本文拟从元素周期表与化学教育关系的角度出发，谈谈化学元素周期表在大学无机化学中的教育作用和教学开展方式。
1 元素周期律是化学知识领域的里程碑
150年前，1869年3月，俄国化学家德米特里∙伊万诺维奇∙门捷列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev)创造了化学元素周期表(注意这里不是用“发现”二字) [3]，它已成为化学学科的一面旗帜。随着元素的不断发现及其性质的研究，随着原子量的测定工作的进展，元素有怎样的关联性？门捷列夫之前，已经有多位科学家在探索元素分类方式并给出多种探索式周期表[4]。在元素之间的关系研究中，门捷列夫的周期表之所以得到公认，不仅因为他对元素分类更准确，归纳出一个重要的科学规律——元素周期律，更因为他对此有进一步的阐释和分析，揭示了已知化学元素之间的分类关系，并据此预测了一些尚未发现的元素的存在及其可能的性质[5, 6]。英国物理化学家彼得∙阿特金斯(Peter Atkins)写道：“元素周期表是化学领域最重要的贡献。”恩格斯曾高度评价说：“门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学史上的一个勋业，这个勋业可以和勒维耶(U Le Verrier)计算出尚未知道的行星海王星轨道的勋业居于同等地位。[7]”
图1
图2
2 元素周期表在大学无机化学中的教育作用和开展方式
2.1 背景
2.1.1 元素周期表对无机化学的学习和研究指导
1868–1871年，按照他建立的元素周期系，门捷列夫编写了4大卷的化学教学参考书《化学原理》(该书在其生前再版了8次)，使当时的化学教本不再是各种元素及其化合物资料的杂乱无章的堆积，而成为一个有条不紊的整体，就在这本书里，他给化学元素周期律下了明确的定义：元素以及由元素形成的单质和化合物的性质随着它们的原子量变化而发生周期性的变化。将元素的性质与原子量之间的关系提升到理性的阶段。
在自然科学的众多学科中，如化学、物理学、生物学、地球化学等的研究中，元素周期律和周期表都是重要工具，但对无机化学而言，它的重要性独一无二。无机化学是化学学科中发展最早的一个分支学科，它研究的是除碳氢化合物及其衍生物外其他所有元素及其化合物的组成、结构、性质和反应。因此，在无机化学的学习和研究中，周期表的重要性不言而喻。
2.1.2 教学中应注意元素周期表的应用
长期以来，书籍和论文中详细阐述了元素周期表的演化过程和发生的背景，今年的周期表年又使周期表有了许多展示[15]。因此，现今我们更应注重其在无机化学教学中的深入应用。
在宣布以化学元素周期表及其应用为重点的国际年时，联合国已经认识到提高全球对化学如何促进可持续发展以及如何为全球能源、教育、农业和卫生领域的挑战提供解决方案方面的重要性的认识。事实上，该决议是作为关于科学和技术促进发展的更一般性议程项目的一部分通过的，强调的是元素周期表及其在社会发展中的应用的重要性[1]。
2.2 如何体现
2.2.1 基础无机化学内容的体系离不开周期表的指导
到目前为止，我国主流无机化学教材以及英、美主流无机化学教材，教材的理论水平普遍都有所提高，化学原理部分引入了热力学和动力学基础、近代物质结构理论，初步介绍了量子化学等；描述化学部分仍保持着元素及化合物性质应有的地位和份量，基本上按周期表逐一讨论。新教材系统具有更好的先进性和应用性，考虑到课堂讲课时数的减少，都普遍在精简教材内容方面做了努力。
针对这样的现实，我们建议周期表的应用应在教材和讲课中“贯穿全书体会周期性，强调应用的持续指导作用”。
2.2.2 具体建议做法
(1)在化学原理部分(上册内容)，虽无学时开设周期表专题，但将周期表教学的内容设计成渗透于多个层面，与原子结构、核外电子结构、原子结构参数、核化学紧密相关，成为一个完整的知识结构(图3)，对教学是有益的。
图3
(2)描述化学部分(下册内容)，以周期系为主线，更应注意到电子结构周期性的指导，因为它才是周期表的本质。这种以电子结构特点分区的做法，会让人更能体会到元素及其化合物的特性和周期表的相关性。特别对于课时少的专业，讲解描述化学部分，紧抓分区电子结构特点和重点元素。
2.2.3 学习历史,获得启迪
我国著名教育家、化学家傅鹰曾多次指出：“一门科学的历史是这门科学中最宝贵的一部分，因为科学只能给我们知识，而历史却能给我们智慧。”那么，学习和使用周期表的“智慧”在哪里？应该是进行化学史与化学教育的有机结合。
(1)学习科学家为科学献身的精神。研究周期表绝不止我们已知的那些知名科学家，还有多少献身的科学家青史未留名。他们的奋斗史显示了人类的科学思维变化和进步，突出了实践第一，遵循实践–认识–再实践–再认识的规律。门捷列夫曾立誓：“不存弃念，坚持工作，决不徒仗空言，应当耐心地去探索神圣而科学的真理。”
(2)学习门捷列夫的哲学思想和科学研究方法。科学的最高境界应该是哲学思想的体现。哲学为自然科学家提供了研究的思维和准则。门捷列夫在《化学原理》一书第5版的序言中写道：“……这本著作的主题，是我们所研究的这门科学的哲学原理”。然而在当时，要研究化学的“哲学原理”，超越传统和大科学权威所划定的范围而从事研究，并不那么简单。譬如说，门捷列夫在国外逗留期间，到过很多国家，与当时化学方面的权威建立了联系。可是，他并没有得到年高望重的德国、法国和英国化学家的赞同。即便到1869年，当门捷列夫发表他所发现的化学元素周期律时，他还得听他所极其尊崇的学者齐宁的训诫：“到了干正事、在化学方面做些工作的时候了”。著名的英国学者卢瑟福在伦敦化学协会纪念门捷列夫诞辰百周年的大会上所发表的演说中，完全证实了这一点。他说道：“门捷列夫的思想最初没有引起多大注意，因为当时的化学家更多地从事于搜集和取得各种事实，而对思考这些事实间的相互关系，却重视不够”。然而，正是因为门捷列夫深刻重视自然科学的哲学问题，才做出了突破性的决策。
有了高度的哲学素养，加上科学方法的创造，才可能在研究中高屋建瓴。门捷列夫敏锐地察觉到：“单是事实的收集，哪怕收集的非常广泛；单是事实的积累，哪怕积累的毫不遗漏，都还不能使你获得掌握科学的方法，不能向你提供进一步成功的保证，甚至还不能使你有权照科学这个名词的高级意义来把它叫做科学”。由此，门捷列夫意识到掌握正确的科学方法对揭露元素之间的规律性联系是至关重要的。许多资料详细分析了门捷列夫在周期系研究中创造的新的科学研究方法。简言之，可以把门捷列夫的科学方法叙述为：无意间发现同族元素的原子量差是常数(偶然事件)→敏锐的直觉+丰富的想象→元素周期律→周期理论的几种预言→被发现所证实。
(3)加强进行爱国主义教育。在周期表研究上有过贡献的我国化学家的工作更需要被充分介绍。例如对原子量测定做过杰出贡献的张青莲、梁树权，日本科学家和中国科学家友好合作发现第113号元素[2]，自2001年起中国科学院近代物理研究所核化学课题组参加由德国GSI和慕尼黑理工大学(TUM)、瑞士PSI、美国LBNL、俄罗斯FLNR和日本原子力研究机构(JAEA)的核化学家组成的国际合作小组开展有关超重元素108、112和114号元素化学性质的实验研究等。
3 周期表的未来如何？
周期表完成第七周期之后，未来的发展如何？理论上，还可填充5g–6f超锕系和6g–7f新超锕系两个内过渡系(各32种元素)，完成每周期50种元素的第八、九超长周期，直至Z = 218。于是，有人尝试了合成元素周期表里的第119号元素(暂定名为Uue)的实验。结果，无论是美国加州伯克利的超重离子直线加速器(superHILAC)中用钙-48轰击锿-254[25]，还是德国的GSI亥姆霍兹重离子研究中心尝试用钛核轰击锫，到目前还没有得到Uue。
加州劳伦斯伯克利国家实验室研究重元素化学的杰克林·盖茨(Jacklyn Gates)表示：“在新元素合成方面，我们已经到了回报递减的阶段，至少以我们目前的技术水平来看是这样。”85岁的俄罗斯核物理学家、历史上第二位健在时便拥有以自己名字命名的元素
最后，还是让我们回到IYPT吧。达尔文说：“科学就是整理事实，以便从中得出普遍的规律或结论。”门捷列夫元素周期表做到了。恩格斯说：“理论自然科学把自己的自然观尽可能地制成一个和谐的整体。”门捷列夫元素周期表做到了。海森堡说：“美是各部分相互之间以及整体之间真正地协调一致。”门捷列夫元素周期表做到了。最近，门捷列夫工作过的彼得堡大学的教授们再次发出了门捷列夫的第一张手稿以及工作过的办公室的照片等(图4) [26]，用以缅怀门捷列夫创造周期表的贡献。
图4
参考文献
DOI:10.1016/0048-9697(73)90024-7 [本文引用: 1]
DOI:10.1103/PhysRevC.32.1760 [本文引用: 1]
