少時，可塑泥團的毛細管力和粘土層內負電荷與周圍陽離子之間作用力的作用力，到底哪個對泥團內聚力起更大的作用？而粘土的粘性，到底是毛細管力起主要作用還是靜電引力起重要作用？從辯證的角度來看，目前有的教科書的觀點也尚有可以探討之處。再來考慮粘土泥漿的穩定性，這里就必須涉及到動電電位，當粘土-水系統水較多時，粘土顆粒的膠團在水中分散存在，以帶負電的膠核為中心，周圍吸引陽離子形成電荷平衡體系。由于含水量大，膠團之間有了距離，這就產生了膠團熱運動的可能性，膠團熱運動中，同樣有保持電荷平衡的傾向，但與此同時，膠團外層的電荷由于和膠核負電荷的作用力較小，在膠團運動過程中，就會跟不上膠核的運動速度，因而就構成了一對矛盾。這對矛盾有諸多的轉化條件，譬如溫度、膠核負電荷平衡陽離子的種類。條件的變化導致了矛盾關系的變化，矛盾關系的變化則導致了動電電位的變化乃至反轉。掌握了這種矛盾關系以及其轉化條件，則掌握了由動電電位變化而導致的泥漿性質的變化，如聚沉、懸浮等等。

三、辯證教學的實施

基于建構主義的觀點，學生的知識是在老師的指導和外界的刺激下，由學生自己而不是其他人通過一定的方式不斷構建而成的，學生是學習的主導者，是內因，而老師只是一個輔助者，是外因。學習的成效如何，學生的因素始終是主要因素，這也就可以解釋，為何同樣處于課堂之中，同樣在聽課并且在認真聽課，不同學生對知識的接受速度和理解程度存在很大差異。其本質上反映了學生之間思維能力的差異。實施辯證教學，其本質是幫助學生在學習課本知識的同時，學會從辯證的角度來思考問題。我國的學生有一個優勢，就是通過中學和大學低年級的哲學課程的學習，對唯物辯證法的理論都有一定的掌握，因而在課堂中，只要結合科學知識進行矛盾分析進而進行更為深入的辯證分析，經過一段時間的引導，根據筆者經驗，在辯證思維能力方面均會有較大提高，從而在對知識的深度思考方面取得進步。

當然，辯證的教學其實也存在需要和教學內容和教學課時的適應性問題。辯證思維的開放性盡管可以使內容變得非常豐富，但內容的豐富性其實也帶來相應的復雜性。表現為兩個方面，其一是知識的量以數倍的比例增長，甚至是指數增長，如果追根究底，花費的時間會和有限的課時沖突，其二是也會碰到老師也給不了所謂“正確”答案的難題。這是在教學實踐中需要不斷思考和解決的問題。

參考文獻：

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