淺談矛盾的辯證原理在離子極化理論教學(xué)中的應(yīng)用

王紅艷，王凱，焦桓，劉志宏,＊

1陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，西安 710119

2中國(guó)人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院科研處，江蘇 徐州 221000

大學(xué)教育注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，旨在教學(xué)實(shí)踐過程中，通過構(gòu)建系統(tǒng)的知識(shí)框架，滲透科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，幫助學(xué)生完善自學(xué)能力。對(duì)于化學(xué)專業(yè)的本科生，無機(jī)化學(xué)是他們進(jìn)入大學(xué)接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，承載著幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變思維、適應(yīng)大學(xué)教育的重要職責(zé)。然而，習(xí)慣于傳統(tǒng)應(yīng)試教育的大一新生，雖有著強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)力與目標(biāo)，以及對(duì)大學(xué)生活的憧憬與規(guī)劃，但對(duì)于較快的教學(xué)節(jié)奏有諸多不適。尤其是一些抽象的概念與理論容易導(dǎo)致思考難、理解難及鞏固難等問題，往往讓學(xué)生認(rèn)為無機(jī)化學(xué)冗雜、無序、沒有規(guī)律，厭學(xué)情緒油然而生。因此，如何將高中階段的教學(xué)方法與大學(xué)教學(xué)模式相互滲透銜接，在潛移默化中加深學(xué)生對(duì)抽象化學(xué)理論的認(rèn)知與理解，進(jìn)而熟練掌握與應(yīng)用，最終養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣是無機(jī)化學(xué)教師不斷研究、探索與實(shí)踐的課題[1]。

高中教學(xué)中，教師常采用對(duì)立統(tǒng)一的矛盾辯證規(guī)律解釋某些化學(xué)現(xiàn)象，起到了良好的效果[2]。例如判斷酸式鹽如NaHSO3溶液酸堿性問題時(shí)，可將鹽的解離與水解視為矛盾，比較解離與水解平衡常數(shù)不難發(fā)現(xiàn)前者大于后者，電離產(chǎn)生H+是主要矛盾，因此NaHSO3呈酸性。然而，NaHCO3溶液顯堿性是由于水解轉(zhuǎn)化為主要矛盾所致?？梢姡瑢⒚芊治龇B透到教學(xué)過程中，不僅可教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的本質(zhì)，還可培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性與科學(xué)性。

根據(jù)辯證唯物主義的觀點(diǎn)：矛盾分析法主要包括把矛盾一分為二的觀點(diǎn)、矛盾的普遍性與特殊性觀點(diǎn)、具體矛盾問題具體分析觀點(diǎn)和矛盾“兩點(diǎn)論”與“重點(diǎn)論”相統(tǒng)一的觀點(diǎn)[3,4]。矛盾存在于一切事物中，化學(xué)也不例外。縱觀無機(jī)化學(xué)的發(fā)展史和整個(gè)內(nèi)容，充滿著各種矛盾[5]。例如：弱電解質(zhì)溶液中存在著電離與結(jié)合的矛盾，難溶物質(zhì)存在沉淀與解離的矛盾，化學(xué)反應(yīng)存在舊鍵斷裂與新鍵形成以及吸收能量與放出能量的矛盾等等。近年來，針對(duì)大一學(xué)生，我們將矛盾分析方法滲透在抽象概念與理論的教學(xué)過程中，對(duì)促使學(xué)生建立系統(tǒng)、全面和創(chuàng)新的學(xué)習(xí)方法與科學(xué)思維起到了顯著效果。下面以離子極化作用的教學(xué)過程為例，討論與總結(jié)我們?cè)跓o機(jī)化學(xué)課程教學(xué)中運(yùn)用矛盾的辯證原理對(duì)該概念實(shí)施教學(xué)措施的一些認(rèn)識(shí)和體會(huì)（圖1）。

圖1 矛盾辯證原理在離子極化中的應(yīng)用

1 離子極化的定義、發(fā)展及影響因素——認(rèn)識(shí)矛盾的兩個(gè)對(duì)立面是利用矛盾辯證法的基礎(chǔ)

早期人們?cè)谘芯侩x子化合物性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一些與經(jīng)典離子鍵理論相悖的事實(shí)。作為離子鍵理論的重要補(bǔ)充，波蘭化學(xué)家 Fajans于 1923年首次提出了離子極化理論。他認(rèn)為離子相互作用時(shí)能引起離子外層電子云的變形：陰離子在陽離子的電場(chǎng)中電子云會(huì)發(fā)生收縮，陽離子在陰離子電場(chǎng)中電子云會(huì)發(fā)生膨脹。這種離子在外電場(chǎng)中的變形稱為離子極化。他認(rèn)為影響極化的因素有兩點(diǎn)：1）起極化作用離子的極化能力；2）被極化離子的可變形性。同時(shí)將有利于極化的三種條件：正離子半徑?。回?fù)離子半徑大；離子的電荷數(shù)大總結(jié)為“法揚(yáng)斯規(guī)則”[6]。

現(xiàn)今離子極化理論逐步完善，現(xiàn)行使用教材將離子極化表述為：“離子自身電場(chǎng)的作用使周圍其他離子的正、負(fù)電荷重心不重合，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極的過程?！薄瓣栯x子帶正電荷，半徑一般較小，它對(duì)相鄰的陰離子起到誘導(dǎo)作用。因此，陽離子的主要作用是極化周圍的陰離子?！薄半x子極化的強(qiáng)弱決定于該離子對(duì)周圍離子施加的電場(chǎng)強(qiáng)度?！薄半x子極化可使異電荷離子的電子云變形。陰離子半徑一般較大，外層有較多的電子，容易變形，在誘導(dǎo)過程中產(chǎn)生臨時(shí)的誘導(dǎo)偶極，因此離子的變形性主要指陰離子[7]。”離子極化的結(jié)果使電子云發(fā)生強(qiáng)烈的變形，陰陽離子之間部分電子云密度重疊，引起離子化合物中離子鍵成分減少，共價(jià)性增加，從而產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，導(dǎo)致同族或同周期化合物的溶解度、熔沸點(diǎn)、顏色、晶型和熱穩(wěn)定性等產(chǎn)生系列變化或顯著差異。

此外，教材總結(jié)了陽離子極化力強(qiáng)弱與其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系[7]：

（1）電荷：陽離子電荷越高，極化力越強(qiáng)；

（2）半徑：電荷數(shù)相等，價(jià)電子結(jié)構(gòu)等相同的離子，半徑越小，極化力越強(qiáng)；

（3）電子層結(jié)構(gòu)不同的陽離子，極化力順序?yàn)椋?8e，2e，18+2e＞9-17e＞8e；

同時(shí)，離子變形性也與離子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)：

（1）價(jià)電子層結(jié)構(gòu)相同的離子，隨著負(fù)電荷數(shù)目的減小和正電荷數(shù)目的增加，變形性減?。?/p>

（2）價(jià)電子層結(jié)構(gòu)相同的離子，電子層越多，離子半徑越大，變形性越大；

（3）18e和9-17e電子構(gòu)型的離子，其變形性比半徑相近、電荷數(shù)相同的8電子構(gòu)型離子大得多；

（4）復(fù)雜陰離子的變形性不大，而且復(fù)雜陰離子中心離子氧化數(shù)越高，變形性越小。

這些描述看似清晰明確，但對(duì)大一學(xué)生來說過于抽象。學(xué)生經(jīng)常會(huì)有疑問：既然陽離子是極化的主要原因，是不是就不用關(guān)注陰離子，那為什么又提陰離子變形性；是不是陽離子只極化不變形，陰離子只變形不極化；極化和變形是什么關(guān)系等等，這些問題常常困擾學(xué)生，引發(fā)教學(xué)難度。我們嘗試?yán)妹芊治龇ㄆ饰鲭x子極化理論，找出此概念中矛盾的兩個(gè)方面。離子極化可理解為：排列在離子晶體晶格中的陰陽離子可相互為對(duì)方提供電場(chǎng)，離子在電場(chǎng)中導(dǎo)致自身原子核與電子云發(fā)生相對(duì)位移，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，發(fā)生了與分子極化類似的離子極化作用。離子產(chǎn)生電場(chǎng)使周圍異電荷離子受到極化而發(fā)生變形的能力稱為該離子的極化力，離子作為被極化對(duì)象被異電荷離子極化而發(fā)生電子云變形的性質(zhì)稱為該離子的變形性。同種性質(zhì)的離子電荷越集中，半徑越小，極化力越強(qiáng)，不容易變形；反之則極化力弱，更容易變形。因此，極化和變形互為矛盾，兩者相互對(duì)立又相互依存。陰陽離子均可極化和變形，只是陽離子極化能力強(qiáng)，陰離子變形性強(qiáng)。極化是變形的原因，變形是極化的結(jié)果，變形抵消和平衡極化，極化引起的變形也可反過來影響極化。

2 陽離子的極化力與陰離子的變形性——離子極化作用中的主要矛盾

認(rèn)識(shí)離子極化中矛盾的兩個(gè)方面——極化與變形，這為利用矛盾分析法發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題提供了前提。那為什么陽離子的極化能力強(qiáng)，陰離子的變形能力強(qiáng)？早期Fajans提出的極化理論只是一種定性的規(guī)則，隨后，國(guó)內(nèi)外不少科學(xué)家試圖通過建立定量關(guān)系，準(zhǔn)確比較和評(píng)估極化理論，特別是我國(guó)溫元?jiǎng)P等人經(jīng)過十幾年離子極化理論的定量研究工作，初步建立起離子極化的定量與半定量理論[8]。雖然這些理論在基礎(chǔ)無機(jī)化學(xué)中沒有推廣，也具有一定的局限性，但對(duì)于學(xué)生理解極化理論卻大有裨益。離子極化可用偶極距和極化力衡量。偶極矩是極化率與電場(chǎng)強(qiáng)度的乘積，代表著離子的變形。極化力與離子勢(shì)（離子電荷數(shù)平方與半徑的比值）成正比。表 1列出了利用普遍采用的晶體折射度求得的離子極化率的平均值，不難發(fā)現(xiàn)，陽離子的極化率普遍較小，而陰離子的極化率較大，即陰離子的變形性大。而陰離子半徑較大使得其離子勢(shì)較之價(jià)態(tài)相同的陽離子小很多[9]。因此，極化力主要與陽離子有關(guān)，變形性主要由陰離子體現(xiàn)。

表1 離子的極化率（×106 pm3）[9]

唯物辯證法認(rèn)為：在復(fù)雜事物的發(fā)展過程中有許多矛盾同時(shí)存在，其中必有一種是主要矛盾，它的存在決定和發(fā)展、規(guī)定或影響著事物復(fù)雜矛盾體系中其他矛盾的存在和發(fā)展，而非主要矛盾則處于從屬的、對(duì)事物發(fā)展不起決定作用的地位，即所謂的次要矛盾[3]。離子極化運(yùn)動(dòng)中的主要矛盾是陽離子的極化與陰離子的變形之間的競(jìng)爭(zhēng)、對(duì)弈與統(tǒng)一。由于離子極化的結(jié)果是離子鍵中離子性成分的缺失，溫元?jiǎng)P等[8]將離子晶體的晶格能與純離子模型晶格能之間的差值定義為離子極化能。通過研究多種非標(biāo)準(zhǔn)離子晶體的極化能發(fā)現(xiàn)：同種陽離子鹽的離子極化能與陰離子的極化率成正比，同種陰離子鹽的離子極化能與陽離子的極化力成正比。表2是鹵化銀的晶格能，可以看到，玻恩-哈伯循環(huán)確定的晶格能實(shí)驗(yàn)值系統(tǒng)大于理論計(jì)算值，這表明在離子晶格中有明顯的共價(jià)鍵能的貢獻(xiàn)，共價(jià)成分越多，玻恩-哈伯熱化學(xué)循環(huán)計(jì)算所得的晶格能的實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值之差也就越大[10]。這是極化作用依次增強(qiáng)的直接證據(jù)。

表2 鹵化銀的晶格能[10]

3 離子極化的本質(zhì)是核電荷吸引——抓住主要矛盾的主要方面

辯證唯物主義觀點(diǎn)認(rèn)為：事物的性質(zhì)主要取決于取得支配地位矛盾的主要方面，因此找出陽離子極化與陰離子變形這一主要矛盾的主要方面，許多問題便可迎刃而解。陽離子對(duì)陰離子的核電荷吸引是引起陰離子感應(yīng)偶極的產(chǎn)生導(dǎo)致離子極化的原因。因此，陽離子的電荷和半徑是影響矛盾的主要方面，陽離子電荷越高，半徑越小，極化力越強(qiáng)。當(dāng)陽離子相同時(shí)，陰離子的變形性是離子極化作用矛盾的主要方面。負(fù)電荷數(shù)、離子半徑，以及復(fù)雜陰離子的中心氧化數(shù)均對(duì)陰離子的極化率產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響陰離子的變形性。

典型舉例1：利用離子極化解釋熔沸點(diǎn)變化規(guī)律。

離子晶體的熔化或氣化可認(rèn)為是克服離子間靜電引力的過程。一般而言，離子半徑越小，電荷數(shù)越高，離子晶體的熔沸點(diǎn)越高。然而，NaCl、MgCl2和AlCl3的熔沸點(diǎn)卻依次降低。這一現(xiàn)象可用離子極化加以解釋。由于第二周期主族元素的陽離子從左至右隨核電荷數(shù)的增加半徑依次減小，而電荷依次升高，因此離子極化作用增強(qiáng)，化學(xué)鍵離子性成分降低，晶格能的降低，導(dǎo)致化合物熔沸點(diǎn)下降。同理，堿土金屬離子從上到下離子半徑逐漸增大，陽離子極化力減弱，化學(xué)鍵離子性成分逐漸增多，晶格能增大，導(dǎo)致熔點(diǎn)升高（表3）。

表3 堿土金屬氯化物的熔點(diǎn)[11]

典型舉例2：利用離子極化解釋相同元素同價(jià)態(tài)Co（II）氫氧化物、氧化物及硫化物顏色的變化規(guī)律。

S2-半徑最大，負(fù)電荷最高，變形性最大；OH-與O2-具有相近的離子半徑，負(fù)電荷較高的O2-變形性較強(qiáng)，因此Co（OH）2、CoO、CoS隨陰離子極化率的增加，極化作用逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致顏色逐漸加深（表4）。

表4 Co（II）化合物的顏色和極化率[12]

可見，抓住了離子極化中的主要矛盾以及主要矛盾的主要方面，一些問題便可迎刃而解。

4 離子極化作用中矛盾及其矛盾主次方面的轉(zhuǎn)化

對(duì)于簡(jiǎn)單離子化合物，陽離子電荷與半徑或者說是離子勢(shì)可認(rèn)知為影響極化作用的主要矛盾的主要方面，然而在解釋一些具有多層電子、且半徑較大的過渡金屬離子化合物的相關(guān)性質(zhì)規(guī)律時(shí)，僅考慮離子勢(shì)往往會(huì)遇到困難。如AgCl和NaCl均為6配位的NaCl晶型，且陽離子具有相同的電荷數(shù)，離子半徑也相差不多（Ag+半徑為 115 pm，Na+為 102 pm）[7]，二者具有相近的離子勢(shì)，然而AgCl的熔點(diǎn)為455 °C，NaCl的熔點(diǎn)卻高達(dá)800.7 °C。如何理解？

矛盾分析法認(rèn)為凡是矛盾，必有斗爭(zhēng)，一切主要矛盾與次要矛盾、主要矛盾的主要方面與次要方面均互相作用、互相斗爭(zhēng)、互相制約，在一定條件下亦互易其位、互相轉(zhuǎn)化[3]。從極化定義可知，極化主要是極化離子的原子核對(duì)被極化離子電子的吸引所產(chǎn)生的形變。由于離子自身電子的屏蔽作用削弱了原子核對(duì)電子的吸引，因此離子極化的本質(zhì)應(yīng)修正為有效核電荷對(duì)電子的吸引。有效核電荷與電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，應(yīng)考慮自身電子的屏蔽常數(shù)。過渡金屬以及長(zhǎng)周期的p區(qū)元素，其陽離子的d電子更加裸露，屏蔽能力弱，具有更高的有效核電荷，導(dǎo)致極化能力增強(qiáng)。因此，對(duì)于具有18e、18+2e以及9-17e電子構(gòu)型的陽離子，應(yīng)將電子構(gòu)型轉(zhuǎn)化為矛盾的主要方面。Ag+屬于18e構(gòu)型，其極化能力較之8e構(gòu)型的Na+更強(qiáng)，導(dǎo)致AgCl中化學(xué)鍵的共價(jià)性成分升高，熔點(diǎn)較低。

5 附加極化——矛盾的對(duì)立統(tǒng)一

前面提到，由于陽離子的變形性小，一般只考慮陽離子對(duì)陰離子的極化，而不考慮其變形對(duì)極化作用的影響。然而，對(duì)具有18e、18+2e、9-17e電子構(gòu)型且半徑較大的陽離子，因變形性的增加，削弱極化的變形又會(huì)轉(zhuǎn)化為促進(jìn)極化的積極因素。此類陽離子除了保持對(duì)陰離子的極化之外，其自身的變形也增強(qiáng)了陰離子對(duì)陽離子極化的能力，產(chǎn)生了陰陽離子間的相互極化。這種由陽離子變形性引起的極化增強(qiáng)現(xiàn)象稱為附加極化?？梢?，附加極化是極化與變形兩個(gè)矛盾的對(duì)立面相互統(tǒng)一的結(jié)果。同族陽離子半徑越大，附加極化作用遞增，同時(shí)陰離子變形性越大，附加極化作用也越強(qiáng)。

典型舉例3：解釋ZnI2的熔點(diǎn)為何大于CdI2。

Zn2+與Cd2+同屬于第IIB族元素，具有相同的18e電子構(gòu)型，后者離子半徑較大，變形性增加，與I-作用時(shí)，產(chǎn)生了較強(qiáng)的附加極化作用，因此CdI2中共價(jià)性成分增大，導(dǎo)致熔點(diǎn)較低。

6 反極化作用——矛盾的復(fù)雜性

圖2 HNO3分子中存在的反極化作用

7 離子極化的局限性——矛盾的普遍性與特殊性

8 結(jié)語

我們將矛盾分析方法充分合理地滲透在離子極化教學(xué)過程中，堅(jiān)持“兩點(diǎn)論”，幫助學(xué)生分析了解矛盾的兩個(gè)方面，堅(jiān)持“重點(diǎn)論”，幫助學(xué)生把握主要矛盾和矛盾的主要方面以及主次矛盾、主要矛盾主次方面的互相轉(zhuǎn)換，并結(jié)合“兩點(diǎn)論”和“重點(diǎn)論”的統(tǒng)一列舉實(shí)例解決實(shí)際問題，同時(shí)關(guān)注矛盾的普遍性與特殊性以及復(fù)雜性教會(huì)學(xué)生分析具體問題。實(shí)踐表明，矛盾辯證原理的應(yīng)用可有效梳理離子極化的原理及其影響因素，成功化解知識(shí)點(diǎn)難度與學(xué)生理解之間存在差異的問題，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與應(yīng)用。作為馬克思主義哲學(xué)的重要組成部分，矛盾分析方法不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的歸納能力及科學(xué)思維，更重要的是幫助學(xué)生樹立實(shí)事求是、具體問題具體分析的科學(xué)思政觀。矛盾辯證原理作為哲學(xué)原理，具有普遍意義，除適用于離子極化理論外，在講授酸式鹽酸堿性、化學(xué)平衡、同離子效應(yīng)、第二周期多電子元素電子親和能及其原子間形成的共價(jià)單鍵鍵能較小等問題時(shí)也具有重要應(yīng)用價(jià)值，我們將在今后的教學(xué)過程中不斷實(shí)踐，讓學(xué)生體會(huì)化學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)性以及能力培養(yǎng)的重要性。