硅酸鹽結(jié)構(gòu)及其性能的辯證分析及其教學(xué)實施

嚴(yán)建華+柏曉強+崔素萍+周愛琳

摘要：從矛盾關(guān)系的角度對硅酸鹽結(jié)構(gòu)的辯證內(nèi)涵進行了分析，并簡介了在此基礎(chǔ)上的教學(xué)實踐。元素周期律的對立統(tǒng)一關(guān)系決定了二氧化硅結(jié)構(gòu)的特殊性以及硅酸鹽相對于其他含氧酸鹽所展示的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和豐富性。硅酸鹽結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)陰離子和網(wǎng)絡(luò)間陽離子的作用體現(xiàn)了破與立的矛盾關(guān)系。在含三氧化二鋁的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中，堿金屬的存在對氧化鋁在硅酸鹽結(jié)構(gòu)中對網(wǎng)絡(luò)的破壞和修補的作用產(chǎn)生影響。在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)問題的辯證思考，對提高其創(chuàng)新思維的能力具有意義。

關(guān)鍵詞：硅酸鹽結(jié)構(gòu)；辯證內(nèi)涵；教學(xué)實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)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(zhì)在材料領(lǐng)域占有重要的地位，以玻璃、陶瓷、水泥為產(chǎn)品形態(tài)，其物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、制造的工藝及性能等長期以來是無機材料科學(xué)的重要內(nèi)容。地球環(huán)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(zhì)基礎(chǔ)。從地球起源于一個大火球的理論推演，依據(jù)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(chǎn)生使地球表面風(fēng)化和轉(zhuǎn)化，形成了豐富多彩的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)形態(tài)，給予了人類豐厚的饋贈。各種結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，在人類發(fā)展不同時期和現(xiàn)代社會發(fā)揮重要的作用，而對硅酸鹽結(jié)構(gòu)的研究和理解，則構(gòu)成了硅酸鹽科學(xué)的內(nèi)容，為控制和調(diào)節(jié)材料的性能起著重要的指導(dǎo)作用。從辯證法的角度來考慮，硅酸鹽的結(jié)構(gòu)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(guān)系的揭示，對硅酸鹽結(jié)構(gòu)的認(rèn)識的深入，具有重要的意義。就大學(xué)本科教育而言，筆者在多年的專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)，辯證法的適當(dāng)利用，對于促進學(xué)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(jié)構(gòu)的若干辯證法問題進行研究，并就教學(xué)中辯證法的應(yīng)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(guān)系決定了硅酸鹽結(jié)構(gòu)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(qū)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(zhì)。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(jié)合的化學(xué)鍵的性質(zhì)為共價鍵和離子鍵的過渡鍵，配位數(shù)為4。化學(xué)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(zhì)，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(jié)構(gòu)差異，也導(dǎo)致了各自含氧酸鹽的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的差異，硅酸鹽因為網(wǎng)絡(luò)特性的結(jié)構(gòu)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(zhì)決定了硅酸鹽的“酸根”為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(gòu)成島狀的結(jié)構(gòu)，氧硅比為4，如鎂橄欖石結(jié)構(gòu)，而隨氧硅比的降低直到氧硅比為2，經(jīng)過了組群狀結(jié)構(gòu)、鏈狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)和架狀結(jié)構(gòu)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(guī)則性因素、如鮑林規(guī)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(nèi)變化。那么對于硅酸鹽玻璃而言，由于其無規(guī)則的性質(zhì)，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(gòu)成的熔體中產(chǎn)生穩(wěn)定分相，硅酸鹽玻璃的組成是可以連續(xù)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(jù)非橋氧存在與否所起的不同作用，則為硅酸鹽的結(jié)構(gòu)和組成的豐富性提供了更大的擴展空間。當(dāng)然，由于玻璃組成的復(fù)雜性、可變性、連續(xù)性而導(dǎo)致的多組分玻璃-如逆性玻璃等“復(fù)鹽”的存在，則使玻璃的結(jié)構(gòu)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(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)，是硅酸鹽的結(jié)構(gòu)和組成豐富性的根本原因所在，體現(xiàn)了元素周期律的辯證法性質(zhì)。

二、破與立的對立統(tǒng)一提供了硅酸鹽結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)外體離子使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生非橋氧因而產(chǎn)生斷網(wǎng)作用，也能夠通過吸收網(wǎng)絡(luò)斷裂形成的非橋氧而形成鋁氧四面體的結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生補網(wǎng)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(zhì)，在玻璃結(jié)構(gòu)理論中得到了很系統(tǒng)的解釋，而在硅酸鹽晶體中，并沒有刻意強調(diào)。但事實上，鋁在硅氧酸鹽晶體中，根據(jù)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(huán)境中的堿度，是不是也和硅酸鹽中的鋁的氧配位數(shù)有某種程度的聯(lián)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(xiàn)了鋁離子對網(wǎng)絡(luò)的破和立的關(guān)系。環(huán)境的酸堿性是矛盾關(guān)系轉(zhuǎn)化的條件。從破和立的角度來考察玻璃的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系，也具有重要的意義。不同的金屬氧化物體現(xiàn)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(jié)合力較弱，其開始破壞硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)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(tài)下脆弱的網(wǎng)絡(luò)斷裂。而在低溫時，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)合力較強時，鈣離子又通過和網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)能夠使料性變短的性質(zhì)。在這里體現(xiàn)了鈣離子在不同條件下對熔體體系“破”和“立”的對立統(tǒng)一，宏觀上體現(xiàn)為熔體粘度的變化，而溫度的變化，則為這對矛盾關(guān)系的主次方面的角色轉(zhuǎn)化提供了條件。和以上的分析類似，還可以在硅酸鹽結(jié)構(gòu)的形成和轉(zhuǎn)變過程中，找到多方面類似的關(guān)系。

三、硅酸鹽結(jié)構(gòu)辯證法的對學(xué)生思維培養(yǎng)的意義及其教學(xué)實施

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

硅酸鹽結(jié)構(gòu)是無機材料科學(xué)重要的基礎(chǔ)內(nèi)容，具有內(nèi)容抽象和復(fù)雜的特點。如何使其通俗易懂是在教學(xué)中值得考慮的問題，筆者在教學(xué)中較多利用了辯證法，引入成對概念的方法，以基礎(chǔ)概念如元素周期律為起點，以矛盾關(guān)系為媒介，引導(dǎo)學(xué)生推理并引出新知識點，然后通過成對概念的矛盾關(guān)系推理新的概念和知識，事實證明，取得了較好的教學(xué)效果。當(dāng)然，這樣的教學(xué)方式，對于老師是巨大的挑戰(zhàn)，因為推理的線索在某些節(jié)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(xué)生討論，教學(xué)相長的機會所在。事實上，筆者感到，由辯證思維而引發(fā)的師生互相啟發(fā)，對教學(xué)質(zhì)量的提高具有至關(guān)重要的作用。

參考文獻：

[1]陸佩文.無機材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢理工大學(xué)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(jīng)濟科學(xué)出版社，2014.