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1、元素概念的演变与化学元素观的教学 摘要：探讨了化学元素观和元素概念的演化及其启示、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；演化；启示；教学 文章编号：101566296000305 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
2、科书编者和老师所重视。然而，化学元素观和元素概念有其发展和演化过程，国内不少教科书和老师往往忽视了这一点，致使化学元素观和元素概念的教学成了味同嚼蜡、记忆背诵的过程。要变更这种状况，须要从了解它们的演化起先。 1 化学元素观和元素概念的演化 化学元素观和元素概念的演化和发展，按着时间依次可以大体上分为古代、近代、现代三个阶段，由抽象上升为详细，由宏观深化微观，由元素发展为核素，由化学领域扩展到物理学和其他领域，由简洁演化为困难，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，人类视察到自然界性态各异的很多物质，就起先思索“万物由什么做成”这
3、个问题。 出于朴实的直觉，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
4、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提出“三要素”学说，认为万物均由硫、汞、盐三要素构成。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奇莫测的“原性说”向实体化、物质化的方向靠近了一步，体现了人们在元素相识的发展上从非实体的“性质”到实体的“物质”阶段的过渡12。 1.2 波义耳基于分析理性和试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在古代冶金学与新冶金学和论金属等著作中论述了金
5、、银、铜、铁、锡、铅、汞、锑、铋等金属制备、提纯、分别方法的工艺过程，批驳了炼金家们对金属的错误相识。冶金化学所积累的大量的实际元素学问从实践上为科学的元素概念的产生供应了坚实的基础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。这一阶段起先的标记是英国化学家波义耳坚决批判了炼金术士对物质组成的原性说，从理性和试验动身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，用很多试验事实揭露、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”以感觉为本和为所欲为。例如他指出：黄金是不怕火的，它既不能被火
6、分解，更不会在火的作用下产生盐、硫或汞，也不能从中分别出土和水；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藏起来，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。他留意到，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困难的物质。从众多事实动身，他指出：“元素是指某些原始的、简洁的物体，或者说是完全没有混杂的物体，它们由于既
7、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，是它们干脆复合成完全结合物，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，我就有足够的理由去怀疑它”。因此，他还说：“在全部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事实上是单质。他是以这肯定义将单质跟化合物及混合物区分了开来6。然而，大多数人还是把“首先提出科学的元素概念”的
8、桂冠给了波义耳。 波义耳的元素概念带有很大程度的主观阅历性质，对元素的确认往往要凭个人阅历，在很大程度上取决于化学分析试验的技术水平。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分辨元素工作中发生阅历主义的错误。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探讨的基础上，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，从理论上胜利地说明了定
9、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。1860年，康尼查罗确立了科学的分子概念，完满地阐明白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
10、的过程。这标记着化学作为一门近代基础科学的产生和发展，并为发觉化学元素周期律打算了条件9。由于分析手段不断加强，再加上化学原子论的指导作用，一大批新元素接连被发觉，到19世纪中期，已发觉的各种化学元素达到60多种。在18世纪后半期，有人起先对元素进行分类。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年头，迈尔和门捷列夫等人分别发觉了化学元素周期律，把各种化学元素构造成一个相互联系的整体。从今，人们相识到化学元素是一个由简洁到困难的完整系列，而不是孤立的、相互间没有内在联系的。门捷列夫关于类铝、类硼、类硅的预言
11、的证明，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化而系统的相识。同时，随着化学科学探讨的发展，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接着深化 从道尔顿到门捷列夫都认为元素是不变的，原子是不行分的。19世纪末X射线、自然放射性和电子的发觉，导致人们相识到原子是有其困难结构的，原子不行分、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。同位素的发觉，冲破了近代科学的元素与原子等同的旧观念，使人们进一步相识到，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
12、化学行为，在周期表中占有同一位置。元素概念从今建立在现代原子结构的基础之上，使当年人们发觉的化学元素周期表的4个突出冲突：惰性气体的位置问题；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说明元素的性质，比以往的元素概念更丰富、更详细和深刻，更重要的是，它使人们深化到原子内部结构的层次来考察元素，相识到元素是可以改变和发展的，不是彼此独立无关不能相互转化的，导致元素概念发展为更深层次、更加精确的核素概念。核素是元素概念的进一步演化，反映了人类从原子系统向核层次的深化相识。自此，元素概念起先由化学领域扩展到物
13、理学领域11。 20世纪30年头后半期，当时周期表中的“缺失元素”锝最终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。在对人造元素的探讨中，人们发觉了同核异能态现象：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”颇相像，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，自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。明显，现代同位素概念和核素概念都不能概括困难的同核异能态现象了。同核异能现象
14、表明，须要对旧的概念作新的发展，须要用新的概念来概括。至于人造异样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 在发觉了很多化学元素，进而编制了反映化学元素周期律的周期表，以及发觉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怀疑：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。 依据大爆炸宇宙模型，宇宙早期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，元素主要在后来形
15、成的恒星中通过核反应演化，由于引力收缩作用体积缩小，温度逐步上升，恒星内部先后发生氢核燃烧、氦核燃烧，随后又发生碳、氧核燃烧，硅核燃烧，铁核分解等等。科学家们还设想了其他很多核反应过程，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，目前还有很多不清晰的地方，须要进一步进行探究和探讨。 原先人们认为元素是不变的、是不行转变的，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定要被改变的、发展的辩证法观点所代替13。 元素的
16、演化经验了由简洁到困难、由无序到有序的漫长过程。但元素的演化不是单调的，困难元素还可以通过衰变、+衰变等过程使其有序性、困难性降低，放射性原子的蜕变就是有力的证明。假如把元素由简洁到困难、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，即由困难到简洁、由高有序性到低有序性的“元素退化”。这两个相反的过程在肯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改变是有起有伏的，不是单调地向一个方向改变，有所谓“稳定岛”现象。化学元素的演化也体现着简洁与困难、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化史的启示 弗朗
17、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化历史后，能得到哪些启示？笔者认为主要是： 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、神奇、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、不行转化的，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奇面纱，比较清楚地相识了元素概念本体。 人们探讨元素，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
18、原，然而结果是：发觉元素只在肯定层次上是“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同等，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，不是肯定的。换句话说，元素只是在肯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，它不是肯定的基础物质和本原；对元素的相识有着不同的层次。 化学元素观和元素概念只有实体化、微观化，运用科学理性和试验来探讨，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加。 人类对物质的组成、对
19、组成物质的基本成分的相识是不断发展、深化的，不会始终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。 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、不同的探讨方法联系在一起，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跟原子结构探讨方法联系在一起；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洁的、肯定的、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
20、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。 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，了解足够多的详细元素，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探讨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起先，绝不是元素观教和学的结束。 3 对于化学元素观教学的思索 学生为什么要学习化学元素观？要学习哪些详细内容？怎样才
21、算学得好？怎样才能学习好？这是化学元素观教学必需仔细思索、弄清晰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相识，隐含着学习元素学问的基本框架，可以指导元素学问顺当和有效地学习，有利于元素理论的建构，有利于驾驭有关的探讨方法，引领有关的科学活动，提升思维品质，提高科学素养14。 特别地说，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，组成问题的解决应当先于结构问题和反应问题，跟物质组成问题亲密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
22、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，中学化学教学应当重视让学生理解和驾驭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，化学家们着重探讨的是物质的性质和组成；在近代化学发展时期，化学家们从探讨物质的组成过渡到探讨物质的结构，探讨结构和性能的关系，进而探讨化学反应的规律性；在现代化学时期，化学家们已经深化到原子、分子内部探讨物质的结构和化学
23、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。在学习比较困难的化合物时，化学元素观已难以发挥很大的作用。此外，由于观念的建构须要足够的事实材料，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，它自然应当是化学元素观的重要成分，但须要妥当地确定在什么层次上界定并且通过什么样的路径建构，须要用适合中学生的语
24、言来表述，须要留意它跟物质结构学问的关联、与物质性质和反应学问的关联，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领实学问 元素是具有相同核电荷数的一类原子的总称。 物质是由元素组成的，由同种元素也可以组成不同的物质。 物质的元素组成包括种类、含量两个方面，可以用化学式便利地表示或计算。 物质的性质与其组成元素有关，组成状况不同，物质的性质不同。 物质可以根据元素组成分为单质和化合物两大类，还可以依据特定组成元素划分出特别的化合物类型。 可以依据某些特点对元素进行分类，各类元素中既有共性也有特性。 化学分解和原子核电荷数的考察都是确定元素的基本方法。 3.2.2 元素与物质
25、结构关系的观念 能应用元素性质与原子结构关系的规律说明有关现象。 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 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”这一规律说明、解决有关问题。 元素价态的改变涉及氧化反应或还原反应。 能依据化学反应前后元素种类不变，通过试验确定物质的元素组成。 3.2.4 了解重要元素的学问 包括它们的结构、位置、性质和特点等等，并应用化学元素观说明、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留意采纳下列策略： 3.3.1 利用生活阅历，引发对物质组成的关注
26、初中学生的抽象思维实力不是太强，刚起先学习化学时对“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，利用他们的日常阅历，把他们很简单理解的“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说明，以后再深化相识，学习的难度就会下降。假如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阅历和试验事实，还有可能使学习爱好大增。 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，也简单造成原子、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
27、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。没有清楚、深刻的元素概念，就不行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须要物质、性质、原子、单质、化合物、分解反应等概念的支持。在教学中，要有安排地帮助学生打算好这些概念，打好形成化学元素观的概念基础。 3.3.3 逐步充溢，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，它们不应当同步形成。由于化学元素观的基础学问、基本概念是分散支配的，化学元素观的形成应当是逐步充溢，逐步强化的，切忌急于求成，一步到位。 3.3.4 留意开发利用化学史中的有关资
28、源 化学发展史中隐藏着建构化学元素观的丰富资源，要留意开发、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，包括用来说明有关的现象、解决有关的问题。在教学中留意应用化学元素观来使元素学问结构化并巩固记忆，留意广泛应用化学元素观来解决实际问题，留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相识，已被实践证明是行之有效的方法。留意在总结和推广这些阅历的基础上，主动探究，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： 13化学思想史编写组.化学思想史M.长沙：湖南教化出版社，11016：2101，3234，287，2
29、101，300. 27891112唐敖庆，卢嘉锡，徐光宪主编.化学哲学基础M.北京：科学出版社，11016：154，155157，161162. 45英罗伯特波义耳著.袁江洋译.怀疑的化学家M.武汉：武汉出版社，11013：35，202. 6化学发展简史编写组编.化学发展简史M.北京：科学出版社，11010：73，73，121. 10法安托万-洛朗拉瓦锡著.任定成译.化学基础论M.武汉：武汉高校出版社，11013：104. 131517张嘉同.化学哲学M.南昌：江西教化出版社，11014：103106，3542. 14吴俊明.为什么要关注科学观念J.化学教化，2022，：36. 16恩格斯.自然辩证法M.北京：人民出版社，11014：28. 第17页 共17页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页