化學原理啟迪410
"Burberry Prorsum" in London - Spring Summer 2014
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1.
基本的矽氧化合物是二氧化矽silica，實驗式是SiO2。由於二氧化矽的結構很像二氧化碳，有些人可能會想二氧化矽是氣體，裡面有許多分離的SiO2分子。可是事實上，石英和某些種類的沙子（固體）的主成分是二氧化矽。
2.
為什麼二氧化矽跟二氧化碳差距這麼大？答案在化學鍵的鍵結方式。二氧化碳CO2的路易斯結構是：
3.
每個「C＝O鍵」由1個「σ鍵」和1個「π鍵」組合而成；「σ鍵」由「碳C」的sp混成軌域與「氧」的sp2混成軌域交疊而成，「π鍵」由「碳」的2p軌域與「氧」的2p軌域交疊而成。
4.
可是二氧化矽就不同了，矽沒有辦法用它的「3p價電軌域」與氧的「2p軌域」形成強力的π鍵。矽原子太大顆，造成它的軌域無法有效地與小顆的氧原子軌域交疊。
5.
因此「矽」滿足八隅體價電結構的方法，不是與2個「氧」形成π鍵，而是與4個「氧」鍵結形成4個單鍵。下圖為石英的結構
6.
石英的構造顯示，每個「矽原子」在四面體的中心，四面體的4個頂角是「氧原子」，這些「氧原子」同時與其他「矽原子」鍵結。
7.
雖然石英的實驗式是SiO2，但建構石英的基本單元是SiO4四面體，而非SO2分子，不過SiO4的「氧O」同時也與其他的「矽Si」鍵結。
8.
「碳」與「氧」形成「π鍵」的能力，與「矽」與「氧」形成「π鍵」的能力不同，造成CO2和SiO2的結構和性質不同。
9.
大部分在石頭、土壤、黏土裡的矽化合物是矽酸鹽silicates。矽酸鹽與二氧化矽的共同點是，矽酸鹽也是由「SiO4四面體」基本單元構成；相異點是，二氧化矽的氧矽的比例O：Si＝2：1，矽酸鹽的氧矽的比例O：Si＞2：1，並且矽酸鹽中含有矽氧陰離子。
10.
這意味著，要生成中性的矽酸鹽固體，必須有足夠的陽離子去平衡過量的陰離子。換句話說，矽酸鹽含有「金屬陽離子」和「多原子矽-氧陰離子 polyatomic
silicon-oxygen anions」。
11.
將矽酸鹽加熱到超過熔點（約1600℃）的溫度，然後迅速冷卻，製造出非晶質固體「玻璃」。特別留意，玻璃內的原子排列是沒有秩序的，與石英的結晶構造相反，玻璃比較像非常黏稠的溶液，而非常接近固體。
12.
熔化的矽酸鹽加入碳酸鈉Na2CO3混合後，再冷卻就成為一般常見的玻璃。透過添加不同的物質可製作出各種不同性質的玻璃。
13.
舉例來說，矽酸鹽加入Br2O3製造出來的玻璃，稱為高硼矽borosilicate
glass，這種玻璃在溫度變化大的條件下只有些微膨脹或收縮，這種耐熱玻璃可用來製作實驗室器皿labware和烹調用具。
14.
矽酸鹽加入氧化鉀K2O產生質地堅硬的玻璃，這種玻璃可精準地切割出眼鏡和隱形眼鏡所需的度數。
陶瓷Ceramics
15.
陶瓷是黏土做成的，黏土的其中一個成分是矽酸鹽，黏土高溫燒製硬化後，就成為陶瓷。陶瓷為非金屬物質，材質堅硬、易碎、耐熱、易受化學物質侵襲。
16.
陶瓷與玻璃的共同點是，基本構成物質為矽酸鹽。不過，玻璃成形後，還可反覆熔化重塑，可是陶瓷一旦變硬，它就耐高溫而不變形，這種差異的原因在於結構。
17.
玻璃內的分子是同相的homogeneous非晶質的固態溶液，然而，陶瓷的組成分子是異相的heterogeneous；陶瓷的組成物質包含二種相：小型矽酸鹽晶體懸浮在玻璃陶瓷中。
18.
要瞭解陶瓷的硬度，我們必須知道黏土的構造。黏土是二氧化碳與水風化鉀長石的產物。黏土是各種矽酸鹽的混合物，裡面有K2O‧Al2O3‧6SiO2和Na2‧Al2O3‧6SiO2。
19.
鉀長石是矽酸鋁aluminosilicate。「鋁」是鉀長石的成分，「鋁」跟矽一樣能與扮演陰離子的「氧」橋接。
20.
鉀長石風化產生高嶺石kaolinite，高嶺石由小薄片堆砌而成，實驗式為Al2Si2O5(OH)4。乾燥的高嶺石內部是彼此固定在一起的小薄片，高嶺石加入水之後，小薄片就會彼此滑開，展現出黏土的可塑性；濕黏土乾燥後，這些小薄片又再度固定在一起。
21.
濕黏土經過燒烤，去除裡面殘餘的水分後，矽酸鹽與陽離子結合成玻璃，並且這些玻璃裡面夾雜著小塊的高嶺土晶體。
22.
陶瓷的歷史久遠。石頭是一種天然陶瓷，最古老的時代，人類用石頭製作工具；之後，人類學會用黏土製作器皿，捏製好的黏土器皿放在太陽下曬乾或用火燒烤後，即成為裝水和食物的容器。歷史發展早期的陶器材質粗糙，上頭有許多孔隙。
23.
大約西元前3000年的埃及，人類發現玻璃/釉，陶器也因此變得更加美觀與實用。高級瓷器使用的原料，基本上與粗糙陶器一樣，只是高級瓷器特別挑選黏土與釉的配方，製作方式也是用火燒烤黏土至高溫。
