硅酸鹽結(jié)構(gòu)及其性能的辯證分析及其教學(xué)實(shí)施

嚴(yán)建華+柏曉強(qiáng)+崔素萍+周愛琳

摘要：從矛盾關(guān)系的角度對(duì)硅酸鹽結(jié)構(gòu)的辯證內(nèi)涵進(jìn)行了分析，并簡(jiǎn)介了在此基礎(chǔ)上的教學(xué)實(shí)踐。元素周期律的對(duì)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(duì)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(yáng)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(duì)氧化鋁在硅酸鹽結(jié)構(gòu)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)的破壞和修補(bǔ)的作用產(chǎn)生影響。在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)問(wèn)題的辯證思考，對(duì)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(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）32-0159-02

作為典型的無(wú)機(jī)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(zhǎng)期以來(lái)是無(wú)機(jī)材料科學(xué)的重要內(nèi)容。地球環(huán)境硅和氧豐富的蘊(yùn)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(gè)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(cè)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(zèng)。各種結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，在人類發(fā)展不同時(shí)期和現(xiàn)代社會(huì)發(fā)揮重要的作用，而對(duì)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(lái)考慮，硅酸鹽的結(jié)構(gòu)作為一個(gè)事物，其中也包含有矛盾和矛盾運(yùn)動(dòng)，而對(duì)其矛盾關(guān)系的揭示，對(duì)硅酸鹽結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)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(duì)于促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解有很大的幫助，因而，本論文中將對(duì)硅酸鹽結(jié)構(gòu)的若干辯證法問(wèn)題進(jìn)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(píng)。

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?yàn)楣杷猁}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(lái)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(jià)鍵和離子鍵的過(guò)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(gè)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?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)特性的結(jié)構(gòu)而具有豐富性。就鹽的概念來(lái)看，硅酸鹽的氧硅比是可變的，共價(jià)鍵和離子鍵過(guò)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(jiǎn)單的為單個(gè)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(guò)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(lán)寶石、透輝石、粘土、沸石等礦物。如果說(shuō)，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(duì)于硅酸鹽玻璃而言，由于其無(wú)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?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)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(kuò)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(duì)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(gè)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(guò)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(bǔ)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(méi)有刻意強(qiáng)調(diào)。但事實(shí)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(zhǎng)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(duì)矛盾，體現(xiàn)了鋁離子對(duì)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(lái)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?yàn)槠渫ㄟ^(guò)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(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)合力較強(qiáng)時(shí)，鈣離子又通過(guò)和網(wǎng)絡(luò)陰離子較強(qiáng)的靜電引力而增加玻璃的粘度，從而使其在玻璃的熔制過(guò)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(duì)熔體體系“破”和“立”的對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)學(xué)生思維培養(yǎng)的意義及其教學(xué)實(shí)施

盡管無(wú)機(jī)材料作為一門傳統(tǒng)的科學(xué)，很多的知識(shí)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(duì)于指導(dǎo)該門課程教學(xué)的意義。誠(chéng)然，在現(xiàn)有的科學(xué)體系中，老一代的專家們對(duì)無(wú)機(jī)材料知識(shí)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(wú)機(jī)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(diǎn)。如何使其通俗易懂是在教學(xué)中值得考慮的問(wèn)題，筆者在教學(xué)中較多利用了辯證法，引入成對(duì)概念的方法，以基礎(chǔ)概念如元素周期律為起點(diǎn)，以矛盾關(guān)系為媒介，引導(dǎo)學(xué)生推理并引出新知識(shí)點(diǎn)，然后通過(guò)成對(duì)概念的矛盾關(guān)系推理新的概念和知識(shí)，事實(shí)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(duì)于老師是巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)橥评淼木€索在某些節(jié)點(diǎn)必然延伸到老師的知識(shí)范圍之外。但此種情況恰是組織學(xué)生討論，教學(xué)相長(zhǎng)的機(jī)會(huì)所在。事實(shí)上，筆者感到，由辯證思維而引發(fā)的師生互相啟發(fā)，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高具有至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸佩文.無(wú)機(jī)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(jì)科學(xué)出版社，2014.