《化学元素周期表》的正确认识与探索

张文康

（山西大学附属中学）

探索篇·课改论坛

《化学元素周期表》的正确认识与探索

张文康

（山西大学附属中学）

通过初高中化学的学习，认识到要想学好化学必须从正确学习和认识化学元素周期表入手，然而，要想真正理解《元素周期表》的科学本质，从中发现其奥秘，为化学的创新发展，从而更好地指导大家深入学习与实践领域，很有必要谈一些看法。

元素周期表；认识；探索

一、元素周期表中元素的标识及内涵

在《元素周期表》中，横行，称为周期，用阿拉伯数字表示。第1周期只有2种元素，第2、3周期各有8种元素，称为短周期。其他周期则称为长周期。纵列，称为族。共有18列，分为主族、副族和0族（第18列），共16个族。除0族外，由长短周期元素组成的族为主族（用A表示），只有长周期元素组成的族为副族（用B表示）。族序数用罗马数字表示。这样，第1、2、13、14、15、16、17可分别用ⅠA、ⅡA、ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA表示。第3、4、5、6、7列分别用ⅢB、ⅣB、ⅤB、ⅥB、ⅦBA表示；第8、9、10列用ⅧB表示；第11、12列，用ⅠB、ⅡB表示。其中，第IA族元素（除氢以外），通常又称为碱金属元素；第IIA族元素，称为碱土金属元素；第ⅦA族元素，称为卤族元素。第18列的0族元素，又称为稀有气体元素，或惰性元素，或饱和元素。在表的每一方格中，都有4行标识。第1行有两项内容：一项是用阿拉伯数字，表示该元素的原子序数，另一项是该元素的英文字母标识。用红色时是指放射性元素。第2行是该元素的文中名称；第3行是该元素的外围电子层排布，括号指可能的电子层排布。第4行的数值表示该元素的相对原子质量，加了括号的数据，则表示该放射性元素半衰期最长同位素的质量。在表中，相同颜色的元素具有相同的属性（金属性或非金属性），而对于过渡元素，特别加了红框。即通过颜色，即可确定某元素是金属，还是非金属，抑或是过渡性元素。

从列中可见，同一周期的元素，从左到右，具有相同的电子层，最外层电子在逐渐增多；其原子半径逐渐减小；电负性逐渐增大；获得电子的能力在增强；其金属性在减弱，非金属性随之在增强。其主族元素，从上到下，电子层数依次增加，原子半径在逐渐增大，电负性逐渐减小；失去电子的能力在增加，金属性在增强，非金属性在减弱。

不难看出，在表中，每一周期的元素具有相同的电子层数，并且，其周期数等于其核外电子层数。从左向右最外层电子数在逐渐增加。每主族的元素，其最外层电子数相同，从上到下，其电子层数不断递增。表格中的原子序数，不仅是指该元素排列的次序，也反映了该元素的核电荷数和质子数以及核外电子数。实际上是将原子序数=核电荷数=质子数=核外电子数这一内在规律隐藏在原子序数这一外表中了。这就告诉我们，一看到某一元素的原子序数，就必须要想到它的核电荷数、质子数和核外电子数。继而一定要想到它的原子结构，即核外电子的排布，即原子结构及其性质。从表中可见，每一主族元素具有相同的亚电子层和相同的外围电子数。这表明它们具有相近的得失电子的能力，从而表现出具有相近的金属性或非金属性。而非金属元素主要集中在右上角的三角区域，其三角边界附近，既具有一定的金属性，又具有一定的非金属性，而金属元素占据了其余大部分区域。

同一周期从左到右，元素具有相同的电子层，最外层电子逐渐增多；其原子半径逐渐减小；电负性逐渐增大；获得电子的能力在增强；其金属性在减弱，非金属性随之在增强。同一主族的元素，从上到下，元素的电子层数依次增加，原子半径在逐渐增大，电负性逐渐减小；失去电子的能力在增加，金属性在增强，非金属性在减弱。

二、元素周期表的理解与认识

学习化学既要从宏观上了解物质的性质，还要从微观上洞察其物质的结构，还必须能够正确地认识化学符号，即从宏观、微观和符号三个层面进行内在的关联，从而真正认识和理解元素周期律的实质和科学本质，并提高学生的科学素养。由此说来，对于周期律的认识与理解，并不能仅处在定论的基础上，而应以探索的方式及质疑的精神，在实验的基础上，根据实验现象对现有理论进行对照、比较，从中学会归纳、演绎、推理的方法，并根据自己的认识在广泛交流、讨论、辩论的基础上，形成新的见识。即回到“探索”真知的道路上，由感性认识上升到理性认识，由零散的认识上升到总体的认识，在怀疑、批判的基础上，按照否定之否定的方式确立新知（而不是盲目地接受现成定论的东西），并在探索的过程中养成科学的素养和习惯。

然而，科学素养的养成，必须磨砺艰苦朴素的耐力和毅力，在悉知元素周期表不断演变发展的过程中获得对科学本质的正确认识。因此，要从人类第一张元素周期表到目前所用的周期表的演变中来领略科学的精神（质疑、批判和创造）和科学的本质（探索）。必须清楚，物质的性质并不是由此就能决定的，而归纳，或演绎，或假设，或推理只是一种由感性认知上升为理性认知的手段，我们只能修正现有的定律和理论，使之符合客观的物质的本性，即自身的规律，而能歪曲事实去附庸它。因此，在认识元素周期律的过程中，我们必须打破常规，另辟蹊径，用新的视角来进行学习。

过去，我们常常从同一周期，同主族的视角来分析元素的周期律。很少从周期之间、族之间进行细致的分析比较。这就导致我们的学习，难以从更加广泛范围（从多学科的视角）认识元素周期律内在本质的东西，并加以更加科学合理的解释。事实上，我们完全可以加强与哲学的联系，即从“量变引起质变”的法则中，用元素周期律的事实进行相互佐证，也就是跳出化学学科的视角，以哲学视角和高度来认识元素周期律，从而在学习化学的过程中提高哲学文化素养。当然，我们还可以从元素周期表各元素在常温常压下，所呈现的物质状态的变化，即原子核电荷数的变化，使其呈现出由气态→固态→气态的变化；或金属性→非金属性→金属性的变化中来领略哲学中的“否定之否定”的原理。从而使我们感受到，各主族元素，如排在每一周期之首的碱金属（锂、钠、钾、铷、铯）所具有相似的化学性质，从本质上讲，并不是完全的重复，而是一种螺旋上升式的复归。这样就能从根本上提升我们的思维方式和思想境界。

事实上，如果从周期之间，或从族与族之间进行横向或纵向的整体比较，不难发现，在2、3周期之间处于斜对角线的两种元素性质的相似性大于同族元素，即存在对角线规则。如锂与镁、铍与铝、硼与硅、碳与磷、氮与硫、氧与氯这6对元素在周期表中具有对角相似性。那么，是什么因素导致这一结果的呢？事实上，要想搞清楚这个问题，只有将各种元素的核电荷数、原子半径、电负性及核外电子的分布，用量化的方法进行综合比较，才能让人信服。原子量的细微变化对于科学研究和工业生产具有重大意义，精确测量碳元素可以用来确定食物的纯度和来源。氮和氯则可以用于追踪河流和地下水的污染源。

三、元素周期表的价值与应用

元素周期律不仅揭示了元素之间的内在联系，还反映了元素性质与其原子结构的关系。经历了人类认识自然、改造自然、征服自然的过程，在哲学、自然科学、生产实践等方面具有极其重要的作用。（1）哲学方面，元素周期律揭示了元素原子核电荷数递增引起元素性质发生周期性变化的事实，揭示了一系列科学的理念，如结构决定性质、量变引起质变、复杂现象中蕴含着简洁的规律等，对我们认识世界、改造世界提供了有力的理论依据。它把元素纳入一个系统内，反映了元素间的内在联系，打破了曾经认为元素是互相孤立的形而上学观点，推动了唯物辩证法在自然科学中的应用；（2）在自然科学方面，化学是一门基础自然科学。元素周期律所具有的逻辑力量和惊人的预见性，成为寻找新元素的指南；（3）在生产实践方面，利用周期表中位置靠近的元素性质相似的事实，寻找新的物质。①农药的研制与生产。有毒元素主要集中于表的右下方，有毒之物多数是含Cl、P、S、N、As等元素的化合物。②半导体材料都是周期表里金属与非金属交界处的元素，如Ge、Si、Ga、Se等。③催化剂的选择：在过渡元素（包括稀土元素）中，由于其原子的d轨道没有充满，而具有催化的性能，如，利用铁、镍熔剂作催化剂，可使石墨在高温、高压下转化为金刚石。④耐高温、耐腐蚀的特种合金材料的制取：过渡元素中的钛、钽、钼、钨、铬，具有耐高温、耐腐蚀等特点，可制作特种合金以满足航海、航天工业的发展。

四、对未知元素的探索与创新发展

近年来，发现的新元素不少使用在科学界有重大影响的人物的名字命名，如：第101号元素钔是为纪念门捷列夫，第102号元素锘是为纪念诺贝尔。门捷列夫曾用元素周期律来预言未知元素并获得了证实。此后，它对物质结构理论的发展、原子物理学的发展起了一定的推动作用。特别是近年来多学科的相互借鉴与融合又产生了新的学科，如利用计算机程序解量子化学方程来计算物质的能量、偶极矩、振动频率等性质，模拟分子动力学，而形成了新的计算化学学科，为化学化工试验设计、数据与信息处理、分类、解析和预测。元素周期表揭示了一个非常重要而有趣的规律：元素的性质，随着原子量的增加呈周期性的变化，但又不是简单的重复，门捷列夫根据这个规律纠正了一些错误的原子量，还先后预言了多种未知元素并获得了证实，对物质结构理论的发展、原子物理学的发展起了一定的推动作用。特别是近年来多学科的相互借鉴与融合，又产生了新的学科，如利用计算机程序解量子化学方程来计算物质的能量、偶极矩、振动频率等性质，模拟分子动力学，而形成了新的计算化学学科，为化学化工试验设计、数据与信息处理、分类、解析和预测。在工业研究方面，可利用周期表中位置靠近的元素性质相似的事实，寻找新的物质。

总之，对于《元素周期表》的学习与认识，不能只停留在化学这门课程中，而应从物理、数学等多门课程中进行关联和渗透，从而建立更加广泛的联系，起到相互促进、协同的作用。不能形成各门课程单一互不联系，从本课程的角度单一看待问题的弊习。

此事激发了我在化学领域的浓厚兴趣，力争为未来的化学界提供更多创意，我们知道，这些量化的方法是计算化学这一学科所涉及内容。把各门学科进行结合、拓展、延伸，能够帮助我们根据自身的兴趣和爱好，可以深入大学相关专业学科中继续进行探索，以此为我们指明继续深造研究的方向。

·编辑温雪莲