长式元素周期表中族的标注方法

摘要：文章阐述了元素周期表的产生及其发展的历史，介绍了元素周期表族的序数的标法在国际上曾经出现的混乱现象以及目前的状况，针对中国元素周期表族的序数的标法在教学、科研、出版中仍然不统一的局面，提出了意见和建议。

关键词：元素周期表，族

中图分类号：N04；O612文献标识码： ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2016.01.010

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

元素周期表是我们学习和研究化学的重要工具，它揭示了物质世界的秘密，抓住了化学的本质。在元素周期表的发展过程中，不仅元素周期表中元素的命名方法发生过变化，现在常用的单族式长周期表中各族的标注也是复杂且有争议的。

一元素周期表的发展历史

从1869年2月17日（俄历3月1日）俄国化学家门捷列夫提交并发表了最初的元素周期表至今，已经历了146年。在元素周期表的发现、发展过程中，为数众多的科学家做出了不懈的努力。

1.1829年，德国化学家德贝赖纳（Johann Wolfgang Dbereiner）对元素的原子量和化学性质之间的关系进行了研究，发表了“三元素组”学说，即中间元素的当量或原子量近似等于其两侧元素的当量或原子量的平均值。因而，德贝赖纳被认为是元素周期表发展的先驱者之一。

2.1843年，法国地质学教授贝吉耶·德·尚古尔多阿（Alexandremile Béguyer de Chancourtois）首次提出元素的性质随着原子量的变化呈现出周期性的变化，从而创造了碲螺旋图，使元素周期表的发展向前迈出了至关重要的一步。

3.1865年，英国化学家纽兰兹（J.A.R. Newlands）提出了八音律，即每间隔为8的元素其化学性质就会出现重复。这意味着纽兰兹是第一个认识到元素存在周期规律的人。

4.1867年，丹麦裔美国科学家欣里希斯（Gustav Hiichs）独创性地假定元素的原子光谱与原子大小有关，发表了螺旋元素周期表，确定了元素周期表中哪些元素应分为一组。

5.1869年2月，俄国化学家门捷列夫在总结前人关于元素分类成果的基础上，全面分析了元素的物理、化学性质与原子量的关系，发表了第一个元素周期表。门捷列夫依据原子量的递增把元素纵向排布，让性质相似的元素横向排布，主、副族呈现出明显的区域划分，并预测到尚未发现的元素钪、镓、锗。

6.1871年，门捷列夫发表了第二张元素周期表，提出了“周期”的概念，指出“元素（以及由元素所形成的单质或化合物）的性质周期地随着它们的原子量而改变”[1]，并且根据周期律，预留了更多的空位给未知元素。

7.1905年，瑞士化学家维尔纳（Abraham Gottlob Werner）依据元素的原子量大小并参考元素的性质横排，创造了长式元素周期表，并提出了主、副族元素的划分。

8.1916年，德国化学家柯塞尔（A.Kossel）制作了新的元素周期表，用原子序数代替了元素的原子量进行排序。

瑞士化学家维尔纳与德国化学家柯塞尔所创制的元素周期表科学地结合在一起，就是我们现在使用最为广泛的单族式长周期表的原型。

从元素周期表诞生之日起，它就一直处于不断的变化当中。早在1974年，马楚斯（E. Mazurs）就仔细分析了700多种元素周期表[2]。至今为止，在全世界的各类期刊上也还会不时有相关的文章发表，声称有新的、改进的元素周期表版本。这些元素周期表涵盖了几乎所有形式，包括：短式表、长式表、二维式表、三维式表、螺旋式表、环式表、圆筒式表、锯齿形表、阶梯形表、镜像表和塔式表等。其变化基本涉及以下几个方面：①表的附加成分增多；②每个元素的原子参数增多；③形式上花样翻新；④寻找一个结构最好的元素周期表。

二国际长式元素周期表中族的标法问题

在各种形式的元素周期表中，以单族式长周期表最为实用，也最为流行，但其各族的标注方式是复杂而有争议的。长式元素周期表由A分族和B分族组成，分族的依据主要是元素原子核外电子排布的特点。主族元素位于元素周期表的最左边和最右边，在美国，主族用罗马数字Ⅰ—Ⅷ，同时附加大写字母A来与位于周期表中间的过渡元素ⅠB—ⅧB族区分，即A—B—A模式。然而，欧洲的标注方式与此不同，从左至右依次标记为ⅠA—ⅦA，到了包含铜元素的一族时，从左至右再一次记为ⅠB—ⅦB（惰性气体），即A—B模式（见表1）。1971年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）推荐使用欧洲的分类法[ 3]（见表1）。无论哪一种表示方式，每一族都使用同一罗马数字，对于主族元素，这一数字也是原子最外层的电子数。

这种周期表中主、副族的命名差别导致了严重的混淆。例如：在教学和科研中简单地称ⅤA族，指的可以是氮族（N、P、As、Sb、Bi），也可以是钒族（V、Nb、Ta、Db）。这种混乱的现象不仅出现在教材中，也出现在期刊中。

1982年，弗尼利厄斯（W.C.Fernelius） 和鲍威尔（W.H.Powel ）对美国化学教科书的情况做了调查，并在美国《化学教育》杂志上发表了调查报告。结果表明从1931—1981年，美国195种化学教材中对A分族和B分族的处理各不相同，只是从1981年后逐步趋于一致[4]。

美国《化学文摘》对1972—1981年摘引的文章中涉及的A、B分族标法的处理做过一个统计，从Ⅲ—Ⅶ族，在总共829篇文章中，以A=主族元素，B=副族元素的文章有500篇，约占60%。相反，以A=副族元素，B=主族元素的文章有244篇，约占29%。不加说明就不能明确归属的有85篇，占10%[5]。这种情况严重影响了教学和学术交流。

对此，科学家们提出了一些解决办法：1964年，桑德森（R.T.Sanderson）建议用M（main group）表示主族元素，用T（transition elements）代表过渡元素（副族元素）[6]。奥兰德（A. lnder）向IUPAC无机化学命名委员会建议用阿拉伯数字1～18依次代表长式周期表从左至右各族，此建议被瑞典国家化学会采纳，并于1973年向IUPAC正式提出，但因与IUPAC1971年公布的无机化学命名法不一致而未被采纳。1980年，阿拉内奥（A.Araneo）建议直接根据元素的电子构型给各分族命名[7]。1983年，美国化学会命名法委员会同意美国化学会无机化学分委员会的建议，采用18族标法，并对奥兰德的建议进行了改进，将其中的第3族至第12族加上英文小写字母d，来表示副族元素[8]（见表2）。

1988年，IUPAC在组织专家进行多次讨论的基础上，通过了18族标法的建议，此建议在《纯粹与应用化学》杂志上发表[9]，并被引入《无机化学命名法》红皮书1990年版附录[10]。

新标法提出后，各国化学界反响强烈，化学教育界反对意见较大，主要原因是18族新标法与原8族周期表相比，丧失了教学方面的价值，因为此种标法不能清楚地显示电子构型的周期性，失去了美国和欧洲表示法中标号直接表示主族元素最外层电子数的方便。但赞同者认为教学上并不难，对13～18族，族数=价电子数+10。

经过这几十年的使用，目前18族新标法在学术界、教育界基本被认可，除IUPAC采用18族标法以外，美国化学文摘社、德国化学会、美国洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）国家实验室（http：//periodic.lanl.gov/default.htm）等国际权威组织，以及影响力很大的专业网站，如万维网元素周期表（http：//）、动态元素周期表（http：//）、在线元素周期表（http：//）也都采用了相同的标注方法。但美国化学会、中国台湾化学会为方便教学，其元素周期表在采用18族标法的同时，也采用了a、b分别标注在数字1～18后，以区分主族和副族的另外一种标法，两种标法并列。由此可见， 18族标法已为国际业内人士所广泛接受。

三中国长式元素周期表中族的标法问题

（一）中国引进元素周期表的历史

中国人最早提及元素周期表的是时任清政府驻英公使的郭嵩焘[11]，但是向国人引介元素周期律的第一人是虞和钦。1901年3月，虞和钦在杜亚泉主办的科学期刊《亚泉杂志》第6期上发表《化学周期律》。文章共分五部分： 元素的天然分类、周期律表、各周期元素的规律性、各属（主族） 元素的规律性、周期律的功能[12]。

1917年，郑贞文在《学艺》创刊号和第2期上发表《周期律说》，详细系统地介绍了元素周期表，包括：周期律的缘起、周期表之列法及说明、化学性之关系、物理性之关系、周期律之功用、周期律之疑义、放射性物质及周期律、电子说及周期、数值及周期律、周期表之革新、余论等[13]。虞和钦、郑贞文两人是在元素周期律引进中国的过程中做出最多贡献的学者。

1929年，《高级中学普通科/师范科化学暂行课程标准》规定的化学教学大纲明确写有“酌量增加理论上的材料。例如： （甲） 气体定律。（乙） 原子分子电子论。（丙） 液体的电离论。（丁） 周期律”等内容[14]。至此，元素周期律首次以官方公文的方式，列入中学化学教学大纲，标志着元素周期律在中国的传播进入平民化的时代。

（二）中国目前元素周期表中族的标法状况

中国元素周期表族的分类原来一直采用的是美国A—B—A模式，1988年IUPAC公布18族新标法后，中国并没有跟进。目前针对长式元素周期表族的标法仍不统一，以比较有影响的出版物为例：

1.人民教育出版社初、高中教材元素周期表中族的分类一直保持着最原始的分类（见表3），尽管2013年义务教育化学教科书和普通高中课程标准实验教科书的元素周期表中，原子量根据IUPAC2011年发布的“标准原子量”进行了修订，族的分类却没有变化，究其原因，是否涉及中、高考的问题还是其他问题不得而知，但是已有很多学生家长注意并反映过此问题。

2.商务印书馆的《现代汉语词典》（第6版）全国发行量非常大，具有很大影响力，其附录中也有元素周期表，其中族的分类采用了原先的美式标法。

3.科学出版社由高胜利等人编写的元素周期表因信息量丰富而广受好评，其中族的分类同时采用了两种标法：一种是IUPAC的18族标法，一种是原先的美式标法，但铁族、钴族、镍族标记为Ⅷ。

4.化学工业出版社由北京大学周公度教授主编的元素周期表是市面上较为专业的，其中族的分类也同时采用了两种标法：一种是IUPAC的18族标法，一种是原先的美式标法。

5.百度百科中元素周期表族的分类与人教版一致。

6.高等教育教材中由高等教育出版社出版宋天佑等教授编著的第2版《无机化学》，北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学三校联盟的无机化学教研室编写的第4版《无机化学》，大连理工大学无机化学教研室编写的第5版《无机化学》，由清华大学出版社出版的周旭光主编的《无机化学》，附录部分都有元素周期表，其中族的标法都采取了18族标法以及人民教育出版社初高中教材的族的标法并列的办法。估计采取此种办法，也是无奈之举，因为高等教育是培养能与国外进行学术交流的专业人才，势必要与国际接轨，但是中国的基础教育又与现行国际的标法有很大的不同，为使学生们有个知识的衔接和过渡，采取了两种标法并行的策略。由表3可见，中国当前元素周期表族的标法仍很混乱。

（三）关于氦族名称的讨论

氦族（氦、氖、氩、氪、氙、氡）位于元素周期表最右边，它是周期表中最晚建立的一个族，却又是曾用名最多的一个族。

1868年氦被发现至1900年氡被发现的33年间，乃至此后半个世纪里，科学家们都没有发现或合成出它们的任何一种物质。在常温常压下，氦族都是无色无味的单原子气体。一般的化学反应通常只有价电子参与化学键，由于这些元素的价电子层已满，很难形成化学键，也极难得到或失去电子，极少进行化学反应，因而其化合价被视为0。因此，第18族元素曾经被称为“惰性气体”，也被称为“0族”。

1962年，英国化学家巴特利特（N.Bartlett）合成了世界上第一个稀有气体化合物——六氟铂酸氙（XePtF6）。目前为止，不仅又发现了氪与氡的化合物，而且还发现氙竟然具有+2、+4、+6、+8多种氧化态。这样，0族的帽子不摘自掉，改称为“ⅧA族”。现按照IUPAC的18族新法，又称为“18族”。因第18族元素在地球大气层以内较为稀少，也改称为“稀有气体”。

但由于受“八电子规则”的传统束缚太重，仍认为氦族的化合价是0，所以目前还有称氦族为“0族”，既不加A字，也不加B 字，被排斥在主、副族以外。

四结语

150多年来，无数科学家进行了大量的工作，元素周期表依然保持了其化学研究中的核心地位，这主要是因为它对于元素的所有物理和化学性质，乃至成键性的预测，都具有极大的实践指导意义。

元素周期表是一个美妙的记录形式，一个可以用来组织整个化学的工具。历史上出现过众多不同类型的元素周期表，现代元素周期表较为常用的还是长式元素周期表，其中族的标法国际上经过多年的争议，现已趋向于一致：采用18族的标法。而中国关于元素周期表族的标法仍很混乱。因此规范中国元素周期表中族的标法对于科研、教学以及国际学术交流都具有很重要的意义。

翻开各种化学书籍，从中学教科书到大学教科书，从科普读物到科学专著，书后一般都会附有长式元素周期表。笔者认为：（1）为避免不同标法带来的混乱，为便于国际学术交流，应当采用国际上目前通用的标法，即18族标法。（2）元素周期表不论如何设计，一项重要的目的是为教学服务。分出主、副族，对于化学家或学习化学的学生来说，不再需要他们去逐一研究百余种元素的性质，只需了解8个主族、过渡元素族、稀土元素族中典型元素的性质，即可有效地预测其他元素的性质。

因此，笔者建议在采用18族标法的同时，也采用a、b分别标注在1～18数字后以区分主族和副族的另一种标法，两种标法并列。

希望中国化学会、广大的化学教育工作者、化学研究工作者、化学书籍出版界充分重视，积极研究，制定出元素周期表中族的规范的、统一的标法。

参考文献

[1] 赵匡华. 化学通史[M].北京：高等教育出版社，1990：237.

[2] Mazurs E. The Graphic Representation of the Periodic System During 100 Years[M]. Tuscaloosa： UnⅣersity of Aalabama Press ， 1974.

[3] The Commission on the Nomenclature of Inorganic Chemistry. Names for Groups of Elements and Their SubdiⅥsions[R]. Pure & Appl. Chem.， 1971（28）： 11.

[4] Fernelius W C， Powell W H. Confusion in the Periodic Table of the Elements[J]. J. Chem. Ed.， 1982（59）： 504-508.

[5] 陈学民，王海.元素周期表18族标法的由来.化学教育[J]，2003 （11）：54.

[6] Sanderson R T. Chemical Periodicity[M]. New York ： Reinhold， 1960.

[7] 沈孟长，戴安邦.关于元素周期表的形式和元素分族问题[J].化学教学，1985 （5）：1-3.

[8] Loening K L . Recommended Format for the Periodic Table of the Elements [J] . J .Chem . Educ. ， 1984，61： 136.

[9] Fluck E . New Notations in the Periode Table[J]. Pure & Appl.Chem. ， 1988，60： 431.

[10] Leigh G J. Nomenclature of Inorganic Chemistry： Recommendations 1990[R]. Blackwell Science， 1990.

[11] 郭嵩焘. 郭嵩焘日记： 第3卷[M]. 长沙： 湖南人民出版社，1982：431.

[12] 虞和钦.化学周期律[J].亚泉杂志，1901（6）.

[13] 郑贞文.周期律说[J].学艺，1907（1）（2）.

[14] 刘英杰.中国教育大事典 1840—1949[M]. 杭州： 浙江教育出版社，2001：304.

推荐访问:周期表 标注 元素 方法