硅酸盐结构及其性能的辩证分析及其教学实施

严建华+柏晓强+崔素萍+周爱琳

摘要：从矛盾关系的角度对硅酸盐结构的辩证内涵进行了分析，并简介了在此基础上的教学实践。元素周期律的对立统一关系决定了二氧化硅结构的特殊性以及硅酸盐相对于其他含氧酸盐所展示的结构复杂性和丰富性。硅酸盐结构中网络阴离子和网络间阳离子的作用体现了破与立的矛盾关系。在含三氧化二铝的硅酸盐结构中，碱金属的存在对氧化铝在硅酸盐结构中对网络的破坏和修补的作用产生影响。在教学中培养学生对专业问题的辩证思考，对提高其创新思维的能力具有意义。

关键词：硅酸盐结构；辩证内涵；教学实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）32-0159-02

作为典型的无机材料，硅酸盐物质在材料领域占有重要的地位，以玻璃、陶瓷、水泥为产品形态，其物质的结构、制造的工艺及性能等长期以来是无机材料科学的重要内容。地球环境硅和氧丰富的蕴藏量首先是硅酸盐在我们生活中大量存在的物质基础。从地球起源于一个大火球的理论推演，依据表面张力的作用，火球形状的地球可以推测有很多的硅酸盐熔体，地球表面的冷却，水的产生使地球表面风化和转化，形成了丰富多彩的物质结构和物质形态，给予了人类丰厚的馈赠。各种结构的硅酸盐，在人类发展不同时期和现代社会发挥重要的作用，而对硅酸盐结构的研究和理解，则构成了硅酸盐科学的内容，为控制和调节材料的性能起着重要的指导作用。从辩证法的角度来考虑，硅酸盐的结构作为一个事物，其中也包含有矛盾和矛盾运动，而对其矛盾关系的揭示，对硅酸盐结构的认识的深入，具有重要的意义。就大学本科教育而言，笔者在多年的专业基础课的教学中也发现，辩证法的适当利用，对于促进学生对知识的理解有很大的帮助，因而，本论文中将对硅酸盐结构的若干辩证法问题进行研究，并就教学中辩证法的应用提出一些看法。供各位同行批评。

一、基于元素周期律矛盾关系决定了硅酸盐结构的丰富性

硅酸盐作为含氧酸盐，和硫的含氧酸盐和氮的含氧酸盐相比，最显著的区别是其“酸根”的丰富性，尽管硫的含氧酸盐有硫酸盐、亚硫酸盐以及含氮的含氧酸盐有硝酸盐、亚硝酸盐，但和硅酸盐相比，其丰富程度是相形见绌的。因为硅酸盐的“酸根”是[SinOm]4n-2m，可以有很多变化。其原因在于硅氧键的特殊性质。从元素周期表来看，硅原子的特殊性在于其处于第三周期第四主族，二氧化硅中硅和氧结合的化学键的性质为共价键和离子键的过渡键，配位数为4。化学键的特殊性赋予了硅的酸酐与同一主族元素碳的酸酐的不同性质，二氧化碳为气体，可以以单个分子的形式存在，而二氧化硅为固体，是离子的堆积体，在其中找不到二氧化硅的分子。酸酐的结构差异，也导致了各自含氧酸盐的结构和性质的差异，硅酸盐因为网络特性的结构而具有丰富性。就盐的概念来看，硅酸盐的氧硅比是可变的，共价键和离子键过渡键的性质决定了硅酸盐的“酸根”为网络结构，四面体为其基本单元，最简单的为单个四面体和金属离子构成岛状的结构，氧硅比为4，如镁橄榄石结构，而随氧硅比的降低直到氧硅比为2，经过了组群状结构、链状结构、层状结构和架状结构的演变，分别有蓝宝石、透辉石、粘土、沸石等矿物。如果说，就硅酸盐晶体而言，由于其原子（离子）排列周期性等的规则性因素、如鲍林规则等的限制，在氧硅比方面有所限制，尽管考虑固溶体等因素氧硅比也可以在一定的范围内变化。那么对于硅酸盐玻璃而言，由于其无规则的性质，只要排除因氧硅比太大而难以形成玻璃或某些离子因为电场强度较大而容易在它的氧化物和氧化硅所构成的熔体中产生稳定分相，硅酸盐玻璃的组成是可以连续变化的，这就使硅酸盐玻璃作为一种特殊的“盐”具有组成的多样性和丰富性。而三氧化二铝，三氧化二硼根据非桥氧存在与否所起的不同作用，则为硅酸盐的结构和组成的丰富性提供了更大的扩展空间。当然，由于玻璃组成的复杂性、可变性、连续性而导致的多组分玻璃-如逆性玻璃等“复盐”的存在，则使玻璃的结构和组成提供了更为丰富的信息。但凡此种种，均起源于硅在元素周期表中的位置，它和氧构成的网络性质，是硅酸盐的结构和组成丰富性的根本原因所在，体现了元素周期律的辩证法性质。

二、破与立的对立统一提供了硅酸盐结构变化的线索

从破和立的角度考察，硅酸盐中的铝是一个非常有趣的例子，由于铝原子在元素周期表中的特殊位置，具有两面性，既能作为网络外体离子使网络产生非桥氧因而产生断网作用，也能够通过吸收网络断裂形成的非桥氧而形成铝氧四面体的结构而产生补网作用。包含铝离子的三氧化二铝的中间体氧化物（或称之为两性氧化物）的这样一种性质，在玻璃结构理论中得到了很系统的解释，而在硅酸盐晶体中，并没有刻意强调。但事实上，铝在硅氧酸盐晶体中，根据晶体的不同，也可分别处于铝氧四面体和铝氧八面体之间。如沸石、长石中的铝，以取代硅居于铝氧四面体为主。而粘土中的铝，则处于铝氧八面体中。这里可以思考的是，矿物形成的环境中的碱度，是不是也和硅酸盐中的铝的氧配位数有某种程度的联系。因而，Al3+处于氧离子八面体配位或氧离子四面体配位这对矛盾，体现了铝离子对网络的破和立的关系。环境的酸碱性是矛盾关系转化的条件。从破和立的角度来考察玻璃的结构和性质的关系，也具有重要的意义。不同的金属氧化物体现了不同的特性。以氧化钠和氧化钙为例，氧化钠中由于钠离子和氧离子的结合力较弱，其开始破坏硅酸盐网络的温度较氧化钙较高，因而，在较低温度下，氧化钠较氧化钙较具有更大的降低玻璃粘度的作用。但在高温条件下，钙离子反而较钠离子具有更大的降低粘度的作用，因为其通过静电引力，更容易使高温状态下脆弱的网络断裂。而在低温时，当网络内部结合力较强时，钙离子又通过和网络阴离子较强的静电引力而增加玻璃的粘度，从而使其在玻璃的熔制过程中体现能够使料性变短的性质。在这里体现了钙离子在不同条件下对熔体体系“破”和“立”的对立统一，宏观上体现为熔体粘度的变化，而温度的变化，则为这对矛盾关系的主次方面的角色转化提供了条件。和以上的分析类似，还可以在硅酸盐结构的形成和转变过程中，找到多方面类似的关系。

三、硅酸盐结构辩证法的对学生思维培养的意义及其教学实施

尽管无机材料作为一门传统的科学，很多的知识在经历了数十年科技工作者艰苦的努力后，已经形成较为完备的体系。但笔者在多年的教学经历中，也感觉到了辩证法对于指导该门课程教学的意义。诚然，在现有的科学体系中，老一代的专家们对无机材料知识的辩证关系有很多的论述。但如何在教学中挖掘和灵活地发挥，还有很多工作可做。

硅酸鹽结构是无机材料科学重要的基础内容，具有内容抽象和复杂的特点。如何使其通俗易懂是在教学中值得考虑的问题，笔者在教学中较多利用了辩证法，引入成对概念的方法，以基础概念如元素周期律为起点，以矛盾关系为媒介，引导学生推理并引出新知识点，然后通过成对概念的矛盾关系推理新的概念和知识，事实证明，取得了较好的教学效果。当然，这样的教学方式，对于老师是巨大的挑战，因为推理的线索在某些节点必然延伸到老师的知识范围之外。但此种情况恰是组织学生讨论，教学相长的机会所在。事实上，笔者感到，由辩证思维而引发的师生互相启发，对教学质量的提高具有至关重要的作用。

参考文献：

[1]陆佩文.无机材料科学基础[M].武汉理工大学出版社，2011.

[2]邓晓辉，孙继军，王双梅，等.马克思主义基本原理概论[M].经济科学出版社，2014.