硅酸鹽結構及其性能的辯證分析及其教學實施

嚴建華+柏曉強+崔素萍+周愛琳

摘要：從矛盾關系的角度對硅酸鹽結構的辯證內涵進行了分析，并簡介了在此基礎上的教學實踐。元素周期律的對立統一關系決定了二氧化硅結構的特殊性以及硅酸鹽相對于其他含氧酸鹽所展示的結構復雜性和豐富性。硅酸鹽結構中網絡陰離子和網絡間陽離子的作用體現了破與立的矛盾關系。在含三氧化二鋁的硅酸鹽結構中，堿金屬的存在對氧化鋁在硅酸鹽結構中對網絡的破壞和修補的作用產生影響。在教學中培養學生對專業問題的辯證思考，對提高其創新思維的能力具有意義。

關鍵詞：硅酸鹽結構；辯證內涵；教學實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）32-0159-02

作為典型的無機材料，硅酸鹽物質在材料領域占有重要的地位，以玻璃、陶瓷、水泥為產品形態，其物質的結構、制造的工藝及性能等長期以來是無機材料科學的重要內容。地球環境硅和氧豐富的蘊藏量首先是硅酸鹽在我們生活中大量存在的物質基礎。從地球起源于一個大火球的理論推演，依據表面張力的作用，火球形狀的地球可以推測有很多的硅酸鹽熔體，地球表面的冷卻，水的產生使地球表面風化和轉化，形成了豐富多彩的物質結構和物質形態，給予了人類豐厚的饋贈。各種結構的硅酸鹽，在人類發展不同時期和現代社會發揮重要的作用，而對硅酸鹽結構的研究和理解，則構成了硅酸鹽科學的內容，為控制和調節材料的性能起著重要的指導作用。從辯證法的角度來考慮，硅酸鹽的結構作為一個事物，其中也包含有矛盾和矛盾運動，而對其矛盾關系的揭示，對硅酸鹽結構的認識的深入，具有重要的意義。就大學本科教育而言，筆者在多年的專業基礎課的教學中也發現，辯證法的適當利用，對于促進學生對知識的理解有很大的幫助，因而，本論文中將對硅酸鹽結構的若干辯證法問題進行研究，并就教學中辯證法的應用提出一些看法。供各位同行批評。

一、基于元素周期律矛盾關系決定了硅酸鹽結構的豐富性

硅酸鹽作為含氧酸鹽，和硫的含氧酸鹽和氮的含氧酸鹽相比，最顯著的區別是其“酸根”的豐富性，盡管硫的含氧酸鹽有硫酸鹽、亞硫酸鹽以及含氮的含氧酸鹽有硝酸鹽、亞硝酸鹽，但和硅酸鹽相比，其豐富程度是相形見絀的。因為硅酸鹽的“酸根”是[SinOm]4n-2m，可以有很多變化。其原因在于硅氧鍵的特殊性質。從元素周期表來看，硅原子的特殊性在于其處于第三周期第四主族，二氧化硅中硅和氧結合的化學鍵的性質為共價鍵和離子鍵的過渡鍵，配位數為4。化學鍵的特殊性賦予了硅的酸酐與同一主族元素碳的酸酐的不同性質，二氧化碳為氣體，可以以單個分子的形式存在，而二氧化硅為固體，是離子的堆積體，在其中找不到二氧化硅的分子。酸酐的結構差異，也導致了各自含氧酸鹽的結構和性質的差異，硅酸鹽因為網絡特性的結構而具有豐富性。就鹽的概念來看，硅酸鹽的氧硅比是可變的，共價鍵和離子鍵過渡鍵的性質決定了硅酸鹽的“酸根”為網絡結構，四面體為其基本單元，最簡單的為單個四面體和金屬離子構成島狀的結構，氧硅比為4，如鎂橄欖石結構，而隨氧硅比的降低直到氧硅比為2，經過了組群狀結構、鏈狀結構、層狀結構和架狀結構的演變，分別有藍寶石、透輝石、粘土、沸石等礦物。如果說，就硅酸鹽晶體而言，由于其原子（離子）排列周期性等的規則性因素、如鮑林規則等的限制，在氧硅比方面有所限制，盡管考慮固溶體等因素氧硅比也可以在一定的范圍內變化。那么對于硅酸鹽玻璃而言，由于其無規則的性質，只要排除因氧硅比太大而難以形成玻璃或某些離子因為電場強度較大而容易在它的氧化物和氧化硅所構成的熔體中產生穩定分相，硅酸鹽玻璃的組成是可以連續變化的，這就使硅酸鹽玻璃作為一種特殊的“鹽”具有組成的多樣性和豐富性。而三氧化二鋁，三氧化二硼根據非橋氧存在與否所起的不同作用，則為硅酸鹽的結構和組成的豐富性提供了更大的擴展空間。當然，由于玻璃組成的復雜性、可變性、連續性而導致的多組分玻璃-如逆性玻璃等“復鹽”的存在，則使玻璃的結構和組成提供了更為豐富的信息。但凡此種種，均起源于硅在元素周期表中的位置，它和氧構成的網絡性質，是硅酸鹽的結構和組成豐富性的根本原因所在，體現了元素周期律的辯證法性質。

二、破與立的對立統一提供了硅酸鹽結構變化的線索

從破和立的角度考察，硅酸鹽中的鋁是一個非常有趣的例子，由于鋁原子在元素周期表中的特殊位置，具有兩面性，既能作為網絡外體離子使網絡產生非橋氧因而產生斷網作用，也能夠通過吸收網絡斷裂形成的非橋氧而形成鋁氧四面體的結構而產生補網作用。包含鋁離子的三氧化二鋁的中間體氧化物（或稱之為兩性氧化物）的這樣一種性質，在玻璃結構理論中得到了很系統的解釋，而在硅酸鹽晶體中，并沒有刻意強調。但事實上，鋁在硅氧酸鹽晶體中，根據晶體的不同，也可分別處于鋁氧四面體和鋁氧八面體之間。如沸石、長石中的鋁，以取代硅居于鋁氧四面體為主。而粘土中的鋁，則處于鋁氧八面體中。這里可以思考的是，礦物形成的環境中的堿度，是不是也和硅酸鹽中的鋁的氧配位數有某種程度的聯系。因而，Al3+處于氧離子八面體配位或氧離子四面體配位這對矛盾，體現了鋁離子對網絡的破和立的關系。環境的酸堿性是矛盾關系轉化的條件。從破和立的角度來考察玻璃的結構和性質的關系，也具有重要的意義。不同的金屬氧化物體現了不同的特性。以氧化鈉和氧化鈣為例，氧化鈉中由于鈉離子和氧離子的結合力較弱，其開始破壞硅酸鹽網絡的溫度較氧化鈣較高，因而，在較低溫度下，氧化鈉較氧化鈣較具有更大的降低玻璃粘度的作用。但在高溫條件下，鈣離子反而較鈉離子具有更大的降低粘度的作用，因為其通過靜電引力，更容易使高溫狀態下脆弱的網絡斷裂。而在低溫時，當網絡內部結合力較強時，鈣離子又通過和網絡陰離子較強的靜電引力而增加玻璃的粘度，從而使其在玻璃的熔制過程中體現能夠使料性變短的性質。在這里體現了鈣離子在不同條件下對熔體體系“破”和“立”的對立統一，宏觀上體現為熔體粘度的變化，而溫度的變化，則為這對矛盾關系的主次方面的角色轉化提供了條件。和以上的分析類似，還可以在硅酸鹽結構的形成和轉變過程中，找到多方面類似的關系。

三、硅酸鹽結構辯證法的對學生思維培養的意義及其教學實施

盡管無機材料作為一門傳統的科學，很多的知識在經歷了數十年科技工作者艱苦的努力后，已經形成較為完備的體系。但筆者在多年的教學經歷中，也感覺到了辯證法對于指導該門課程教學的意義。誠然，在現有的科學體系中，老一代的專家們對無機材料知識的辯證關系有很多的論述。但如何在教學中挖掘和靈活地發揮，還有很多工作可做。

硅酸鹽結構是無機材料科學重要的基礎內容，具有內容抽象和復雜的特點。如何使其通俗易懂是在教學中值得考慮的問題，筆者在教學中較多利用了辯證法，引入成對概念的方法，以基礎概念如元素周期律為起點，以矛盾關系為媒介，引導學生推理并引出新知識點，然后通過成對概念的矛盾關系推理新的概念和知識，事實證明，取得了較好的教學效果。當然，這樣的教學方式，對于老師是巨大的挑戰，因為推理的線索在某些節點必然延伸到老師的知識范圍之外。但此種情況恰是組織學生討論，教學相長的機會所在。事實上，筆者感到，由辯證思維而引發的師生互相啟發，對教學質量的提高具有至關重要的作用。

參考文獻：

[1]陸佩文.無機材料科學基礎[M].武漢理工大學出版社，2011.

[2]鄧曉輝，孫繼軍，王雙梅，等.馬克思主義基本原理概論[M].經濟科學出版社，2014.