從氧化數(shù)看同素異形體互變的反應(yīng)類型

鄧清貴

對(duì)同素異形體之間的互變是否屬于氧化還原反應(yīng)的問題，中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐和一些網(wǎng)絡(luò)資源的解釋上存在一些誤解.如對(duì)典型的互變反應(yīng)“2O3=3O2”，有網(wǎng)絡(luò)資源指出“特別注意：因?yàn)槌粞跆厥獾摩墟I，故臭氧轉(zhuǎn)化為氧氣是一個(gè)氧化還原反應(yīng)，2O3=3O2轉(zhuǎn)移電子數(shù)為4/3mol”.筆者認(rèn)為這個(gè)觀點(diǎn)是不對(duì)的，其分析過程存在片面性，會(huì)對(duì)中學(xué)教學(xué)產(chǎn)生誤導(dǎo)，不利于學(xué)生全面理解掌握氧化還原、價(jià)鍵理論的相關(guān)知識(shí).

化合價(jià)的意義和數(shù)值與分子中化學(xué)鍵的類型有關(guān)，原意是某種元素的原子與其他元素的原子相化合時(shí)兩種元素的原子數(shù)目之間一定的比例關(guān)系.中學(xué)階段采用“反應(yīng)前后是否有元素的化合價(jià)發(fā)生了變化”這一直觀判據(jù)作為氧化還原反應(yīng)的判斷依據(jù)，并將其作為氧化還原反應(yīng)的特征，師生也廣泛接受運(yùn)用這個(gè)方法，一般都沒有問題.

日本化學(xué)教授桐山良一、美國著名化學(xué)家鮑林分別在1952年和1975年發(fā)表論說，對(duì)確定元素氧化數(shù)的方法制定了一些規(guī)則，嚴(yán)宣申教授2011年在《化學(xué)教育》雜志撰文《氧化數(shù)》對(duì)氧化數(shù)理論進(jìn)行了通俗易懂的解釋.氧化還原反應(yīng)也得到了正式的定義：化學(xué)反應(yīng)前后，元素的氧化數(shù)有變化的一類反應(yīng)稱作氧化還原反應(yīng).

據(jù)此看，中學(xué)階段用于判斷反應(yīng)類型的“化合價(jià)”其實(shí)就是高等化學(xué)教程里所說的“氧化數(shù)”.用氧化數(shù)理論，可以更科學(xué)地解釋中學(xué)階段“化合價(jià)”理論所不能解釋的問題.曾有教師撰文論述：用形成化學(xué)鍵的情況分析，從化合價(jià)的角度看，Cr2O72-轉(zhuǎn)變?yōu)镃rO5不屬于氧化還原反應(yīng).我為此在《氧化數(shù)與化合價(jià)：兼與李東林老師討論“一個(gè)值得商討的問題”》一文中，從氧化數(shù)理論出發(fā)提出了不同看法，認(rèn)為該反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng).

對(duì)于同素異形體的互變屬于何種反應(yīng)類型的問題，還是應(yīng)該從氧化數(shù)理論出發(fā)去澄清認(rèn)識(shí).氧化數(shù)理論有自己的定義和標(biāo)準(zhǔn)，如單質(zhì)的氧化數(shù)設(shè)定為0，這和中學(xué)所講“單質(zhì)的化合價(jià)為0”是一致的.因而，以2O3=3O2為代表的同素異形體之間的互變都不屬于氧化還原反應(yīng)，因?yàn)檠趸瘮?shù)沒有發(fā)生變化.吳國慶教授在《對(duì)一些中學(xué)生網(wǎng)友提問的回答》一文中，也以回答學(xué)生提問的方式對(duì)此做了強(qiáng)調(diào).如果一定要指定一種反應(yīng)類型，那么這些反應(yīng)可以歸結(jié)為“非氧化還原反應(yīng)”中的“同素異形體互變反應(yīng)”，也不屬于傳統(tǒng)的四大反應(yīng)類型.

有部分教師提出：從分子結(jié)構(gòu)的角度看，O3分子內(nèi)的π鍵導(dǎo)致三個(gè)原子事實(shí)上不等同，并從共價(jià)鍵的電荷分布角度分析，得出氧原子分別具有不同的化合價(jià)，進(jìn)而得出“氧原子化合價(jià)不為0” 的觀點(diǎn).我認(rèn)為這種思維存在知識(shí)缺陷，是沒有正確理解化合價(jià)理論的發(fā)展變遷所致.從原子帶電荷情況以及共價(jià)鍵構(gòu)型的角度分析化合價(jià)，屬于行將淘汰的“電價(jià)”理論，但目前在中學(xué)階段所提的“化合價(jià)”已經(jīng)不是單純依靠電價(jià)理論，而是融合了氧化數(shù)理論，只不過沒有廣泛正式使用“氧化數(shù)”這一名稱而已，此“化合價(jià)”已非彼“化合價(jià)”.

由此，還可以引發(fā)對(duì)“反應(yīng)類型”的更深層次認(rèn)識(shí).在初中剛學(xué)習(xí)化學(xué)的入門階段，除了向?qū)W生介紹四大基本反應(yīng)類型——化合反應(yīng)、分解反應(yīng)、置換反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)，還會(huì)從簡(jiǎn)單的“得失氧、得失氫”的觀察上介紹氧化還原反應(yīng)，重在觀察反應(yīng)的外在——物質(zhì)的組成形式.教師要注意強(qiáng)調(diào)，這四大類型的反應(yīng)是“基本”類型，是在無數(shù)的化學(xué)反應(yīng)中占比例比較高的、有明顯規(guī)律可循的反應(yīng)，但不能涵蓋所有的反應(yīng).高中化學(xué)學(xué)習(xí)階段進(jìn)一步提升了氧化還原反應(yīng)的內(nèi)涵，相比較于初中時(shí)對(duì)于化學(xué)式中“氫氧得失”情況的直接觀察，更體現(xiàn)了對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化的認(rèn)識(shí)，其判斷依據(jù)——“化合價(jià)”——本身在概念和數(shù)值上就具有物質(zhì)結(jié)構(gòu)的屬性.

自2004年課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以后，高中化學(xué)教材實(shí)現(xiàn)了多樣化，有教材對(duì)“氧化數(shù)”的引入開始做了嘗試.如山東科技出版社前期出版的高中《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》選修模塊課本，曾在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中引入氧化數(shù)的概念，并運(yùn)用于反應(yīng)類型的判斷；有一些中學(xué)教師也較早就在進(jìn)行引入氧化數(shù)概念的嘗試.但大部分中學(xué)教材一直在遵循傳統(tǒng)，堅(jiān)持使用化合價(jià)一詞.中學(xué)教師作為教學(xué)的組織引導(dǎo)者，在知識(shí)更新、主動(dòng)探索方面也存在行動(dòng)滯后的問題，所以才會(huì)出現(xiàn)對(duì)一些與高等化學(xué)知識(shí)銜接中出現(xiàn)困惑和爭(zhēng)論的問題.如果教材能夠與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)吸收成熟的理論成果進(jìn)行更大力度的推廣運(yùn)用，對(duì)需要銜接的概念、理論做一些鋪墊，既是對(duì)知識(shí)的升華，也能體現(xiàn)知識(shí)的發(fā)展遞進(jìn)關(guān)系，還有利于學(xué)生形成辯證思維、形成質(zhì)疑意識(shí)、形成更好的知識(shí)發(fā)展關(guān)聯(lián)，同時(shí)可以促使中學(xué)教師更新知識(shí).