元素概念的演变与化学元素观的教学

吴俊明+吴敏

摘要：讨论了化学元素观和元素概念的演变及其启示、化学元素观的教学意义与定位、化学元素观的教学内容以及化学元素观的教学策略。

关键词：化学元素观；元素概念；演变；启示；教学

文章编号：1005–6629（2014）6–0003–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

化学元素观回答“物质是由什么组成的”这个化学最基本的问题，因而是化学科学最基本的观念之一，其核心概念是“元素”。正如其语词的字义那样，“元素”是“基本成分”、“基本要素”的意思。元素概念是化学科学的第一个基本概念，也是化学科学最基本的概念之一，被称为“化学理论大厦的基石”[1]。所以，化学元素观和元素概念历来被教科书编者和教师所重视。然而，化学元素观和元素概念有其发展和演化过程，国内不少教科书和教师往往忽略了这一点，致使化学元素观和元素概念的教学成了枯燥无味、记忆背诵的过程。要改变这种状况，需要从了解它们的演变开始。

1 化学元素观和元素概念的演变

化学元素观和元素概念的演化和发展，按着时间顺序可以大体上分为古代、近代、现代三个阶段，由抽象上升为具体，由宏观深入微观，由元素发展为核素，由化学领域扩展到物理学和其他领域，由简单演变为复杂，发生了多次革命性的变革。

1.1 古代元素观和元素概念由抽象原性向实体原性的发展

早在人类文明的初期，人类观察到自然界性态各异的许多物质，就开始思考“万物由什么做成”这个问题。

出于朴素的直觉，古人自然地把性质相同的实物材料视为同一种物质，认为它们含有某种（或某些）相同的成分，并逐步发展到把某些实物或性质当作元素来说明万物的组成，例如古代中国的金、木、水、火、土五行说；古代印度的地、水、火、风说等。古希腊学者亚里士多德则提出水、火、土、气四元素说，认为各种元素由“干、湿、冷、热”4种“原性”两两组成。但也有人认为构成世界的本源是理念、道、气、阴阳等，把世界的本源归结为抽象甚至于玄虚的东西。例如，古希腊的毕达哥拉斯就认为数是构成世界的本源。

后来，欧洲的炼金家既承认四素说又信奉“原性说”，认为物质的本原是由冷、热、干、湿以及金属性、可燃性、可溶性等抽象“原始性质”组合成元素，再由元素生成万物，把脱离物质的抽象性质当做第一性的东西。瑞士医药化学家帕拉塞斯（P.A.Paracelsus，1493～1541）提出“三要素”学说，认为万物均由硫、汞、盐三要素（分别是可燃性、挥发性、凝固性的化身）构成。三要素说实质上是古老的“原性说”的一个变种，然而它是通过硫、汞、盐等实体物质体现出来的，因而就使医药化学家自觉不自觉地把神秘莫测的“原性说”向实体化、物质化的方向靠近了一步，体现了人们在元素认识的发展上从非实体的“性质”到实体的“物质”阶段的过渡[1～2]。

1.2 波义耳基于分析理性和实验的元素观与元素概念的提出

在16世纪医药化学发展的同时，冶金化学也在兴起。被称为“16世纪的最高工程师”的德国治金化学家阿格里柯拉（G.Agricola，1494～1555）在《古代冶金学与新冶金学》（1546年）和《论金属》（1556年）等著作中论述了金、银、铜、铁、锡、铅、汞、锑、铋等金属制备、提纯、分离方法的工艺过程，批驳了炼金家们对金属的错误认识。冶金化学所积累的大量的实际元素知识从实践上为科学的元素概念的产生提供了坚实的基础[3]。

17世纪后半叶至18世纪末的一个半世纪是近代化学的孕育时期。这一阶段开始的标志是英国化学家波义耳（Robert Boyle，l627～1691）坚决批判了炼金术士对物质组成的原性说，从理性和实验出发为化学元素作出了科学的定义。

波义耳在其著作《怀疑的化学家》中，以一个“怀疑论者”的身份，用许多实验事实揭露、批驳了信奉“水、土、火、气四元素说”或“汞、硫、盐三要素说”的“逍遥学派人士”及“庸俗化学家”以感觉为本和随心所欲。例如他指出：黄金是不怕火的，它既不能被火分解，更不会在火的作用下产生盐、硫或汞，也不能从中分离出土和水；有些“元素”，比如“盐”，却可被分解成酸和碱等物质；金可以和其他金属一起生成合金，还可以溶解在王水里而隐蔽起来，构成在性质上既极不同于金，而且彼此之间也不大相同的一些物体，然而这些物体以后又都可以还原成未形成共混合物（commixture）前的、同一数量的、黄色的、固定的、相当重的而且可延展的黄金[4]。他注意到，在冶金和金属加工工业中，金属经煅烧以后所得到的灰渣往往比金属本身还要重，这说明灰渣决不是金属分解以后留下的什么“土”元素，而是比金属本身还要复杂的物质。从众多事实出发，他指出：“元素是指某些原始的、简单的物体，或者说是完全没有混杂的物体，它们由于既不能由其他任何物体混成，也不能由它们自身相互混成，所以它们只能是我们所说的完全结合物的组分，是它们直接复合成完全结合物，而完全结合物最终也将分解成它们。”[5]这样，波义耳就给化学元素下了一个朴实的科学定义。波义耳认为，“任何一个命题，勿论它如何著明，如何重要，只要它尚未为勿容质疑的证据证明为真，那么，从哲学上讲，我就有充足的理由去怀疑它”。因此，他还说：“在所有的那些被说成是元素的物体当中，是否总可以找出一种这样的物体，则是我现在所要怀疑的事情。”从现代化学的观点看，波义耳所定义的元素实际上是单质。他是以这一定义将单质跟化合物及混合物区别了开来[6]。然而，大多数人还是把“首先提出科学的元素概念”的桂冠给了波义耳。

波义耳的元素概念带有很大程度的主观经验性质，对元素的确认往往要凭个人经验，在很大程度上取决于化学分析实验的技术水平。凡是用已知的化学方法还不能分解的东西，就很可能被人们误认为是元素。当时，即使杰出的化学家也难免在辨认元素工作中发生经验主义的错误。例如，拉瓦锡在1789年还把光、热、石灰、氧化镁等列入正式元素行列；直到1808年，道尔顿的原子量表中还把石灰和镁土列为元素[7]。

1.3 元素观与元素概念由宏观向微观的发展

19世纪初，道尔顿在对气体扩散和气体混合现象进行研究的基础上，提出了原子理论，进而又把原子概念与化学分解和化合现象结合起来建立了化学原子论，从理论上成功地解释了定组成定律、定比定律、当量定律等反映组成化合物的元素之间定量关系的一系列规律。道尔顿认为，相同元素的原子相同，不同元素的原子不同，有多少种元素，就有多少种原子。他把元素和原子联系在一起，导致最终建立基于原子理论的元素观念（“元素是相同原子的总称”）。1860年，康尼查罗（S. Cannizzaro，1826～1910）确立了科学的分子概念，完满地阐明了原子理论和分子理论，结束了分子概念和原子概念混淆不清的局面，使道尔顿的原子概念得以真正确立，原子论的化学元素观念令人信服地被普遍接受，化学元素观与元素概念实现了由宏观向微观的发展。“化学元素成为科学概念虽然始自波义耳，但是原子论的化学元素定义更为重要”[8]。

从波义耳的元素概念到原子分子论元素概念是近代科学的元素概念产生和确立的过程。这标志着化学作为一门近代基础科学的产生和发展，并为发现化学元素周期律准备了条件[9]。由于分析手段不断加强，再加上化学原子论的指导作用，一大批新元素陆续被发现，到19世纪中期，已发现的各种化学元素达到60多种。在18世纪后半期，有人开始对元素进行分类。例如，1789年拉瓦锡在他的《化学基础论》一书中就曾把他自己确认为可信的33种元素分为金属、非金属、气体和土质4大类[10]。19世纪60年代，迈尔和门捷列夫等人分别发现了化学元素周期律，把各种化学元素构造成一个互相联系的整体。从此，人们认识到化学元素是一个由简单到复杂的完整系列，而不是孤立的、相互间没有内在联系的。门捷列夫关于类铝（镓）、类硼（钪）、类硅（锗）的预言的证实，使化学元素的理论得到了普遍的承认和赞誉。由于周期律的指导，化学家们对各种元素的联系有了深入而系统的认识。同时，随着化学科学研究的发展，元素周期表也不断得到增补和修定。

1.4 元素观和元素概念在微观方向的继续深入

从道尔顿到门捷列夫都认为元素是不变的，原子是不可分的。19世纪末X射线、天然放射性和电子的发现，导致人们认识到原子是有其复杂结构的，原子不可分、元素永不变的观念被突破，元素的性质与原子结构的内在联系被揭示。同位素的发现，冲破了近代科学的元素与原子等同的旧观念，使人们进一步认识到，所谓化学元素不过是具有相同核电荷的一类原子的集合，它们的原子电子壳层结构是相同的，因此表现出相同的化学行为，在周期表中占有同一位置。元素概念从此建立在现代原子结构的基础之上，使当年人们发现的化学元素周期表的4个突出矛盾：惰性气体（零族元素）的位置问题；钾-氩、镍-钴、碘-碲3组“元素倒置”问题，镧系元素和锕系元素的排列问题以及原子量的小数问题都迎刃而解。现代元素概念不但能用原子的结构解释元素的性质，比以往的元素概念更丰富、更具体和深刻，更重要的是，它使人们深入到原子内部结构的层次来考察元素，认识到元素是可以变化和发展的，不是彼此独立无关不能互相转化的（例如，1932年，约里奥居里夫妇用Po的α粒子轰击B、Mg、Al等，发现人工放射性，开始利用人工核反应制备放射性元素，实现元素间的转变），导致元素概念发展为更深层次、更加准确的核素概念。核素是元素（同位素）概念的进一步演变，反映了人类从原子系统向核层次的深入认识。自此，元素概念开始由化学领域扩展到物理学领域[11]。

20世纪30年代后半期，当时周期表中的“缺失元素”锝终于通过人工核反应制得，随后人们又制得了一系列在自然界不存在的人造元素（准确的说法是“人造核素”）。在对人造元素的研究中，人们发现了同核异能态现象：具有相同质子数和相同中子数的“相同原子核”却具有不同的衰变方式及半衰期，其能量也不同。这跟“同分异构现象”颇相似，好比是原子核这个层次的“同分异构现象”，只不过这里的“同分”是指质子和中子的数目相同，“异构”是指核子构成原子核的结合方式不同。而且，不仅人造原子核有异能态，天然原子核也有异能态。据统计，己知有异能态的原子核超过300种。显然，现代同位素概念和核素概念都不能概括复杂的同核异能态现象了。同核异能现象表明，需要对旧的概念作新的发展，需要用新的概念来概括。至于人造异常原子和人造反原子核，用人造元素概念就更难概括了[12]。

1.5 元素观和元素概念在宏观方向的拓展

在发现了许多化学元素，进而编制了反映化学元素周期律的周期表，以及发现通过核反应可以实现元素间的转化之后，人们很自然地会产生疑惑：地球上乃至宇宙间的化学元素是从哪里来的？地球上乃至宇宙间的元素是同时产生的还是循序产生的？这两个问题涉及元素的起源问题和元素的演化问题。

根据大爆炸宇宙模型，宇宙早期（宇宙年龄在100秒左右）是各种轻元素的形成时期，此时宇宙间的质子和中子逐步结合成4He、D、7Li等原子核，所以宇宙早期也称为核合成时期。到了宇宙近期（宇宙年龄十万年以后），元素主要在后来形成的恒星中通过核反应演化，由于引力收缩作用体积缩小，温度逐步升高，恒星内部先后发生氢核燃烧（4个氢核聚变成一个氦核）、氦核燃烧（3个4He聚变成一个12C，2个4He聚变成一个8Be），随后又发生碳、氧核燃烧（聚变成20Ne、23Na、 24Mg、32S、31P、28Si等更重的元素，这些反应中释放的高能α粒子进而使24Mg生成28Si，32S生成36Ar，36Ar生成40Ca等等），硅核燃烧（28Si发生聚变，生成56Ni等等），铁核分解（导致超新星爆发，发生连续俘获中子反应，生成铀、钍等重核）等等（这些过程有的已经获得元素丰度和实验等事实的支持，有的还只是设想，有待实验的证明）。科学家们还设想了其他许多核反应过程，可以说明周期表中已知元素和目前尚未合成的超重元素的产生，说明元素和同位素的丰度曲线。在化学元素的起源和演化问题上，目前还有许多不清楚的地方，需要进一步进行探索和研究。

原先人们认为元素是不变的、是不可转变的，如今人们不仅认为元素是可变的、可以转化的，而且认为元素也像其他事物一样，有其自身的起源和演化历史。这个事实说明，随着科学的发展，静止的、僵化的形而上学观点必然要被变化的、发展的辩证法观点所代替[13]。

元素的演化经历了由简单到复杂、由无序到有序的漫长过程。但元素的演化不是单调的，复杂元素还可以通过α衰变、β+衰变等过程使其有序性、复杂性降低，放射性原子的蜕变就是有力的证明。如果把元素由简单到复杂、由无序到有序的演化过程称为“元素进化”的话，它还有一个相反的过程，即由复杂到简单、由高有序性到低有序性的“元素退化”。这两个相反的过程在一定的条件下达到平衡，所以元素周期表中的元素有所限制，不会无限增多。而且，在元素周期表中原子的稳定性变化是有起有伏的，不是单调地向一个方向变化，有所谓“稳定岛”现象。化学元素的演化也体现着简单与复杂、有序与无序的辩证运动与相互转化。

2 化学元素观和元素概念演变史的启示

弗朗西斯·培根说过：“读史使人明智。”在了解化学元素观和元素概念演变历史后，能得到哪些启示？笔者认为主要是：

（1）从元素只是一个宏观概念，到元素概念与原子联系起来，再到元素概念与原子结构、原子核结构联系起来；从脱离实体的、玄虚、神秘、原始、混沌的元素概念到明确“物质化学分解所达到的终点”，再到“相同种类的原子”、“核电荷数相同的一类原子”；从波义耳的元素概念到原子分子论元素概念，再到核素概念；从元素是不变的、不可转化的，到元素是可变的、可以转化的，再到元素有其起源、演化过程，人类逐步揭开了元素的神秘面纱，比较清晰地认识了元素概念本体。

（2）人们研究元素，本意是弄清万物构成的基本要素、基本成分或者基础物质、本原，然而结果是：发现元素只在一定层次上是“基本”的。这些层次分别是宏观水平、原子水平、原子结构水平和原子核水平等，它们对应着不同水平的物质系统层次。因而可以认为，不同层次意义的元素只是该物质系统层次上的基本要素、基本成分或者基础物质；其基本性是相对的，不是绝对的。换句话说，元素只是在一定层次上才是构成物质的基本要素、基本成分或者基础物质，它不是绝对的基础物质和本原；对元素的认识有着不同的层次。

（3）化学元素观和元素概念只有实体化、微观化，运用科学理性和实验来研究，摆脱玄虚的思辨之后才真正进入科学领域，成为科学概念。随着元素概念的发展，化学元素观和元素概念的科学水平在逐步增强。

（4）人类对物质的组成、对组成物质的基本成分（即元素）的认识是不断发展、深化的，不会一直停留在一个固定的水平上，不能一劳永逸地解决物质组成方面的问题。固定、僵化的观点是错误的、有害的。

（5）元素观的方法论意义主要在于：一方面，不同层次的元素概念总是跟相应的、不同的研究方法联系在一起，例如，波义耳的元素概念跟化学分解方法联系在一起；原子结构水平的元素概念（“核电荷数相同的一类原子”）跟原子结构研究方法联系在一起；核素则跟核反应方法联系在一起。这些方法有着共同的特质——以分析思维为核心，然而这种分析思维不是简单的、绝对的、孤立的，它们包含着综合。例如，原子结构水平的元素概念综合了核内含有不同中子数的同位素，核素综合了不同的同核异能态。因而这种分析思维是渗透着综合的分析思维，或者说，是综合指导下的分析思维。另一方面，元素跟“基本成分”对应，已经作为一种思想方法广泛应用、迁移和渗透于包括社会科学在内的其他学科以及包括日常生活领域在内的几乎一切领域，例如，“文化元素”、“现代元素”、“结构元素”、“地域元素”……已经成为耳熟能详的词汇。

（6）只有不但了解元素概念的定义，而且了解元素概念的发展和思想方法，了解足够多的具体元素，了解以元素周期律为代表的元素的有关规律，并能应用于对元素的研究……才能确定化学元素观形成。换句话说，仅仅知道元素概念的定义只是形成元素观的开始，绝不是元素观教和学的结束。

3 对于化学元素观教学的思考

学生为什么要学习化学元素观？要学习哪些具体内容？怎样才算学得好？怎样才能学习好？这是化学元素观教学必须认真思考、弄清楚的几个重要和基本的问题。

3.1 化学元素观的教学意义与定位

一般地说，化学元素观概括着对元素的基本认识，隐含着学习元素知识的基本框架，可以指导元素知识顺利和有效地学习，有利于元素理论的建构，有利于掌握有关的研究方法，引领有关的科学活动，提升思维品质，提高科学素养[14]。

特殊地说，化学的基本问题是物质的组成问题、结构问题和反应问题[15]。解决组成问题是解决结构问题和反应问题的前提，组成问题的解决应该先于结构问题和反应问题，跟物质组成问题密切关联的化学元素观自然是化学科学的基本观念。恩格斯指出：“波义耳把化学确立为科学”[16]，彰显了波义耳为化学元素概念做出科学定义的重要意义。作为化学科学的基本观念和概念，化学元素观和化学元素概念对于中学化学的重要性是不言而喻的，中学化学教学应该重视让学生理解和掌握化学元素观和化学元素概念，这是无疑的。

然而，化学元素观和化学元素概念在化学课程中如何定位？它们与化学课程整体是何关系？化学元素观始终是中学化学的核心观念吗？它能对中学化学教学始终起统领作用吗？在近代化学形成时期，化学家们着重研究的是物质的性质和组成；在近代化学发展时期，化学家们从研究物质的组成过渡到研究物质的结构，研究结构和性能的关系，进而研究化学反应的规律性；在现代化学时期，化学家们已经深入到原子、分子内部研究物质的结构和化学反应的机理，物质的组成已不是化学的核心问题[17]。历史和逻辑是统一的。笔者认为，在学生学习化学的不同阶段有不同的核心问题，最先是物质组成问题，然后逐步转变为物质结构问题和化学反应问题。从总体上看，中学化学中的核心观点不会只有一个，在不同学习阶段会有不同的核心观念。在学习比较复杂的化合物时，化学元素观已难以发挥很大的作用。此外，由于观念的建构需要足够的事实材料，要在有关事实材料的学习之后进行，化学元素观的学习未必要领先。

3.2 化学元素观的教学内容

化学元素概念是化学元素观的核心概念，它自然应该是化学元素观的重要成分，但需要妥善地确定在什么层次上界定并且通过什么样的路径建构，需要用适合中学生（特别是初中生）的语言来表述，需要注意它跟物质结构知识的关联、与物质性质和反应知识的关联，最终使中学生形成：

3.2.1 关于元素以及物质的元素组成的基本事实知识

（1）元素是具有相同核电荷数（即质子数相同）的一类原子的总称。

（2）物质是由元素组成的，由同种元素也可以组成不同的物质。

（3）物质的元素组成包括种类、含量两个方面，可以用化学式方便地表示或计算。

（4）物质的性质与其组成元素有关，组成情况不同，物质的性质不同。

（5）物质可以按照元素组成分为单质和化合物两大类，还可以根据特定组成元素划分出特殊的化合物类型。

（6）可以根据某些特点对元素进行分类，各类元素中既有共性也有个性。

（7）化学分解和原子核电荷数的考察都是确定元素（单质）的基本方法。

3.2.2 元素与物质结构关系的观念

（1）能应用元素性质与原子结构关系的规律解释有关现象。

（2）能应用元素性质与原子结构关系的规律解决有关问题。

3.2.3 元素与化学反应关系的观念

（1）能应用“化学反应中元素原子重新组合生成新物质，元素种类不变”这一规律解释、解决有关问题。

（2）元素价态的变化涉及氧化反应或还原反应。

（3）能根据化学反应前后元素种类不变，通过实验确定物质的元素组成。

3.2.4 了解重要元素的知识

包括它们的结构、位置、性质（反应）和特点等等，并应用化学元素观解释、解决有关的问题，等等。

3.3 化学元素观的教学策略

笔者认为，在中学阶段，化学元素观的教学应注意采用下列策略：

3.3.1 利用生活经验，引发对物质组成的关注

初中学生的抽象思维能力不是太强，刚开始学习化学时对“同一类原子总称为元素”颇感费解，对“具有相同核电荷数（即质子数相同）的一类原子总称为元素”的理解就更觉困难了。对此，利用他们的日常经验，把他们很容易理解的“基本成分”作为学习元素概念的“图式”，用“基本成分”先对元素概念做初步解释，以后再深化认识，学习的难度就会下降。如果再结合由于材料成分不同而导致物质性质迥异的种种生活经验和实验事实，还有可能使学习兴趣大增。

目前，一些教材把元素概念放在“构成物质的基本微粒”之后紧接着学习，淡化了对物质组成问题和元素概念的关注及意义领悟，也容易造成原子、分子、元素等概念集中出现而导致混淆，这对化学元素概念和化学元素观的学习是不利的。

3.3.2 打好形成化学元素观的概念基础

元素概念是化学元素观的核心概念。没有清晰、深刻的元素概念，就不可能形成科学的化学元素观。但是，学生的化学元素观的形成还需要物质、性质、原子、单质、化合物、分解反应等概念的支持。在教学中，要有计划地帮助学生准备好这些概念，打好形成化学元素观的概念基础。

3.3.3 逐步充实，逐步强化，不急于求成

化学元素观与化学元素概念不是一回事，化学元素观的形成要晚于化学元素概念，它们不应该同步形成。由于化学元素观的基础知识、基本概念是分散安排的，化学元素观的形成应该是逐步充实，逐步强化的，切忌急于求成，一步到位。

3.3.4 注意开发利用化学史中的有关资源

化学发展史中蕴藏着建构化学元素观的丰富资源，要注意开发、利用。

3.3.5 广泛应用，正误对比，深化理解

怎样才算学好了化学元素观，关键在于能不能正确地应用，包括用来解释有关的现象、解决有关的问题。在教学中注意应用化学元素观来使元素知识结构化并巩固记忆，注意广泛应用化学元素观来解决实际问题，注意通过比较来深化理解、强化体验、修正错误，提升对化学元素观的认识，已被实践证明是行之有效的办法。注意在总结和推广这些经验的基础上，积极探索，改进教学，就能促进化学元素观教学上升到新的水平。

参考文献：

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[14]吴俊明.为什么要关注科学观念[J].化学教育，2014，（4）：3～6.

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