臺灣化學教育

「化學元素週期表環島之旅」特展借展後記：

元素週期表的演進介紹與教學運用

廖酉鎮¹、夏小雅²

雲林縣立麥寮高中
¹[email protected]

 ²[email protected]

n   前言

延續2019年國際元素週期表年（Ineternational Year of the Periodic Table of Chemical Elements, IYPT）之活動，2020年由國立臺灣師範大學科學教育研究所辦理「化學元素週期表環島之旅」特展活動，將「國際化學元素週期表年（IYPT）特展」之教育資源，經由各級學校申請借展途徑，擴大展覽教育功能。本校趁此良機申請借展，並針對此特展規劃導覽解說，希望經由導覽解說，讓觀展師生更進一步了解元素週期表的相關歷史、門得列夫的週期表為何較同時期他種週期表地位更高，知悉元素週期表的多元性以及相關的一些元素知識概述等等，在一節課的導覽解說中，能對週期表與生活中常見的化學元素有更多的認識。

n   導覽解說設計發想

借展之初規劃展品陳列動線時，打算依門得列夫1869年週期表的原型以及其他各類週期表為開端探索元素週期表，緊接著元素大事記、元素命名與翻譯等為導覽主軸，輔以美國化學會（American Chemical Society, ACS） 元素海報、稀缺元素週期表、化學元素與女性科學家等延伸說明，最後參觀學生海報競賽得獎作品、IYPT 公益彩繪列車等展品。

導覽解說稿內容部分，在探索元素週期表的部分，筆者認為僅介紹門得列夫的週期表，少了一些元素概念的演進史可惜了些，也希望能說明門得列夫的週期表相較其他同時期週期表更被廣為接受的原因。

對於元素大事記的部分，則針對部分元素提供相關說明以增加趣味性。稀缺元素週期表的解說重點在於落實廢棄電子產品回收，化學元素與女性科學家部分著重於兩性平權、學生海報競賽得獎作品強調自我創意發想等。

n   導覽活動增設展品

導覽時，教師會提供學生學習單，其中包含週期表與元素之最等知識性的問題，以及金字塔型週期表紙模供學生製作，將學習單最後轉變為的擺飾品。

配合解說元素概念的演進與各類週期表，本校自行增加部分海報與金字塔週期表、物理學家週期表實體模型（Stowe’s physicist’s periodic table） （Wikipedia, 2018d）；同時，配合國一學生尚未接觸理化課程中原子模型，利用鋁線製作氫原子、鋰原子以及碳原子模型輔助，以說明Stowe的週期表；再自製現存密度最高的鋨金屬─重量模擬體驗裝置，讓學生感受高密度金屬的重量感與理解密度的概念。

n   週期表的演進導覽：從煉金術到週期表

本展覽重心在化學元素週期表，導覽便由化學（Chemistry）的字源煉金術（Alchemy）與古代的元素概念導入，以下為各項導覽解說概略內容。

1.              四元素說（Empedoclean elements）：由介紹西元前四世紀亞里斯多德所建立的四元素說展開序幕（唐登鋼，2008，頁50），介紹風、火、水、土四元素構成萬物的概念（圖1），煉金術士希冀經由添加其他物質與提煉過程，調整物質中四元素比例，達到將物質轉為黃金的效果。可引入哈利波特電影第一集「哈利波特：神秘的魔法石」，以及冰雪奇緣電影第二集中出現風、火、水、土四元素場景的相關說明，增加學生共鳴。

            

圖1：四元素說 （Wikipedia,2019b）
（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Four_elements_representation.svg）

圖2：神學與煉金術圖（Alchemical emblem），包含四元素、三原素、與七大金屬（Wikipedia, 2018a）
（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fotothek_df_tg_0007129_Theosophie_%5E_Alchemie.jpg） 

2.              五元素說：一樣由亞里斯多德提出，認為風、火、水、土四元素之外，有稱為乙太（Aether或Ether）的中間性元素（趙匡華，1998，頁51），能藉由提煉提取，並協助物質的轉化（唐登鋼，2008，頁50）。

3.              七大金屬：七大金屬（Seven Planetary Metals）為金、銀、銅、鐵、錫、鉛、汞，並分別對應到當時的七大行星太陽、月球、金星、火星、木星、土星、水星，圖2中以中央發出的七道光芒代表此七大金屬，以及一周的七天，而七大金屬仍由風、火、水、土四元素構成（唐登鋼，2008，頁54）。

4.              三原素說（Tria Prima）：帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus）於1530年所提出，帕拉塞爾斯認為汞、硫、鹽三種元素所組成（唐登鋼，2008，頁56），汞、硫、鹽三種元素分別對應到人的精神、靈魂與肉體，而汞、硫、鹽亦由四大元素所組成，並且可在七大金屬中，看到汞、硫、鹽三者在圖2中以月亮、太陽、砝碼三者的形象出現在七大金屬與四大元素中間的三個角落，經由汞、硫、鹽結合，能夠得到可點石成金的魔法石。特別的是帕拉塞爾蘇斯並不熱衷於煉金術，著重在利用礦物入藥作為治療手段（趙匡華，1998，頁102）。

5.              道耳頓元素表（Dalton’s symbols of the elements）：學生初次接觸道耳頓，是國一生物課程針對色盲的介紹，1803年道耳頓的原子論提到化學元素是由不可分割的原子所組成，且同一元素的所有原子具有相同質量和性質，但不同元素的原子，在質量和性質上都不相同，接著道耳頓1806年發表了第一張原子量表，其中表列了20種元素以及原子量，因當時缺乏分子概念，原子量誤差較大（趙匡華，1998， 頁187）。

圖3：道耳頓元素表（Dalton’s symbols of the elements）（Wikipedia, 2019a）

（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dalton%27s_symbols_of_the_elements._1806_Wellcome_M0004592.jpg）

6.              德貝萊納三元素組（Döbereiner’s triads）：在1829年已知的54種元素中的15個，依化學性質分類，3個元素為一組，例如：鋰、鈉、鉀歸為一組、鈣、鍶、鋇歸為一組，稱為三元素組，三元素組中元素的原子量，會是原子量較小的元素與原子量較大的元素兩者原子量加總後的平均值，呈現約略等於原子量居中元素的原子量的特殊現象，例如：鈣與鋇的原子量平均值，會等與鍶的原子量（林德宏，1997，頁287），但對於原子量非常低或非常高的元素不適用（Simply Science, 2020），三元素組法則雖無法普及到所有元素，但仍有其重要的貢獻，深深影響門得列夫與麥爾（Scerri, 2007, p. 94, p.103）。

7.              尚古多碲螺旋（Chancourtois Telluric Screw）：尚古多是第一位設計元素週期表的科學家，他依據原子量大小，在1862年設計了一個螺旋圖，並將圖繪製於周長為16個單位的圓柱上（圖4），命名為碲螺旋，圖表中將原子量最小的氫排在最高的位置，往右下方依原子量遞增順序填入62個元素，並將相似元素如鋰鈉鉀排列於相同的垂直位置，且鋰、鈉、鉀原子量差值都接近16（Royal Society of Chemistry, 2020），他是第一位發現元素隨著原子量順序排列時，化學性質會出現週期性的科學家（趙匡華，1998，頁415）。     

              

圖4：尚古多碲螺旋（Wikipedia, 2018b）

（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Telluric_screw_of_De_Chancourtois.gif）

8.              麥爾（Lothar Meyer）六元素表：麥爾於1864年提出的週期表與門得列夫的週期表相當類似，麥爾按原子量遞增的順序表列了28種元素（Scerri , 2007, p.94），且揭示了不同週期間原子量增加的規律性（圖5），隨後在1869年又製作了一張化學元素週期表，表中羅列了52個元素，也留下一些空格給尚未發現的元素（田學賓，2005，頁73）。麥爾1868年繪製出「原子體積周期性圖解」，並進一步發展出化學元素的原子量、原子體積與固態金屬密度三者間的的關係式（公式1），且依此校正了部分金屬的原子量，麥爾的研究偏重歸納元素的物理性質，不強調對未知元素的性質預測（趙匡華，1998，頁422）。雖然對週期表的發展有長足的影響，也成功預測鍺的原子量（Scerri , 2007, p.119），但麥爾始終並未得到應有的關注。公式1：

圖5：麥爾週期表（Venable, 1896, p.85）

9.              紐蘭茲八度律法則（Newland’s Law of Octaves）：紐蘭茲於1865年發表了「八度律法則」（圖6），並指出表中的元素都與其後的第八個元素有類似的性質，且利用此法則排列，能呼應德貝萊納三元素組（Venable, 1896, p. 79）。但是紐蘭茲發表後受到許多嘲笑，且紐蘭茲未考慮可能有未知元素存在，就依原子量逕行編排的方式，也無助發展週期表的規律性（趙匡華，1998，頁419）。紐蘭八度律法則的缺點在於後來發現的元素無法放入八度音階模式，且原子量高於鈣的原子也無法適用。紐蘭茲的週期表重要性被低估，他揭示了元素的化學性質會在一定規律間隔後重複的模式，並跳脫以原子量為主的排序方式，改用化學性質為排序依據，將較重的碘與與較輕的碲的位置做了交換，對於門得列夫與麥爾排列週期表元素的規律性，有重要參考價值（Kaji, Kragh, & Palló, 2015, p.85 ; Scerri, 2007, p.76）。

圖6：紐蘭茲八度律（Venable, 1896, p.85）

10.          門得列夫元素週期表：門得列夫在1869年發表的週期表（圖7），包含了63種元素，與麥爾的六元素族頗為類似，皆使用原子量作為主要歸類依據（趙匡華，1998，頁421-422；Mendeleev, 2005 , p.26），因為當時還沒有過渡金屬的概念，所以同一格會放入兩種元素（趙匡華，1999，頁418-420）。門得列夫的成功與獲得普世認同的原因，是因為賦予了週期表更高的實用性，利用他獨特的見解，大膽的預測有未知元素的存在，並利用既有的各種資料的做未知元素的性質推測，值得一提的是門得列夫於1871年預測了鎵金屬的性質，在1875年鎵被發現時，原子量與門得列夫預測值相當接近，但密度差異頗大，門得列夫預測此金屬密度為5.9g/cm³，但發現者布瓦博多朗（Lecoq de Boisbaudran）所測得的密度值僅有4.7 g/cm³，門得列夫手邊沒有此金屬，仍大膽去函給布瓦博德朗，暗示他對於鎵密度的測定可能錯誤，甚至指出可能是鎵在提純過程中被鈉所污染，布瓦博德朗便重新提煉鎵金屬重新測定，測完後發現幾乎與門得列夫的預測值吻合，布瓦博多朗便開始宣傳門得列夫的元素週期表，後續未知元素發現時也大致吻合門得列夫的預測值，至此可說門得列夫已將週期表的週期性做了相當優異的闡釋，也因此門得列夫週期表大放異彩（田學賓，2005）。

圖7：門得列夫週期表（Wikipedia , 2018c）

（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mendeleev%27s_1869_periodic_table.svg）

綜觀週期表的發展，門得列夫歸納整理出各項元素物理與化學上的規律性，賦予預測週期表上未知元素所在位置，以及各未知元素的物理化學特性後，進一步調整銻與碘等元素的位置，並修正銦、釔、鑭、鈾等原子的原子量（趙匡華，1998，頁427）。門得列夫對新元素預測的性質包含原子量、是否為金屬、熔點、沸點、元素密度、氧化物化學式、氧化物密度等等，但對於如何計算出相關預測數值，門得列夫未曾明確說明，推測他對原子量的預測應用了類似三元素組的方式，經由計算該元素在週期表位置的上下左右相鄰的四個元素中的三個或四個的原子量平均值，得到該未知元素原子量（Scerri, 2011）。對於元素的密度須經由公式2的關係式求出，原子體積一樣利用該元素在週期表位置的上下左右四個元素之中三個原子體積平均值（Campbell & Pulkkinen, 2020），以鎵為例，計算如下：

公式2： 

 

以門得列夫的計算式看來，他使用了類似德貝萊納三元素組的概念以及麥爾對於原子體積、原子量、跟原子體積之間的概念進行預測，能參考他人的研究成果並能夠加以修正與使用，門得列夫的成功，可說植基於自身的天分以及妥適運用他人的研究成果所建構出的成就。

n   多元週期表與元素大事記導覽

門得列夫在1869年發表週期表後的100年內，超過700種各式各樣的週期表被發表（Scerri, 2007, p.20），介紹完門得列夫的週期表後，本校增印了由海德（Hyde）於1975年發表的Curled
ribbon periodic table （Wikipedia, 2020a） 如圖8、物理學家週期表如圖9等不同種類的週期表如下表，讓學生了解週期表具有相當多的樣貌。

圖8：Curled ribbon periodic table （Wikipedia, 2020a）

（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_chemical_elements_and_their_periodic_relationships.svg）

圖9：物理學家週期表（Wikipedia, 2018d）

（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Periodic_system_Stowe_format.svg）

元素大事記導覽部分針對砷的毒性、磷的提煉、惰性氣體的發現、人造元素等進行說明，概述如下：

1.              砷：13世紀被發現的砷，常以名稱砒霜（As₂O₃）、雌黃（As₂S₃）和雄黃（As₄S₄）出現在電影中，砒霜是古代常見的毒藥。砷中毒會造成血管病變，產生血栓、血管炎栓塞和動脈硬化栓塞，因血液無法流通而導致肢體呈現烏青壞死的現象，在臺灣稱為烏腳病（陳建仁，2004）。砷會破壞紅血球，被視為有美白功效，因此會有吃微量砷美白的狀況產生（蘇瓦茲，2004，頁148）。

2.              磷：布蘭德（Hennig Brand）1669年提煉人類尿液所得，提煉出的物質是白磷，高於35度會燃燒，魔術師會使用白磷作為火源。而紅磷即為常見的火柴成分之一，人類的骨骼有20%是磷酸鈣（田曉伍、任金霞，2004），但吸入太多的磷，會造成骨質疏鬆，早期經常火柴工廠工人經常發生下巴頷骨碎裂的病症，稱為Phossy_jaw（Wikipedia, 2020b）。

3.              鈍氣：在瑞利（Rayleigh）的敏銳觀察力與努力下純化出氬氣，再經由拉姆齊（Ramsay）判斷出這是種新元素後，在1894年確認了氬氣的存在，且拉姆齊預言氬應該是個元素新族，根據週期表的概念，也暗示鈍氣應有其他同族元素存在（趙匡華，1998，頁435）。鈍氣發現者拉姆齊利用圖5中不同週期的元素原子量遞增順序規律，認為當時尚未發現的氖，原子量應該比氦多16（Ramsay, 1897），但預測氪原子量為82與氙原子量為129的部分，拉姆齊沒有明確交代，單純以結果看來，似乎利用了同週期前後元素原子量的平均值，幾年內8A族所有成員便一個接著一個被發現，且原子量接近拉姆齊的預測值。

4.              鎝：原子序43的鎝，被門得列夫預測其存在後（Stewart, 2019），一直沒有被找到，因為半衰期僅幾百萬年，在地球上已不存在天然的鎝。鎝是經由中子與氘原子轟擊鉬金屬所產生，也是第一個人造元素（趙匡華，1998，頁514），並開啟了後續利用原子對撞製造人造元素的序幕，經由人造元素進一步拓展週期表的版圖。

n   增設展品說明

針對週期表導覽過程中，自行增加了一些展品，增加展示多樣性，增加展品項目如下：

1.              金字塔型週期表（The Periodic Pyramid）：在1983年由Charles E. Gragg所設計，可做成如圖10的金字塔，解說週期表發展史時，便發給同學觀看，並將模板（圖11）附於學習單上，最後可將學習單折成此金字塔型週期表，做為擺飾外，亦可發揮學習單最大效益。

圖10：金字塔型週期表模型       圖11：金字塔型週期表模板（Gragg, 1983）

2.              物理學家週期表（Physicist’s Periodic Table）：由Stowe於1986年所設計的週期表（圖9），以主量子數n作為區分元素區塊的主要依據，將103種元素分成7層，代表7個週期，相當有趣，但平面影像較不易看出其特色，於是便將Stowe的週期表各層印出，並自行組裝成立體的7層週期表如圖12，總高度約150公分。

                       

圖12：物理學家週期表模型

3.              鋁線串珠原子模型：利用鋁線與串珠，建構氫原子、鋰原子、碳原子三種概略模型（圖13），作為輔助教具，讓國一尚未學習原子模型概念的學生，對於原子模型，有初步的認知後，並延伸用以說明物理學家週期表各層的主量子數意義。

圖13：鋁線串珠原子模型，由左而右為氫原子、鋰原子、碳原子

4.              鋨金屬重量模擬裝置：鋨金屬是密度最大的物質，密度高達22.5g/cm³，250立方公分的鋨金屬，重量就高達5.5公斤。鋨金屬密度體驗展品是將250ml鋁箔包飲料，包上銀色的包裝紙，並吊上5公升的水瓶（圖14），讓孩子單手拿取鋁箔包，具體感受密度最高的金屬–鋨的真實存在的重量感。

               

圖14：鋨金屬重量模擬裝置與學生操作體驗

n   結語

        化學元素週期表是國內義務教育中的一環，了解常見元素的性質對於生活很有幫助，教科書中對於週期表的發展史囿於篇幅而相當簡略，學生大多只知道門得列夫所發展出的週期表，以及他利用排列卡牌的方式預測未知元素的位置的故事，對於元素週期表相關的發展脈絡著墨甚少，對於週期表的多元性介紹也不多，導致多數人認為週期表只有一種版本，門得列夫如何預測未知元素的原子量與密度，國內的相關文獻也甚少。

    本文針對門得列夫預測未知元素的原子量與密度的著墨較多，介紹週期表時，針對門得列夫利用德貝萊納三元素組的概念進行鎵原子量預測的部分，很適合發展為一個教學活動，讓學生實際試算。門得列夫預測鎵金屬密度，與後續跟去函請發現鎵金屬的科學家重新測定的故事，也饒富趣味，適合授課時融入。

    針對元素符號或中文進行造字造詞的腦力激盪活動，可以讓靜態的課程瞬時活絡起來（圖15）。經由簡略介紹週期表發展史，可以讓學生了解發展週期表的過程是累積了多人的努力成果，正如牛頓曾經說過：「如果我能看得更遠， 那是因為站在巨人的肩膀上。」，門得列夫成功之處在於懂得善用前人的成果，利用了德貝萊納三元素組、紐蘭茲八度律、麥爾的原子體積–密度–原子量關係式等概念，成功預測未知元素的性質，並建立門得列夫週期表的權威性。

圖15：元素符號造字造詞活動

n   致謝

        感謝教育部國民及學前教育署、國立臺灣師範大學、中國化學會、邱美虹教授及其所帶領的工作團隊，使本校學生能夠沉浸在「化學元素週期表環島之旅」特展的精美展品中，獲得許多關於週期表的有趣知識。