長式元素周期表中族的標注方法

才 磊

（全國科學技術(shù)名詞審定委員會，北京100717）

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長式元素周期表中族的標注方法

才 磊

（全國科學技術(shù)名詞審定委員會，北京100717）

摘 要：文章闡述了元素周期表的產(chǎn)生及其發(fā)展的歷史,介紹了元素周期表族的序數(shù)的標法在國際上曾經(jīng)出現(xiàn)的混亂現(xiàn)象以及目前的狀況,針對中國元素周期表族的序數(shù)的標法在教學、科研、出版中仍然不統(tǒng)一的局面,提出了意見和建議。

關(guān)鍵詞：元素周期表,族

元素周期表是我們學習和研究化學的重要工具,它揭示了物質(zhì)世界的秘密,抓住了化學的本質(zhì)。在元素周期表的發(fā)展過程中,不僅元素周期表中元素的命名方法發(fā)生過變化,現(xiàn)在常用的單族式長周期表中各族的標注也是復雜且有爭議的。

一 元素周期表的發(fā)展歷史

從1869年2月17日（俄歷3月1日）俄國化學家門捷列夫提交并發(fā)表了最初的元素周期表至今,已經(jīng)歷了146年。在元素周期表的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展過程中,為數(shù)眾多的科學家做出了不懈的努力。

1.1829年,德國化學家德貝賴納（Johann Wolfgang D?bereiner）對元素的原子量和化學性質(zhì)之間的關(guān)系進行了研究,發(fā)表了“三元素組”學說,即中間元素的當量或原子量近似等于其兩側(cè)元素的當量或原子量的平均值。因而,德貝賴納被認為是元素周期表發(fā)展的先驅(qū)者之一。

2.1843年,法國地質(zhì)學教授貝吉耶?德?尚古爾多阿（Alexandre-émile BéguYer de Chancourtois）首次提出元素的性質(zhì)隨著原子量的變化呈現(xiàn)出周期性的變化,從而創(chuàng)造了碲螺旋圖,使元素周期表的發(fā)展向前邁出了至關(guān)重要的一步。

3.1865年,英國化學家紐蘭茲（J.A.R. Newlands）提出了八音律,即每間隔為8的元素其化學性質(zhì)就會出現(xiàn)重復。這意味著紐蘭茲是第一個認識到元素存在周期規(guī)律的人。

4.1867年,丹麥裔美國科學家欣里希斯（Gustav Hinrichs）獨創(chuàng)性地假定元素的原子光譜與原子大小有關(guān),發(fā)表了螺旋元素周期表,確定了元素周期表中哪些元素應分為一組。

5.1869年2月,俄國化學家門捷列夫在總結(jié)前人關(guān)于元素分類成果的基礎上,全面分析了元素的物理、化學性質(zhì)與原子量的關(guān)系,發(fā)表了第一個元素周期表。門捷列夫依據(jù)原子量的遞增把元素縱向排布,讓性質(zhì)相似的元素橫向排布,主、副族呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域劃分,并預測到尚未發(fā)現(xiàn)的元素鈧、鎵、鍺。

6.1871年,門捷列夫發(fā)表了第二張元素周期表,提出了“周期”的概念,指出“元素（以及由元素所形成的單質(zhì)或化合物）的性質(zhì)周期地隨著它們的原子量而改變”[1],并且根據(jù)周期律,預留了更多的空位給未知元素。

7.1905年,瑞士化學家維爾納（Abraham Gottlob Werner）依據(jù)元素的原子量大小并參考元素的性質(zhì)橫排,創(chuàng)造了長式元素周期表,并提出了主、副族元素的劃分。

8.1916年,德國化學家柯塞爾（A.Kossel）制作了新的元素周期表,用原子序數(shù)代替了元素的原子量進行排序。

瑞士化學家維爾納與德國化學家柯塞爾所創(chuàng)制的元素周期表科學地結(jié)合在一起,就是我們現(xiàn)在使用最為廣泛的單族式長周期表的原型。

從元素周期表誕生之日起,它就一直處于不斷的變化當中。早在1974年,馬楚斯（E.Mazurs）就仔細分析了700多種元素周期表[2]。至今為止,在全世界的各類期刊上也還會不時有相關(guān)的文章發(fā)表,聲稱有新的、改進的元素周期表版本。這些元素周期表涵蓋了幾乎所有形式,包括：短式表、長式表、二維式表、三維式表、螺旋式表、環(huán)式表、圓筒式表、鋸齒形表、階梯形表、鏡像表和塔式表等。其變化基本涉及以下幾個方面：①表的附加成分增多；②每個元素的原子參數(shù)增多；③形式上花樣翻新；④尋找一個結(jié)構(gòu)最好的元素周期表。

二 國際長式元素周期表中族的標法問題

在各種形式的元素周期表中,以單族式長周期表最為實用,也最為流行,但其各族的標注方式是復雜而有爭議的。長式元素周期表由A分族和B分族組成,分族的依據(jù)主要是元素原子核外電子排布的特點。主族元素位于元素周期表的最左邊和最右邊,在美國,主族用羅馬數(shù)字I—Ⅷ,同時附加大寫字母A來與位于周期表中間的過渡元素I B—ⅧB族區(qū)分,即A—B—A模式。然而,歐洲的標注方式與此不同,從左至右依次標記為I A—ⅦA,到了包含銅元素的一族時,從左至右再一次記為I B—ⅦB（惰性氣體）,即A—B模式（見表1）。1971年,國際純粹與應用化學聯(lián)合會（IUPAC）推薦使用歐洲的分類法[3]（見表1）。無論哪一種表示方式,每一族都使用同一羅馬數(shù)字,對于主族元素,這一數(shù)字也是原子最外層的電子數(shù)。

這種周期表中主、副族的命名差別導致了嚴重的混淆。例如：在教學和科研中簡單地稱VA族,指的可以是氮族（N、P、As、Sb、Bi）,也可以是釩族（V、Nb、Ta、Db）。這種混亂的現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在教材中,也出現(xiàn)在期刊中。

1982年,弗尼利厄斯（W.C.Fernelius）和鮑威爾（W.H.Powel）對美國化學教科書的情況做了調(diào)查,并在美國《化學教育》雜志上發(fā)表了調(diào)查報告。結(jié)果表明從1931—1981年,美國195種化學教材中對A分族和B分族的處理各不相同,只是從1981年后逐步趨于一致[4]。

美國《化學文摘》對1972—1981年摘引的文章中涉及的A、B分族標法的處理做過一個統(tǒng)計,從Ⅲ—Ⅶ族,在總共829篇文章中,以A＝主族元素, B＝副族元素的文章有500篇,約占60%。相反,以A＝副族元素,B＝主族元素的文章有244篇,約占29%。不加說明就不能明確歸屬的有85篇,占10%[5]。這種情況嚴重影響了教學和學術(shù)交流。

對此,科學家們提出了一些解決辦法：1964年,桑德森（R.T.Sanderson）建議用M（main grouP）表示主族元素,用T（transition elements）代表過渡元素（副族元素）[6]。奧蘭德（A.?l?nder）向IUPAC無機化學命名委員會建議用阿拉伯數(shù)字1～18依次代表長式周期表從左至右各族,此建議被瑞典國家化學會采納,并于1973年向IUPAC正式提出,但因與IUPAC1971年公布的無機化學命名法不一致而未被采納。1980年,阿拉內(nèi)奧（A.Araneo）建議直接根據(jù)元素的電子構(gòu)型給各分族命名[7]。1983年,美國化學會命名法委員會同意美國化學會無機化學分委員會的建議,采用18族標法,并對奧蘭德的建議進行了改進,將其中的第3族至第12族加上英文小寫字母d,來表示副族元素[8]（見表2）。

表2　幾種不同的長式元素周期表族的標法

1988年,IUPAC在組織專家進行多次討論的基礎上,通過了18族標法的建議,此建議在《純粹與應用化學》雜志上發(fā)表[9],并被引入《無機化學命名法》紅皮書1990年版附錄[10]。

新標法提出后,各國化學界反響強烈,化學教育界反對意見較大,主要原因是18族新標法與原8族周期表相比,喪失了教學方面的價值,因為此種標法不能清楚地顯示電子構(gòu)型的周期性,失去了美國和歐洲表示法中標號直接表示主族元素最外層電子數(shù)的方便。但贊同者認為教學上并不難,對13～18族,族數(shù)＝價電子數(shù)＋10。

經(jīng)過這幾十年的使用,目前18族新標法在學術(shù)界、教育界基本被認可,除IUPAC采用18族標法以外,美國化學文摘社、德國化學會、美國洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國家實驗室（httP：//Periodic. lanl.gov/default.htm）等國際權(quán)威組織,以及影響力很大的專業(yè)網(wǎng)站,如萬維網(wǎng)元素周期表（httP：// www.webelements.com）、動態(tài)元素周期表（httP：// www.Ptable.com）、在線元素周期表（httP：//www. chemicalelements.com）也都采用了相同的標注方法。但美國化學會、中國臺灣化學會為方便教學,其元素周期表在采用18族標法的同時,也采用了a、b分別標注在數(shù)字1～18后,以區(qū)分主族和副族的另外一種標法,兩種標法并列。由此可見,18族標法已為國際業(yè)內(nèi)人士所廣泛接受。

三 中國長式元素周期表中族的標法問題

（一）中國引進元素周期表的歷史

中國人最早提及元素周期表的是時任清政府駐英公使的郭嵩燾[11],但是向國人引介元素周期律的第一人是虞和欽。1901年3月,虞和欽在杜亞泉主辦的科學期刊《亞泉雜志》第6期上發(fā)表《化學周期律》。文章共分五部分：元素的天然分類、周期律表、各周期元素的規(guī)律性、各屬（主族）元素的規(guī)律性、周期律的功能[12]。

1917年,鄭貞文在《學藝》創(chuàng)刊號和第2期上發(fā)表《周期律說》,詳細系統(tǒng)地介紹了元素周期表,包括：周期律的緣起、周期表之列法及說明、化學性之關(guān)系、物理性之關(guān)系、周期律之功用、周期律之疑義、放射性物質(zhì)及周期律、電子說及周期、數(shù)值及周期律、周期表之革新、余論等[13]。虞和欽、鄭貞文兩人是在元素周期律引進中國的過程中做出最多貢獻的學者。

1929年,《高級中學普通科/師范科化學暫行課程標準》規(guī)定的化學教學大綱明確寫有“酌量增加理論上的材料。例如：（甲）氣體定律。（乙）原子分子電子論。（丙）液體的電離論。（?。┲芷诼伞钡葍?nèi)容[14]。至此,元素周期律首次以官方公文的方式,列入中學化學教學大綱,標志著元素周期律在中國的傳播進入平民化的時代。

（二）中國目前元素周期表中族的標法狀況

中國元素周期表族的分類原來一直采用的是美國A—B—A模式,1988年IUPAC公布18族新標法后,中國并沒有跟進。目前針對長式元素周期表族的標法仍不統(tǒng)一,以比較有影響的出版物為例：

1.人民教育出版社初、高中教材元素周期表中族的分類一直保持著最原始的分類（見表3）,盡管2013年義務教育化學教科書和普通高中課程標準實驗教科書的元素周期表中,原子量根據(jù)IUPAC2011年發(fā)布的“標準原子量”進行了修訂,族的分類卻沒有變化,究其原因,是否涉及中、高考的問題還是其他問題不得而知,但是已有很多學生家長注意并反映過此問題。

2.商務印書館的《現(xiàn)代漢語詞典》（第6版）全國發(fā)行量非常大,具有很大影響力,其附錄中也有元素周期表,其中族的分類采用了原先的美式標法。

3.科學出版社由高勝利等人編寫的元素周期表因信息量豐富而廣受好評,其中族的分類同時采用了兩種標法：一種是IUPAC的18族標法,一種是原先的美式標法,但鐵族、鈷族、鎳族標記為Ⅷ。

4.化學工業(yè)出版社由北京大學周公度教授主編的元素周期表是市面上較為專業(yè)的,其中族的分類也同時采用了兩種標法：一種是IUPAC的18族標法,一種是原先的美式標法。

5.百度百科中元素周期表族的分類與人教版一致。

6.高等教育教材中由高等教育出版社出版宋天佑等教授編著的第2版《無機化學》,北京師范大學、華中師范大學、南京師范大學三校聯(lián)盟的無機化學教研室編寫的第4版《無機化學》,大連理工大學無機化學教研室編寫的第5版《無機化學》,由清華大學出版社出版的周旭光主編的《無機化學》,附錄部分都有元素周期表,其中族的標法都采取了18族標法以及人民教育出版社初高中教材的族的標法并列的辦法。估計采取此種辦法,也是無奈之舉,因為高等教育是培養(yǎng)能與國外進行學術(shù)交流的專業(yè)人才,勢必要與國際接軌,但是中國的基礎教育又與現(xiàn)行國際的標法有很大的不同,為使學生們有個知識的銜接和過渡,采取了兩種標法并行的策略。由表3可見,中國當前元素周期表族的標法仍很混亂。

（三）關(guān)于氦族名稱的討論

氦族（氦、氖、氬、氪、氙、氡）位于元素周期表最右邊,它是周期表中最晚建立的一個族,卻又是曾用名最多的一個族。

1868年氦被發(fā)現(xiàn)至1900年氡被發(fā)現(xiàn)的33年間,乃至此后半個世紀里,科學家們都沒有發(fā)現(xiàn)或合成出它們的任何一種物質(zhì)。在常溫常壓下,氦族都是無色無味的單原子氣體。一般的化學反應通常只有價電子參與化學鍵,由于這些元素的價電子層已滿,很難形成化學鍵,也極難得到或失去電子,極少進行化學反應,因而其化合價被視為0。因此,第18族元素曾經(jīng)被稱為“惰性氣體”,也被稱為“0族”。

1962年,英國化學家巴特利特（N.Bartlett）合成了世界上第一個稀有氣體化合物——六氟鉑酸氙（XePtF6）。目前為止,不僅又發(fā)現(xiàn)了氪與氡的化合物,而且還發(fā)現(xiàn)氙竟然具有＋2、＋4、＋6、＋8多種氧化態(tài)。這樣,0族的帽子不摘自掉,改稱為“ⅧA族”。現(xiàn)按照IUPAC的18族新法,又稱為“18族”。因第18族元素在地球大氣層以內(nèi)較為稀少,也改稱為“稀有氣體”。

但由于受“八電子規(guī)則”的傳統(tǒng)束縛太重,仍認為氦族的化合價是0,所以目前還有稱氦族為“0族”,既不加A字,也不加B字,被排斥在主、副族以外。

表3　中國當前長式元素周期表族的標法

四 結(jié) 語

150多年來,無數(shù)科學家進行了大量的工作,元素周期表依然保持了其化學研究中的核心地位,這主要是因為它對于元素的所有物理和化學性質(zhì),乃至成鍵性的預測,都具有極大的實踐指導意義。

元素周期表是一個美妙的記錄形式,一個可以用來組織整個化學的工具。歷史上出現(xiàn)過眾多不同類型的元素周期表,現(xiàn)代元素周期表較為常用的還是長式元素周期表,其中族的標法國際上經(jīng)過多年的爭議,現(xiàn)已趨向于一致：采用18族的標法。而中國關(guān)于元素周期表族的標法仍很混亂。因此規(guī)范中國元素周期表中族的標法對于科研、教學以及國際學術(shù)交流都具有很重要的意義。

翻開各種化學書籍,從中學教科書到大學教科書,從科普讀物到科學專著,書后一般都會附有長式元素周期表。筆者認為：（1）為避免不同標法帶來的混亂,為便于國際學術(shù)交流,應當采用國際上目前通用的標法,即18族標法。（2）元素周期表不論如何設計,一項重要的目的是為教學服務。分出主、副族,對于化學家或?qū)W習化學的學生來說,不再需要他們?nèi)ブ鹨谎芯堪儆喾N元素的性質(zhì),只需了解8個主族、過渡元素族、稀土元素族中典型元素的性質(zhì),即可有效地預測其他元素的性質(zhì)。

因此,筆者建議在采用18族標法的同時,也采用a、b分別標注在1～18數(shù)字后以區(qū)分主族和副族的另一種標法,兩種標法并列。

希望中國化學會、廣大的化學教育工作者、化學研究工作者、化學書籍出版界充分重視,積極研究,制定出元素周期表中族的規(guī)范的、統(tǒng)一的標法。

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[14]劉英杰.中國教育大事典1840—1949[M].杭州：浙江教育出版社，2001：304.

Labeling Method to the Group of Periodic Table of the Elements//CAI Lei

Abstract：This PaPer exPounds the generation and develoPment historY of the Periodic Table of the Elements,introduces once the confusion about the labeling method to the grouP of Periodic Table of the Elements and the current situation.Aiming at the disunitY situation about the labeling method to the grouP of Periodic Table of the Elements on teaching,scientific research and Publishing in China,the author Puts forwards advice and suggestions.

KeYwords：Periodic Table of the Elements,grouP

作者簡介：才磊（1965—）,女,碩士,全國科學技術(shù)名詞審定委員會編審,研究方向為名詞審定、術(shù)語與規(guī)范等。通信方式：cail@cnctst.cn。

收稿日期：2015-10-08

中圖分類號：N04；O612

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2016.01.010