从氧化数看同素异形体互变的反应类型

邓清贵

对同素异形体之间的互变是否属于氧化还原反应的问题，中学化学教学实践和一些网络资源的解释上存在一些误解.如对典型的互变反应“2O3=3O2”，有网络资源指出“特别注意：因为臭氧特殊的π键，故臭氧转化为氧气是一个氧化还原反应，2O3=3O2转移电子数为4/3mol”.笔者认为这个观点是不对的，其分析过程存在片面性，会对中学教学产生误导，不利于学生全面理解掌握氧化还原、价键理论的相关知识.

化合价的意义和数值与分子中化学键的类型有关，原意是某种元素的原子与其他元素的原子相化合时两种元素的原子数目之间一定的比例关系.中学阶段采用“反应前后是否有元素的化合价发生了变化”这一直观判据作为氧化还原反应的判断依据，并将其作为氧化还原反应的特征，师生也广泛接受运用这个方法，一般都没有问题.

日本化学教授桐山良一、美国著名化学家鲍林分别在1952年和1975年发表论说，对确定元素氧化数的方法制定了一些规则，严宣申教授2011年在《化学教育》杂志撰文《氧化数》对氧化数理论进行了通俗易懂的解释.氧化还原反应也得到了正式的定义：化学反应前后，元素的氧化数有变化的一类反应称作氧化还原反应.

据此看，中学阶段用于判断反应类型的“化合价”其实就是高等化学教程里所说的“氧化数”.用氧化数理论，可以更科学地解释中学阶段“化合价”理论所不能解释的问题.曾有教师撰文论述：用形成化学键的情况分析，从化合价的角度看，Cr2O72-转变为CrO5不属于氧化还原反应.我为此在《氧化数与化合价：兼与李东林老师讨论“一个值得商讨的问题”》一文中，从氧化数理论出发提出了不同看法，认为该反应属于氧化还原反应.

对于同素异形体的互变属于何种反应类型的问题，还是应该从氧化数理论出发去澄清认识.氧化数理论有自己的定义和标准，如单质的氧化数设定为0，这和中学所讲“单质的化合价为0”是一致的.因而，以2O3=3O2为代表的同素异形体之间的互变都不属于氧化还原反应，因为氧化数没有发生变化.吴国庆教授在《对一些中学生网友提问的回答》一文中，也以回答学生提问的方式对此做了强调.如果一定要指定一种反应类型，那么这些反应可以归结为“非氧化还原反应”中的“同素异形体互变反应”，也不属于传统的四大反应类型.

有部分教师提出：从分子结构的角度看，O3分子内的π键导致三个原子事实上不等同，并从共价键的电荷分布角度分析，得出氧原子分别具有不同的化合价，进而得出“氧原子化合价不为0” 的观点.我认为这种思维存在知识缺陷，是没有正确理解化合价理论的发展变迁所致.从原子带电荷情况以及共价键构型的角度分析化合价，属于行将淘汰的“电价”理论，但目前在中学阶段所提的“化合价”已经不是单纯依靠电价理论，而是融合了氧化数理论，只不过没有广泛正式使用“氧化数”这一名称而已，此“化合价”已非彼“化合价”.

由此，还可以引发对“反应类型”的更深层次认识.在初中刚学习化学的入门阶段，除了向学生介绍四大基本反应类型——化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应，还会从简单的“得失氧、得失氢”的观察上介绍氧化还原反应，重在观察反应的外在——物质的组成形式.教師要注意强调，这四大类型的反应是“基本”类型，是在无数的化学反应中占比例比较高的、有明显规律可循的反应，但不能涵盖所有的反应.高中化学学习阶段进一步提升了氧化还原反应的内涵，相比较于初中时对于化学式中“氢氧得失”情况的直接观察，更体现了对物质的结构变化的认识，其判断依据——“化合价”——本身在概念和数值上就具有物质结构的属性.

自2004年课程标准实施以后，高中化学教材实现了多样化，有教材对“氧化数”的引入开始做了尝试.如山东科技出版社前期出版的高中《有机化学基础》选修模块课本，曾在有机化学反应中引入氧化数的概念，并运用于反应类型的判断；有一些中学教师也较早就在进行引入氧化数概念的尝试.但大部分中学教材一直在遵循传统，坚持使用化合价一词.中学教师作为教学的组织引导者，在知识更新、主动探索方面也存在行动滞后的问题，所以才会出现对一些与高等化学知识衔接中出现困惑和争论的问题.如果教材能够与时俱进，及时吸收成熟的理论成果进行更大力度的推广运用，对需要衔接的概念、理论做一些铺垫，既是对知识的升华，也能体现知识的发展递进关系，还有利于学生形成辩证思维、形成质疑意识、形成更好的知识发展关联，同时可以促使中学教师更新知识.