黃華奇　陳福盛　黃榮彬，*

（1廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建廈門361005；2龍海第五中學(xué)，福建漳州363000）

·師生筆談·

基本化學(xué)反應(yīng)形式的系統(tǒng)分類

黃華奇1陳福盛2黃榮彬1，*

（1廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建廈門361005；2龍海第五中學(xué)，福建漳州363000）

現(xiàn)行教材的化學(xué)反應(yīng)分類以繁多的化學(xué)反應(yīng)事實為對象，缺乏系統(tǒng)性。本文以基本化學(xué)反應(yīng)形式為對象對反應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分類，并且用多置換反應(yīng)取代現(xiàn)行中文教材所稱的復(fù)分解反應(yīng)，而把復(fù)分解反應(yīng)一詞用于指稱新增的一類基本反應(yīng)形式，即復(fù)雜分解反應(yīng)。對基本化學(xué)反應(yīng)形式進(jìn)行系統(tǒng)分類有助于發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)。

化學(xué)反應(yīng)；系統(tǒng)分類；多置換反應(yīng)；復(fù)雜分解反應(yīng)

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1　引言

化學(xué)是在分子層次上研究物質(zhì)的組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律的科學(xué)；在分子層次進(jìn)行的物質(zhì)變化涉及化學(xué)反應(yīng)。認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)是化學(xué)教育的基本內(nèi)容。分子由原子組成，原子不滅、質(zhì)量守恒?；瘜W(xué)反應(yīng)是反應(yīng)物分子中原子的結(jié)合與分離、反應(yīng)物成分交換的過程，這個過程還涉及有無伴隨電子轉(zhuǎn)移等特征。所有的化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)概念的外延，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的特征進(jìn)行系統(tǒng)分類，是明確化學(xué)反應(yīng)概念的重要思維方法。

長期以來，國內(nèi)化學(xué)教學(xué)方面對化學(xué)反應(yīng)的介紹，先是初中階段介紹了化合反應(yīng)、分解反應(yīng)、置換反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)，然后到高中階段，增加了氧化還原反應(yīng)。然而，氧化還原反應(yīng)不能與上述4種反應(yīng)并列。

現(xiàn)行化學(xué)教材對化學(xué)反應(yīng)的分類，以繁雜的化學(xué)反應(yīng)事實（內(nèi)容）為對象，缺乏系統(tǒng)性。例如，沒有對化合反應(yīng)進(jìn)一步細(xì)分；用復(fù)分解反應(yīng)指稱double replacement reaction（雙置換反應(yīng)）；認(rèn)為雙置換反應(yīng)都是非氧化還原反應(yīng)，忽略了氧化還原的雙置換反應(yīng)；缺了由多種反應(yīng)物參與的一類復(fù)雜分解反應(yīng)。本文根據(jù)概念劃分的原則，對基本化學(xué)反應(yīng)形式進(jìn)行系統(tǒng)的分類，用“二分法”把所有反應(yīng)劃分為氧化還原反應(yīng)和非氧化還原反應(yīng)，再把化合反應(yīng)、分解反應(yīng)、置換反應(yīng)進(jìn)行二分，增設(shè)多置換反應(yīng)一詞，不僅僅限于雙置換反應(yīng)，把復(fù)雜分解反應(yīng)一詞用于指稱新增的一類基本反應(yīng)形式。正確的、合乎規(guī)則的系統(tǒng)分類有助于全面認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，防止出現(xiàn)盲點又有助于找出空白點，有利于明晰概念；概念明晰則有利于發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)，促進(jìn)創(chuàng)新。

2　現(xiàn)行化學(xué)教材化學(xué)反應(yīng)的分類及其不足

目前國內(nèi)通行的基礎(chǔ)化學(xué)教材［1，2］以化學(xué)反應(yīng)事實為對象進(jìn)行分類，把化學(xué)反應(yīng)分為：

①化合反應(yīng)：兩種或兩種以上的物質(zhì)生成另一種物質(zhì)的反應(yīng)。

A+B+…=C

②分解反應(yīng)：一種物質(zhì)生成兩種或兩種以上其他物質(zhì)的反應(yīng)。

A=B+C+…

③置換反應(yīng)：一種單質(zhì)跟一種化合物反應(yīng)生成另一種單質(zhì)和另一種化合物的反應(yīng)。

A+BC=AC+B

④復(fù)分解反應(yīng)：兩種化合物相互交換成分，生成另外兩種化合物的反應(yīng)。

AB+CD=AD+CB

復(fù)分解反應(yīng)前后各元素和原子團(tuán)的化合價都保持不變。

⑤氧化還原反應(yīng)。

這樣的分類存在一些不足。

首先，前兩個定義使用了“物質(zhì)”一詞，而后兩個定義使用的是“單質(zhì)”和“化合物”，這就易于造成混淆。雖然這里的物質(zhì)容易理解為化學(xué)物質(zhì)，但化學(xué)物質(zhì)除了純凈物還有混合物。單質(zhì)和化合物是純凈物的全部，化學(xué)反應(yīng)應(yīng)該明確是在純凈物之間進(jìn)行，也就是，單質(zhì)與單質(zhì)，單質(zhì)與化合物，化合物與化合物之間進(jìn)行。

其次，前兩個定義沒有對反應(yīng)物和生成物進(jìn)行必要的特征限制，例如，對化合反應(yīng)的特征應(yīng)該限定從小到大，或者從簡單到復(fù)雜；對分解反應(yīng)應(yīng)該限定從大到小，或者從復(fù)雜到簡單。

再次，這里定義的分解反應(yīng)，實際上只是簡單的分解反應(yīng)，沒有考慮到復(fù)雜的分解反應(yīng)，即多個反應(yīng)物之間發(fā)生的分解反應(yīng)。在此情形下，多個反應(yīng)物參與是發(fā)生分解反應(yīng)的必要條件，如果沒有多個反應(yīng)物參與，那么這個分解反應(yīng)不會發(fā)生，所以這是一類反應(yīng)，屬于分解反應(yīng)。而化合反應(yīng)也可以存在生成多個生成物的復(fù)雜化合反應(yīng)情形。

最后，關(guān)于置換反應(yīng)，顧名思義，就是反應(yīng)物之間交換成分的反應(yīng)，這里的成分指的是單質(zhì)原子，或者構(gòu)成反應(yīng)物和產(chǎn)物的原子團(tuán)、離子等。這里定義的置換反應(yīng)僅限定在單質(zhì)和化合物之間進(jìn)行，是不夠全面的，只概括了單置換反應(yīng)。實際上，置換反應(yīng)可以發(fā)生在兩種或多種化合物之間的多成分交換，是為多置換反應(yīng)?？墒?，這類反應(yīng)被不恰當(dāng)?shù)赜脧?fù)分解反應(yīng)來指稱，復(fù)分解反應(yīng)是分解反應(yīng)，不是置換反應(yīng)。如果把雙置換反應(yīng)稱為復(fù)分解反應(yīng)，而由于其中也存在化合反應(yīng)，是不是也可以稱為復(fù)化合反應(yīng)？現(xiàn)有分類也忽略了氧化還原的多置換反應(yīng)。

需要特別指出的是，氧化還原反應(yīng)與前4類反應(yīng)并不是并列關(guān)系，而是包含或包含于的關(guān)系，氧化還原反應(yīng)和非氧化還原反應(yīng)都包含這4類反應(yīng)，或者這4類反應(yīng)都可以相應(yīng)地分為氧化還原的和非氧化還原的反應(yīng)，把“復(fù)分解反應(yīng)”限定于非氧化還原反應(yīng)缺乏理論支撐，會形成全面認(rèn)識的盲點。

國外的基礎(chǔ)化學(xué)教材［3－5］也沒有對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的分類。有的教材［4］把化學(xué)反應(yīng)分為5類，即：燃燒反應(yīng)、化合反應(yīng)、分解反應(yīng)、單置換反應(yīng)和雙置換反應(yīng)。雖然用雙置換反應(yīng)取代了復(fù)分解反應(yīng)，但是單置換反應(yīng)和雙置換反應(yīng)不是矛盾關(guān)系，不能包括所有的置換反應(yīng)。把燃燒反應(yīng)獨立出來與化合反應(yīng)并列并不恰當(dāng)，因為有的燃燒反應(yīng)是化合反應(yīng)，它們不是相異關(guān)系不能并列，教材也沒有處理氧化還原反應(yīng)與這些反應(yīng)的關(guān)系，缺乏系統(tǒng)性。國外教材不再延用“double decomposition reaction”（譯為“復(fù)分解反應(yīng)”），而用“double replacement reaction”即雙置換反應(yīng)，“metathesis reaction”則指稱非氧化還原的雙置換反應(yīng)［3］。

3　化學(xué)反應(yīng)形式的分類

3.1分類的原則

化學(xué)以分子為研究層次，分子由原子組成?；瘜W(xué)變化過程原子不滅、質(zhì)量守恒?；瘜W(xué)反應(yīng)是相關(guān)反應(yīng)物分子中原子的結(jié)合與分離以及成分交換的變化過程，而且，化學(xué)反應(yīng)還有電子轉(zhuǎn)移（元素原子化合價或氧化數(shù)變化）和沒有電子轉(zhuǎn)移（元素原子化合價或氧化數(shù)不變）之分，這是化學(xué)反應(yīng)的基本屬性。根據(jù)這些屬性，我們對化學(xué)反應(yīng)形式進(jìn)行系統(tǒng)的分類。首先以反應(yīng)是否伴隨電子轉(zhuǎn)移為特征用“二分法”把所有化學(xué)反應(yīng)劃分為氧化還原反應(yīng)和非氧化還原反應(yīng)。而后，把所有以原子之間的結(jié)合為主由小變大或由簡單變復(fù)雜的反應(yīng)劃分為化合反應(yīng)并進(jìn)一步細(xì)分為簡單和復(fù)雜；以原子之間的分離為主由大變小或由復(fù)雜變簡單的劃分為分解反應(yīng)并進(jìn)一步細(xì)分為簡單和復(fù)雜；以成分交換為特征的劃分為置換反應(yīng)并進(jìn)一步細(xì)分為單置換和多置換。還可以根據(jù)其他特征繼續(xù)進(jìn)行劃分。所有的化學(xué)反應(yīng)都可以分解為基本化學(xué)反應(yīng)的組合。

概念外延的劃分是明確概念外延的思維方法。化學(xué)反應(yīng)的分類屬于概念外延的劃分。進(jìn)行劃分需要遵守邏輯學(xué)關(guān)于劃分的規(guī)則［6］，這些規(guī)則是：

①各子項外延之和必須等于母項的外延。

②每次劃分必須使用同一劃分標(biāo)準(zhǔn)。

③每次劃分各子項外延應(yīng)互不相容。

④劃分應(yīng)該逐級進(jìn)行。

化學(xué)反應(yīng)劃分以后形成的基本化學(xué)反應(yīng)類型要互為并列關(guān)系（相異關(guān)系），例如，分解反應(yīng)不是化合反應(yīng)，復(fù)分解反應(yīng)是分解反應(yīng)（子類的成員是大類的成員，這是公理），不是置換反應(yīng)。

3.2基本化學(xué)反應(yīng)形式的系統(tǒng)分類和示例

這里所說的化學(xué)反應(yīng)形式指以單質(zhì)或化合物為參與單位且以其書寫的化學(xué)反應(yīng)方程式所表達(dá)的反應(yīng)形式，化學(xué)事實上相同但書寫不同的反應(yīng)方程式可以被歸入不同的反應(yīng)形式，例如：

NaHCO3+HCl=NaCl+CO2+H2O

是一種反應(yīng)形式，如果寫成如下形式：

NaHCO3+HCl=NaCl+H2CO3

則可以被歸入不同的反應(yīng)形式。

而基本化學(xué)反應(yīng)形式指所書寫的反應(yīng)方程式不包含其他的反應(yīng)方程式，也就是說，它不可以被分解為兩個或兩個以上其他反應(yīng)式的相加。

本文以基本化學(xué)反應(yīng)形式為對象，以反應(yīng)物和生成物的形式特征為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)分類，遵守化學(xué)理論規(guī)則，例如認(rèn)為H2CO3分子式符合化學(xué)規(guī)則，是一種化合物，不斷定它不存在。努力把繁多的實驗事實納入系統(tǒng)分類體系。根據(jù)系統(tǒng)分類，理論上可以預(yù)測一些新反應(yīng)的例子，促進(jìn)新發(fā)現(xiàn)，化學(xué)教學(xué)要克服“舉不出例子的就是不存在的”思維模式。

①化合反應(yīng)：兩種或兩種以上單質(zhì)或化合物生成一種或多種復(fù)雜化合物的反應(yīng)?？煞譃楹唵位戏磻?yīng)和復(fù)雜化合反應(yīng)。

（a）簡單化合反應(yīng)：兩種或兩種以上單質(zhì)或化合物生成一種復(fù)雜化合物的反應(yīng)。反應(yīng)形式表示如下：

A+B+…=C

這里的反應(yīng)物A和B是小的或者簡單的純凈物，生成物C是大的或者復(fù)雜的化合物?；戏磻?yīng)的基本特征是從小變大、從簡單變復(fù)雜。例如：

H2+Cl2=2HCl

雖然上例的反應(yīng)物和生成物都是雙原子分子，但是單質(zhì)是小的、簡單的，化合物是復(fù)雜的，符合由簡單變復(fù)雜的特征，歸為化合反應(yīng)，但只生成一種復(fù)雜的化合物，是簡單化合反應(yīng)。

（b）復(fù)雜化合反應(yīng)：兩種或兩種以上單質(zhì)或化合物生成一種或以上復(fù)雜化合物的反應(yīng)。用反應(yīng)形式表示如下：

A+B+…=C+D+…

這里的反應(yīng)物A和B至少有一種是小的或者簡單的純凈物，生成物中至少有一種是大的或者復(fù)雜的化合物?；戏磻?yīng)的基本特征是從小變大、從簡單變復(fù)雜。例如：

CH4+2O2=CO2+2H2O

反應(yīng)物和生成物在大小和復(fù)雜差異程度不顯著的情況下，以有單質(zhì)反應(yīng)物作為判斷化合反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)?；戏磻?yīng)也有氧化還原的和非氧化還原的反應(yīng)之分。

②分解反應(yīng)：由大的或復(fù)雜的化合物生成小的或簡單的純凈物的反應(yīng)。按照參與分解反應(yīng)的反應(yīng)物種數(shù)量劃分為簡單分解反應(yīng)和復(fù)雜分解反應(yīng)。

（a）簡單分解反應(yīng)：由一種大的或復(fù)雜的化合物生成小的或者簡單的純凈物的反應(yīng)，用反應(yīng)形式表示如下：

A=B+C+…

這里的A代表大的或者復(fù)雜的化合物，B和C代表小的或簡單的純凈物，之所以說是純凈物，是因為產(chǎn)物可能是單質(zhì)，也可能是化合物。例如：

CaCO3=CaO+CO2

2KClO3=2KCl+3O2

前者屬于非氧化還原反應(yīng)，后者屬于氧化還原反應(yīng)。

（b）復(fù)雜分解反應(yīng)：即多種化合物之間發(fā)生的分解反應(yīng)。在此情形下，多個化合物參與是發(fā)生分解反應(yīng)的必要條件，所以，它是一類反應(yīng)。用反應(yīng)形式表示如下：

A+B+…=C+D+…

這里的A和B代表大的或者復(fù)雜的化合物，C和D代表小的或簡單的純凈物。例如：

NaHCO3+HCl=NaCl+CO2+H2O

2KMnO4+3H2C2O4=2MnO2+K2CO3+3H2O+5CO2

前者是非氧化還原的復(fù)雜分解反應(yīng)例子，后者是氧化還原的復(fù)雜分解反應(yīng)。如果這類反應(yīng)中有一個是大的或者復(fù)雜的生成物，顯示出化合的特征，則以化合為劃分標(biāo)準(zhǔn)，把它歸為復(fù)雜化合反應(yīng)。

前面提到的燃燒反應(yīng)［5］是一個比較籠統(tǒng)的說法，是有單質(zhì)氧參與的伴隨發(fā)光發(fā)熱的劇烈氧化反應(yīng)，在大類上屬于氧化還原反應(yīng)。但是，有氧參與的氧化反應(yīng)還有不伴隨發(fā)光發(fā)熱的、緩和的非燃燒反應(yīng)。即使是燃燒反應(yīng)還有燃燒物是小的、簡單的物種參與的化合反應(yīng)，也有燃燒物是大的、復(fù)雜的物種參與的分解反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)劃分能夠清晰全面地認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)。本文不可能對所有的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行完整的分類闡述，只是介紹系統(tǒng)劃分的方法和規(guī)則。

③置換反應(yīng)：反應(yīng)物之間通過交換成分生成產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)。置換反應(yīng)的特征是交換成分，這里的成分是原子、原子團(tuán)、離子，下文的英語字母有的用于表示成分。根據(jù)交換成分的數(shù)目，可將置換反應(yīng)劃分為單置換反應(yīng)和多置換反應(yīng)。

（a）單置換反應(yīng)：一種單質(zhì)與一種化合物反應(yīng)生成另一種單質(zhì)和另一種化合物的反應(yīng)，用反應(yīng)形式表示如下：

A+B－C=A－C+B

金屬與金屬鹽的反應(yīng)，金屬與酸的反應(yīng)，金屬與堿的反應(yīng)等是其典型例子。所有單置換反應(yīng)涉及單質(zhì)變成化合物，一定有電子轉(zhuǎn)移發(fā)生，都是氧化還原反應(yīng)。例如：

Zn+2HCl=ZnCl2+H2

但是，也存在單質(zhì)參與反應(yīng)但不發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的單置換反應(yīng)，屬于非氧化還原反應(yīng)，例如：

5Ni+4Fe（CO）5=5Ni（CO）4+4Fe

（b）多置換反應(yīng)：多種化合物相互交換成分，生成另外多種化合物的反應(yīng)，用反應(yīng)形式表示如下：

A－B+C－D+…=A－D+C－B+…

盡管反應(yīng)式包含有反應(yīng)物的分解，但也包含有化合反應(yīng)，化合和分解不是它的主要特征，它的主要特征是交換成分，屬于置換反應(yīng)，不宜用復(fù)分解反應(yīng)來指稱。多置換反應(yīng)前后各元素的化合價并不要求保持不變，可以是氧化還原反應(yīng)，也可以不是，這與現(xiàn)行教材的闡述不同。例如：

NaHCO3+HCl=NaCl+H2CO3

AgCl+HBr=AgBr+HCl

2FeCl3+SnCl2=2FeCl2+SnCl4

前兩者是非氧化還原的多置換反應(yīng)，后者是氧化還原的多置換反應(yīng)。

以上所列基本化學(xué)反應(yīng)形式的系統(tǒng)分類可用圖1表示，它符合劃分的規(guī)則。這個系統(tǒng)劃分也可以用歐拉圖［6］（圖2）來表示。

圖1　基本化學(xué)反應(yīng)形式分類樹狀圖

圖2　基本化學(xué)反應(yīng)形式分類歐拉圖

邏輯學(xué)用歐拉圖表示概念的外延。圖2中用一個圓圈表示所有的基本化學(xué)反應(yīng)形式，圈外的面積表示非基本化學(xué)反應(yīng)形式（不是基本化學(xué)反應(yīng)形式的事物）。以有無電子轉(zhuǎn)移為特征，把所有的化學(xué)反應(yīng)形式用“二分法”劃分為氧化還原反應(yīng)和非氧化還原反應(yīng)。它們又可以各自劃分為化合反應(yīng)、分解反應(yīng)和置換反應(yīng)，還可繼續(xù)進(jìn)行多級劃分，每級劃分以一個標(biāo)準(zhǔn)為主。本文進(jìn)行的基本化學(xué)反應(yīng)形式分類還可繼續(xù)進(jìn)行下去。用歐拉圖表示劃分能做到符合劃分規(guī)則。

4　結(jié)語

本文從思維規(guī)則出發(fā)，指出了現(xiàn)行化學(xué)教材對化學(xué)反應(yīng)的分類缺乏系統(tǒng)性，應(yīng)用概念外延劃分的方法和規(guī)則，初步嘗試了一個基本化學(xué)反應(yīng)形式的系統(tǒng)分類，并用樹狀分類圖和歐拉圖來表示?；瘜W(xué)反應(yīng)形式的系統(tǒng)劃分能防止形成盲點又有助于找出空白之處，能促進(jìn)新發(fā)現(xiàn)。劃分是明確概念的方法之一，概念明確就是對事物本質(zhì)特征的正確認(rèn)識，而明確的概念是有效推理的基礎(chǔ)，對促進(jìn)創(chuàng)新有重要意義。

［1］王晶，鄭長龍.義務(wù)教育教科書——化學(xué)（上冊）.北京:人民教育出版社，2012:35－39.

［2］王晶，鄭長龍.義務(wù)教育教科書——化學(xué)（下冊）.北京:人民教育出版社，2012:11－75.

［3］Bodner，G.M.；Pardue，H.L.Chemistry，an Experimental Science，2nd ed.；John Wiley&Sons，Inc.:New York，1995；pp 312－313.

［4］Brown，T.L.；LeMay，H.E.；Bursten，B.E.Chemistry the Central Science，10th ed.；北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:128－129.

［5］Burns，R.A.Fundamentals of Chemistry，4th ed.；北京:Higher Education Press，2004:286－300.

［6］華東師范大學(xué)哲學(xué)系邏輯學(xué)教研室.形式邏輯.上海:華東師范大學(xué)出版社，2009:39－43.

A Systematic Classification of Basic Chemical Reactions

HUANG Hua-Qi1CHEN Fu-Sheng2HUANG Rong-Bin1，*
（1College of Chemistry and Chemical Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，F(xiàn)ujian Province，P.R.China；2Longhai Fifth Middle School，Zhangzhou 363000，F(xiàn)ujian Province，P.R.China）

The old classification of basic chemical reactions was evaluated and a new systematic classification of basic reactions was proposed.In the new classification，all the chemical reactions were divided into oxidation-reduction reactions and non-oxidation-reduction reactions，and both can be divided into combination reaction，decomposition reaction and replacement reaction，respectively.In addition，a new class of basic reactions，the complicated decomposition reaction，was appended to reaction system.

Chemical reaction；Classification；Multi-replacement reaction；Complicated decomposition reaction

G64；O61

10.3866/PKU.DXHX201512021

，Email:rbhuang@xmu.edu.cn