「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 1prohamer@gmail.com  2smalljar35@gmail.com 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 […]

門得列夫：化學元素週期表的發現者 洪文東 美和科技大學護理系hung3893@yahoo.com.tw n  早期的元素表 在早期，元素被發現的種類不多，化學家只能局部的對某些性質相近的元素進行歸類整理。1789年法國化學家拉瓦傑（A. L. Lavoisier, 1743 – 1794）在其《化學基本論述》書中列出包含33種元素分類表。1864年英國化學家紐蘭茲（John Alexander Reina Newlands, 1837 – 1898）將元素依照其當量大小排列。自某一元素後的第八種元素，與此元素的性質相似，就像音樂上的音度音程一樣。1865年英國化學家伍德林（W. Woodling）按原子量排列元素順序，初步排出今日元素週期表中的鹵族、氮族、氧族。1866年紐蘭茲發表論文「八音律與原子量數字關係的起因」，依原子量大小給元素編上序號依次排列，看出元素間有類似音樂中之八音階規律（Law of Octaves）。1868年德國化學家梅耶（J. L. Meyer, 1830 – 1895）繪製出《原子體積周期性圖解》，揭示出化學元素的原子量與原子體積間的關係。1869年，他又製作了一張化學元素週期表，表中不但明確按原子量遞增的順序來列元素，而且也留下一些空格表示未知元素。不過，梅耶的研究側重於元素的物理性質。 n  元素週期表與週期律 在前述幾位化學家工作的基礎上，俄國化學家門得列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834 – 1907）（見圖1）發現在63種已知元素中，42種元素有了較精確的原子量，但尚有7種元素的原子量未能正確判斷，因為它們的原子量都計算錯誤。門得列夫全面考慮了元素的各種性質，製作出63張卡片，把各種元素的名稱、原子量、氧化物以及物理和化學性質，分别寫在各元素的卡片上。在排列這些卡片時，不僅根據元素的原子量，而且很重視元素的性質及其與其他元素的關係。1869年2月17曰，門得列夫依原子量遞增的順序把63種元素排列成幾行，同時把各行中性質相似的元素左右對齊，當依原子量順序安排的位置與元素的位置及元素的特徵發生衝突時，他遵從元素的特徵而掉換位置，或者留下空位。這樣使得每一横排化學元素的性質相近，每一縱列化學元素性質的變化也呈現着規律性，整個元素系列呈現出周期性變化。1869年2月，門得列夫發表了《元素性質和原子量的關係》論文，同時公布了他的第一張化學元素週期表（見圖2）。周期表中留下了四個空位，空位上没有元素名稱，只有預計的原子量，表示尚待發現的元素。 圖1：門得列夫 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫） 圖2：門得列夫1871年的元素周期表 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫） 對比梅耶在1869年公布的元素週期表，門得列夫對元素的族別分得更细緻，並在表中初步形成了過渡元素族。門得列夫吸取了梅耶週期表的優點，對週期表繼續進行更深入的研究，在1871年12月，與他的論文《化學元素週期性依賴關係》同時發表了第二張元素週期表。在這張週期表中，將原來的直行改成横排，使同族元素處於同一直行中，突出了化學元素性質的週期性。在同一族裡，也同梅耶一樣劃分了主族和副族，使元素的週期性更加明顯。他大膽地修正了一些已被公認的原子量，如銦In、鑭La、釔Y、釷Th、鈾U等。他把尚未發現元素的空格由原来的四個增至六個，並且還預言了它們的性質。這幾種尚未發現元素，門得列夫稱之為：eka-Boron（類硼）、eka-aluminium（類鋁）、eka-silicon（類矽）；其對〝類硼〞、〝類鋁”及〝類矽”等的預言，日後發現準確得令人驚奇。 門得列夫在《化學元素週期性依赖關係》一文中，確立了元素週期律，即元素（以及由它形成的單質或化合物）的性質週期性地隨著它們的原子量而改變。其週期律的要點整理如下： 1.        若把元素依原子量的大小排列，明顯地呈現出性質上的週期性變化。 2.        化學性質相似的元素的原子量，有些作有規則的增大，如K、Rb、Cs；有些具有幾近相等的原子量，如Os、Ir、Pt。 3.        以原子量為序排列，所得元素的族（Groups）的順序，與其化合的價相當。 4.        原子量較小的幾種元素，它們的性質上差異較大，分散在各族裡，是各 族有代表意義的元素。 5.        原子量的大小，可以决定元素的性質。 6.        元素的原子量，可借其相鄰各元素的性質及原子量進行校正，Te的原子量不應是128，而應介於123-126之間。 7.        可以預測尚未被發現的元素，例如〝類鋁〞和〝類矽〞的原子量應65-75之間。 化學元素週期律的確立，使化學從對個别元素的零星事實的羅列中，揭示出了化學元素之間存在的自然規律關係，把所有化學元素納入一個完整的體系，使化學進入了系統化的階段，特别是對無機化學進行了一次大統合。它將過去研究過的無機物如氧化物、氢化物以及酸、鹼、鹽等，都納入一個系統的理論體系之中，並對各種化學元素及其化合物的性質提供了統一的說明。1869年他出版了《化學原理》一書，此書不但是按照元素週期系統编寫的一本化學教學参考書，而且也標誌著化學教本不再是各種元素和它們的化合物的資料的堆積，而是成了一個有系統化的化學知識體系。 […]