人教版化學(xué)教科書(shū)元素周期表和相對(duì)原子質(zhì)量表的內(nèi)容變化與解讀

一、歷史的回顧——化學(xué)教科書(shū)中元素周期表和相對(duì)原子質(zhì)量表的起源

元素周期表是元素周期律的具體表現(xiàn)形式，形象地展示了元素之間的內(nèi)在聯(lián)系與遞變關(guān)系，使化學(xué)學(xué)習(xí)和研究變得有規(guī)律可循；相對(duì)原子質(zhì)量是自然科學(xué)中的重要基本數(shù)據(jù)，是進(jìn)行化學(xué)定量研究的基石。二者歷來(lái)受到化學(xué)家和化學(xué)教育工作者的高度重視。清朝末年我國(guó)最早出現(xiàn)的一批化學(xué)教科書(shū)，如1903年商務(wù)印書(shū)館出版的《最新中學(xué)教科書(shū)化學(xué)》列入了“原質(zhì)簡(jiǎn)要表”（“原質(zhì)”即元素）。表中將相對(duì)原子質(zhì)量稱(chēng)為“元重”，列舉了68種元素的中文名稱(chēng)、元素符號(hào)、相對(duì)原子質(zhì)量和發(fā)現(xiàn)日期，可謂相對(duì)原子質(zhì)量表的雛形。1905年商務(wù)印書(shū)館出版的《化學(xué)新教科書(shū)》在附錄中加入了“周期律表”和“金類(lèi)之比熱、原子量及原子熱”，開(kāi)始使用了原子量[1]這一名詞。 相對(duì)原子質(zhì)量以前稱(chēng)原子量，根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3102.8-1993，目前在國(guó)內(nèi)教科書(shū)和文獻(xiàn)中大都使用相對(duì)原子質(zhì)量（relative atomic mass）。而出于習(xí)慣，部分國(guó)外組織和文獻(xiàn)仍使用原子量（atomic weight）的說(shuō)法，如國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)下屬的原子量與同位素豐度委員會(huì)（Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights）及其發(fā)布的《Atomic weights of the elements》。兩種說(shuō)法在當(dāng)下文獻(xiàn)中均有出現(xiàn)，目前學(xué)術(shù)界尚有爭(zhēng)議，而1907年中國(guó)圖書(shū)公司出版的《最新化學(xué)理論解說(shuō)》[2]中則已經(jīng)出現(xiàn)了和現(xiàn)代教科書(shū)中形式非常接近的元素周期表和原子量表（圖1）。百年來(lái)，元素周期表和相對(duì)原子質(zhì)量表出現(xiàn)在不同時(shí)期各種版本的化學(xué)教科書(shū)中，成為公眾視野中化學(xué)學(xué)科的一個(gè)標(biāo)志性符號(hào)。

元素周期表和相對(duì)原子質(zhì)量表是自然界中物質(zhì)固有規(guī)律和性質(zhì)的具體體現(xiàn)，因而具有一定的客觀性和相對(duì)穩(wěn)定性，其基本形式百年來(lái)沒(méi)有發(fā)生根本變化。但隨著人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的不斷深入和測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展，新元素陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)精度日益提高，元素周期表和相對(duì)原子質(zhì)量表的內(nèi)容也跟隨時(shí)代不斷地被充實(shí)和修正。2013年出版的人教版義務(wù)教育化學(xué)教科書(shū)和普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)根據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)，對(duì)元素周期表和相對(duì)原子質(zhì)量表作了較大的修訂。本文以下內(nèi)容就二者的主要變化進(jìn)行說(shuō)明，并對(duì)修訂的原因和依據(jù)進(jìn)行了解析。

二、元素周期表中新元素的補(bǔ)充

門(mén)捷列夫在創(chuàng)制元素周期表時(shí)，敏感地認(rèn)識(shí)到當(dāng)時(shí)已知的60余種元素遠(yuǎn)非整個(gè)元素大家族的全部成員，大膽預(yù)言了尚未發(fā)現(xiàn)的元素，并為它們?cè)谥芷诒碇辛粝驴瘴唬S后這些元素的一一發(fā)現(xiàn)也證實(shí)了門(mén)捷列夫的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)。最近幾十年，美、俄、德、中、日等國(guó)的研究人員合成了101～118號(hào)元素，不斷填充了周期表中的空位。國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）陸續(xù)對(duì)新發(fā)現(xiàn)元素給予定名，最近的是2012年5月公布的114、116號(hào)元素[3]。目前101～112號(hào)，以及114號(hào)和116號(hào)元素均已取得正式定名。全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)根據(jù)IUPAC的決定，經(jīng)過(guò)在全國(guó)廣泛征求意見(jiàn)，對(duì)專(zhuān)家提出的擬定名進(jìn)行篩選和討論，陸續(xù)確定并公布了101～112號(hào)元素的中文定名（表1）[4]。2013年版的人教版化學(xué)教科書(shū)中的元素周期表已將第7周期原有的空位填充完整，對(duì)尚未取得中文定名的元素以淺灰色加以區(qū)分。相對(duì)原子質(zhì)量表中也相應(yīng)補(bǔ)充了這些元素。

表1 101～112號(hào)及114、116號(hào)元素的名稱(chēng)及有關(guān)信息

三、相對(duì)原子質(zhì)量數(shù)據(jù)的修訂

相對(duì)原子質(zhì)量的數(shù)據(jù)十分重要，正如我國(guó)著名化學(xué)家傅鷹所說(shuō)，沒(méi)有可靠的原子量，就不可能有可靠的分子式，不可能了解化學(xué)反應(yīng)的意義，不可能有門(mén)捷列夫的周期表。沒(méi)有周期表，則現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展特別是無(wú)機(jī)化學(xué)的發(fā)展是不可想象的。國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)下屬的原子量與同位素豐度委員會(huì)根據(jù)大量文獻(xiàn)資料，逐一權(quán)衡各元素的相對(duì)原子質(zhì)量，自1969年起，一般每?jī)赡暝凇都兇馀c應(yīng)用化學(xué)》雜志（Pure and Applied Chemistry）上以IUPAC技術(shù)報(bào)告的形式發(fā)布一次新的“標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)原子質(zhì)量”[5]。目前，人教版中學(xué)化學(xué)教科書(shū)中的元素周期表和相對(duì)原子質(zhì)量表依據(jù)該委員會(huì)2011年發(fā)布的數(shù)據(jù)[6]進(jìn)行了修訂。

元素的相對(duì)原子質(zhì)量定義為元素的平均原子質(zhì)量與核素12C原子質(zhì)量的1/12之比。

Ar（E）=■ （1）

式中Ar（E）為元素E的相對(duì)原子質(zhì)量，fi為同位素iE的豐度，ma（iE）為該同位素的原子質(zhì)量。根據(jù)式（1），相對(duì)原子質(zhì)量的準(zhǔn)確度（不確定度）一方面來(lái)源于測(cè)量的實(shí)驗(yàn)誤差，包括同位素質(zhì)量的測(cè)定誤差和同位素豐度的測(cè)定誤差；另一方面來(lái)源于天然樣品的同位素豐度差異。目前使用質(zhì)譜法測(cè)定同位素質(zhì)量的準(zhǔn)確度很高，因此相對(duì)原子質(zhì)量的主要誤差來(lái)源于同位素豐度的測(cè)定[7]。

多年來(lái)，很多人一直認(rèn)為元素的相對(duì)原子質(zhì)量是一個(gè)單一的確定數(shù)值。對(duì)于目前已知的單核素元素（mononuclidic element），即Be、F、Na、Al、P、Sc、Mn、Co、As、Y、Nb、Rh、I、Cs、Pr、Tb、Ho、Tm、Au、Bi、Th、Pa22種元素，式（1）中fi=1，其相對(duì)原子質(zhì)量的準(zhǔn)確度僅取決于單一核素原子質(zhì)量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)誤差，由于質(zhì)譜法的測(cè)量精度很高，故這類(lèi)元素相對(duì)原子質(zhì)量數(shù)值的準(zhǔn)確度很高。對(duì)于存在兩種及以上同位素的大多數(shù)元素，同位素豐度的差異對(duì)相對(duì)原子質(zhì)量的準(zhǔn)確度具有較大影響。

放射性元素在自然界中沒(méi)有代表性的同位素豐度組成，除了釷、鏷、鈾三種元素存在壽命較長(zhǎng)的天然放射性同位素外，其余放射性元素均無(wú)相對(duì)原子質(zhì)量可言[8]。在化學(xué)教科書(shū)的元素周期表和相對(duì)原子質(zhì)量表中，取半衰期最長(zhǎng)的同位素的質(zhì)量數(shù)，并加方括號(hào)予以區(qū)分。修訂后兩表中的新增元素均為人造放射性元素，今后如有壽命更長(zhǎng)的同位素被發(fā)現(xiàn)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)還將相應(yīng)變化。

在自然環(huán)境中，含有輕重同位素的物質(zhì)由于理化性質(zhì)略有差異，當(dāng)它們參加反應(yīng)或經(jīng)歷其他變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定程度的分離和富集，產(chǎn)生同位素分餾效應(yīng)（isotope fractionation effect），引起同位素豐度的變化。例如，自然界的碳循環(huán)，12C、13C和14C三種同位素中的輕同位素容易進(jìn)入有機(jī)質(zhì)中，而重同位素在無(wú)機(jī)碳酸鹽中得到富集。海洋碳酸鹽中的14C豐度比大氣二氧化碳中的高，海生植物中的13C豐度也較陸生植物的高。對(duì)于大多數(shù)元素而言，這種豐度變化極其微小。但少數(shù)元素天然同位素的組成變動(dòng)范圍較寬，例如天然樣品中10B的豐度為19.1%～20.3%，18O的豐度為0.188%～0.208%。在這種情況下，測(cè)量數(shù)據(jù)的變異范圍實(shí)際上反映了自然界中該元素同位素的豐度漲落，導(dǎo)致相對(duì)原子質(zhì)量數(shù)值的不確定度大于測(cè)量準(zhǔn)確度，難以得到更為精確的相對(duì)原子質(zhì)量[5，9]。2009年原子量與同位素豐度委員會(huì)在奧地利維也納召開(kāi)會(huì)議，決定將H、Li、B、C、N、O、Si、S、Cl、Tl10種元素的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)原子質(zhì)量采用區(qū)間的方式[a；b]（表示a≤Ar≤b）進(jìn)行標(biāo)注（表2），表明這些元素的相對(duì)原子質(zhì)量不是一個(gè)定值，以反映其相對(duì)原子質(zhì)量的變化性，更準(zhǔn)確地體現(xiàn)這些元素在自然界中的實(shí)際存在狀況[10]。2013年版的人教版化學(xué)教科書(shū)中的相對(duì)原子質(zhì)量表采用了這些新的數(shù)據(jù)。而在一般情況下，對(duì)于未特別指明的樣品的相關(guān)計(jì)算，IUPAC技術(shù)報(bào)告中也給出了供參考的相對(duì)原子質(zhì)量數(shù)值，作為慣用相對(duì)原子質(zhì)量。人教版化學(xué)教科書(shū)中的元素周期表則采用了這一系列數(shù)據(jù)。

隨著對(duì)一系列元素相對(duì)原子質(zhì)量的相關(guān)調(diào)查和評(píng)審的進(jìn)行，一些元素的相對(duì)原子質(zhì)量數(shù)值還可能進(jìn)行修正。實(shí)際上，根據(jù)2013年4月29日IUPAC公布的技術(shù)報(bào)告《Atomic weights of the elements 2011》[11]，溴的相對(duì)原子質(zhì)量已由79.904（1）改為[79.901；79.907]，鎂則由24.3050（6）改為[24.304；24.307]。因此表2中的元素種類(lèi)還可能繼續(xù)增加，元素周期表和相對(duì)原子質(zhì)量表還將隨著人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的深入而不斷完善。

四、結(jié)語(yǔ)

在教科書(shū)中列入元素周期表和相對(duì)原子質(zhì)量表，是百年來(lái)化學(xué)教科書(shū)一直保持的一個(gè)優(yōu)良傳統(tǒng)。與二者相關(guān)的化學(xué)知識(shí)也歷來(lái)是教學(xué)中的重要內(nèi)容。現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)也要求學(xué)生能描述元素周期表的結(jié)構(gòu)，知道金屬、非金屬在元素周期表中的位置及其性質(zhì)的遞變規(guī)律，能根據(jù)原子序數(shù)在元素周期表中找到指定的元素，利用相對(duì)原子質(zhì)量、相對(duì)分子質(zhì)量進(jìn)行物質(zhì)組成的簡(jiǎn)單計(jì)算。

在實(shí)際教學(xué)中，應(yīng)充分考慮概念形成的階段性、發(fā)展性和學(xué)生的可接受性。在初中階段，相對(duì)原子質(zhì)量不可能，也沒(méi)有必要引入通行的嚴(yán)格定義，學(xué)生對(duì)它的認(rèn)識(shí)還有待于在后續(xù)課程中繼續(xù)深化；即便在高中階段，相關(guān)問(wèn)題也并不能徹底解決。教學(xué)時(shí)應(yīng)依據(jù)不同階段的課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生實(shí)際水平完成基本教學(xué)要求，競(jìng)賽輔導(dǎo)時(shí)適當(dāng)提高。在正常課堂教學(xué)和普通考試試題中如果刻意或不自覺(jué)地增加深度、提高難度，往往容易因概念把握不準(zhǔn)確而出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤，使學(xué)生在認(rèn)識(shí)上產(chǎn)生混亂。

發(fā)現(xiàn)新的元素和測(cè)定相對(duì)原子質(zhì)量事關(guān)人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的根本認(rèn)識(shí)，化學(xué)教科書(shū)中元素周期表和相對(duì)原子質(zhì)量表的新變化，反映了人類(lèi)認(rèn)識(shí)的不斷深入和科學(xué)研究的永無(wú)止境。新變化挑戰(zhàn)了常人的慣性思維，但卻更接近于自然界的真實(shí)情況。作為化學(xué)教師，有必要搞清楚相關(guān)內(nèi)容的準(zhǔn)確定義和來(lái)龍去脈，及時(shí)了解學(xué)科發(fā)展變化，才能在不同層次的教學(xué)中靈活、適當(dāng)?shù)匕盐丈疃?，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)的熱情，開(kāi)啟他們的創(chuàng)造力。

參考文獻(xiàn)

[1]肖應(yīng)凱.不能用“相對(duì)原子質(zhì)量”替代“原子量”.中國(guó)科技術(shù)語(yǔ)，2008（1）.

[2] 池田清.最新化學(xué)理論解說(shuō).上海：中國(guó)圖書(shū)公司，1907.

[3] http：//www.iupac.org/news/news-detail/article/element-114-is-named-flerovium-and-element-116-is-named-livermorium.html.

[4] 全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì).全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)公布112號(hào)元素的中文名稱(chēng).中國(guó)科技術(shù)語(yǔ)，2011（5）.

[5] 張青蓮.原子量的測(cè)定和修訂.化學(xué)通報(bào)，198+ST1eaaEzA1pCw9lC8VaQQ==6（10）.

[6] Michael E.Wieser，Tyler B.Coplen.Atomic weights of the elements 2009（IUPAC Technical Report）.Pure and Applied Chemistry，2011（2）.

[7] 錢(qián)秋宇.化學(xué)元素的原子量.大學(xué)化學(xué)，2011（6）.

[8] 張青蓮.漫談原子量的質(zhì)譜法測(cè)定.大學(xué)化學(xué)，1995（6）.

[9] 張青蓮，陳剛，肖應(yīng)凱，祁海平.鋰原子量的校準(zhǔn)質(zhì)譜法測(cè)定.科學(xué)通報(bào)，1991（4）.

[10] Tyler B.Coplen，Norman E.Holden.Atomic Weights：No Longer Constants of Nature.Chemistry International，2011（2）.

[11] Michael E. Wieser， Norman Holden， Tyler B. Coplen， et al. Atomic weights of the elements 2011 （IUPAC Technical Report）. Pure and Applied Chemistry， 2013（5）.

（責(zé)任編輯 郭振玲）