人教版化學教科書元素周期表和相對原子質量表的內容變化與解讀

一、歷史的回顧——化學教科書中元素周期表和相對原子質量表的起源

元素周期表是元素周期律的具體表現形式，形象地展示了元素之間的內在聯系與遞變關系，使化學學習和研究變得有規律可循；相對原子質量是自然科學中的重要基本數據，是進行化學定量研究的基石。二者歷來受到化學家和化學教育工作者的高度重視。清朝末年我國最早出現的一批化學教科書，如1903年商務印書館出版的《最新中學教科書化學》列入了“原質簡要表”（“原質”即元素）。表中將相對原子質量稱為“元重”，列舉了68種元素的中文名稱、元素符號、相對原子質量和發現日期，可謂相對原子質量表的雛形。1905年商務印書館出版的《化學新教科書》在附錄中加入了“周期律表”和“金類之比熱、原子量及原子熱”，開始使用了原子量[1]這一名詞。 相對原子質量以前稱原子量，根據我國國家標準GB3102.8-1993，目前在國內教科書和文獻中大都使用相對原子質量（relative atomic mass）。而出于習慣，部分國外組織和文獻仍使用原子量（atomic weight）的說法，如國際純粹與應用化學聯合會下屬的原子量與同位素豐度委員會（Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights）及其發布的《Atomic weights of the elements》。兩種說法在當下文獻中均有出現，目前學術界尚有爭議，而1907年中國圖書公司出版的《最新化學理論解說》[2]中則已經出現了和現代教科書中形式非常接近的元素周期表和原子量表（圖1）。百年來，元素周期表和相對原子質量表出現在不同時期各種版本的化學教科書中，成為公眾視野中化學學科的一個標志性符號。

元素周期表和相對原子質量表是自然界中物質固有規律和性質的具體體現，因而具有一定的客觀性和相對穩定性，其基本形式百年來沒有發生根本變化。但隨著人類對物質世界認識的不斷深入和測量技術的迅速發展，新元素陸續被發現，數據精度日益提高，元素周期表和相對原子質量表的內容也跟隨時代不斷地被充實和修正。2013年出版的人教版義務教育化學教科書和普通高中課程標準實驗教科書根據權威數據，對元素周期表和相對原子質量表作了較大的修訂。本文以下內容就二者的主要變化進行說明，并對修訂的原因和依據進行了解析。

二、元素周期表中新元素的補充

門捷列夫在創制元素周期表時，敏感地認識到當時已知的60余種元素遠非整個元素大家族的全部成員，大膽預言了尚未發現的元素，并為它們在周期表中留下空位，而隨后這些元素的一一發現也證實了門捷列夫的遠見卓識。最近幾十年，美、俄、德、中、日等國的研究人員合成了101～118號元素，不斷填充了周期表中的空位。國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）陸續對新發現元素給予定名，最近的是2012年5月公布的114、116號元素[3]。目前101～112號，以及114號和116號元素均已取得正式定名。全國科學技術名詞審定委員會根據IUPAC的決定，經過在全國廣泛征求意見，對專家提出的擬定名進行篩選和討論，陸續確定并公布了101～112號元素的中文定名（表1）[4]。2013年版的人教版化學教科書中的元素周期表已將第7周期原有的空位填充完整，對尚未取得中文定名的元素以淺灰色加以區分。相對原子質量表中也相應補充了這些元素。

表1 101～112號及114、116號元素的名稱及有關信息

三、相對原子質量數據的修訂

相對原子質量的數據十分重要，正如我國著名化學家傅鷹所說，沒有可靠的原子量，就不可能有可靠的分子式，不可能了解化學反應的意義，不可能有門捷列夫的周期表。沒有周期表，則現代化學的發展特別是無機化學的發展是不可想象的。國際純粹與應用化學聯合會下屬的原子量與同位素豐度委員會根據大量文獻資料，逐一權衡各元素的相對原子質量，自1969年起，一般每兩年在《純粹與應用化學》雜志（Pure and Applied Chemistry）上以IUPAC技術報告的形式發布一次新的“標準相對原子質量”[5]。目前，人教版中學化學教科書中的元素周期表和相對原子質量表依據該委員會2011年發布的數據[6]進行了修訂。

元素的相對原子質量定義為元素的平均原子質量與核素12C原子質量的1/12之比。

Ar（E）=■ （1）

式中Ar（E）為元素E的相對原子質量，fi為同位素iE的豐度，ma（iE）為該同位素的原子質量。根據式（1），相對原子質量的準確度（不確定度）一方面來源于測量的實驗誤差，包括同位素質量的測定誤差和同位素豐度的測定誤差；另一方面來源于天然樣品的同位素豐度差異。目前使用質譜法測定同位素質量的準確度很高，因此相對原子質量的主要誤差來源于同位素豐度的測定[7]。

多年來，很多人一直認為元素的相對原子質量是一個單一的確定數值。對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，其相對原子質量的準確度僅取決于單一核素原子質量測定的實驗誤差，由于質譜法的測量精度很高，故這類元素相對原子質量數值的準確度很高。對于存在兩種及以上同位素的大多數元素，同位素豐度的差異對相對原子質量的準確度具有較大影響。

放射性元素在自然界中沒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的天然放射性同位素外，其余放射性元素均無相對原子質量可言[8]。在化學教科書的元素周期表和相對原子質量表中，取半衰期最長的同位素的質量數，并加方括號予以區分。修訂后兩表中的新增元素均為人造放射性元素，今后如有壽命更長的同位素被發現，這部分數據還將相應變化。

在自然環境中，含有輕重同位素的物質由于理化性質略有差異，當它們參加反應或經歷其他變化時，會產生一定程度的分離和富集，產生同位素分餾效應（isotope fractionation effect），引起同位素豐度的變化。例如，自然界的碳循環，12C、13C和14C三種同位素中的輕同位素容易進入有機質中，而重同位素在無機碳酸鹽中得到富集。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。對于大多數元素而言，這種豐度變化極其微小。但少數元素天然同位素的組成變動范圍較寬，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，測量數據的變異范圍實際上反映了自然界中該元素同位素的豐度漲落，導致相對原子質量數值的不確定度大于測量準確度，難以得到更為精確的相對原子質量[5，9]。2009年原子量與同位素豐度委員會在奧地利維也納召開會議，決定將H、Li、B、C、N、O、Si、S、Cl、Tl10種元素的標準相對原子質量采用區間的方式[a；b]（表示a≤Ar≤b）進行標注（表2），表明這些元素的相對原子質量不是一個定值，以反映其相對原子質量的變化性，更準確地體現這些元素在自然界中的實際存在狀況[10]。2013年版的人教版化學教科書中的相對原子質量表采用了這些新的數據。而在一般情況下，對于未特別指明的樣品的相關計算，IUPAC技術報告中也給出了供參考的相對原子質量數值，作為慣用相對原子質量。人教版化學教科書中的元素周期表則采用了這一系列數據。

隨著對一系列元素相對原子質量的相關調查和評審的進行，一些元素的相對原子質量數值還可能進行修正。實際上，根據2013年4月29日IUPAC公布的技術報告《Atomic weights of the elements 2011》[11]，溴的相對原子質量已由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中的元素種類還可能繼續增加，元素周期表和相對原子質量表還將隨著人類對物質世界認識的深入而不斷完善。

四、結語

在教科書中列入元素周期表和相對原子質量表，是百年來化學教科書一直保持的一個優良傳統。與二者相關的化學知識也歷來是教學中的重要內容?，F行中學化學課程標準也要求學生能描述元素周期表的結構，知道金屬、非金屬在元素周期表中的位置及其性質的遞變規律，能根據原子序數在元素周期表中找到指定的元素，利用相對原子質量、相對分子質量進行物質組成的簡單計算。

在實際教學中，應充分考慮概念形成的階段性、發展性和學生的可接受性。在初中階段，相對原子質量不可能，也沒有必要引入通行的嚴格定義，學生對它的認識還有待于在后續課程中繼續深化；即便在高中階段，相關問題也并不能徹底解決。教學時應依據不同階段的課程標準和學生實際水平完成基本教學要求，競賽輔導時適當提高。在正常課堂教學和普通考試試題中如果刻意或不自覺地增加深度、提高難度，往往容易因概念把握不準確而出現科學性錯誤，使學生在認識上產生混亂。

發現新的元素和測定相對原子質量事關人類對物質世界的根本認識，化學教科書中元素周期表和相對原子質量表的新變化，反映了人類認識的不斷深入和科學研究的永無止境。新變化挑戰了常人的慣性思維，但卻更接近于自然界的真實情況。作為化學教師，有必要搞清楚相關內容的準確定義和來龍去脈，及時了解學科發展變化，才能在不同層次的教學中靈活、適當地把握深度，激發學生對化學的熱情，開啟他們的創造力。

參考文獻

[1]肖應凱.不能用“相對原子質量”替代“原子量”.中國科技術語，2008（1）.

[2] 池田清.最新化學理論解說.上海：中國圖書公司，1907.

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

[4] 全國科學技術名詞審定委員會.全國科學技術名詞審定委員會公布112號元素的中文名稱.中國科技術語，2011（5）.

[5] 張青蓮.原子量的測定和修訂.化學通報，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] 錢秋宇.化學元素的原子量.大學化學，2011（6）.

[8] 張青蓮.漫談原子量的質譜法測定.大學化學，1995（6）.

[9] 張青蓮，陳剛，肖應凱，祁海平.鋰原子量的校準質譜法測定.科學通報，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）.

（責任編輯 郭振玲）