一、元素与同位素 拿出一份元素周期表,看看任何一种元素所在的格子,都会发现里面有一上一下两个数字,上面的数字小,下面的数字大;上面的数字是整数,下面的数字是小数。上面的那个数叫“原子序数”,指的是该元素原子中含有的质子数,决定该元素的化学性质。而下面的数字就是这里要说的“相对原子质量”。 因为单个原子的质量很小,用实际的质量表现很不容易。比如一个铁原子的质量是0.00000000000000000000000009288千克,即9.288×10-26千克,这种原子实际质量既难以记忆,又难以应用。所以“国际理论和应用化学组织”(IUPAC)规定,以一个碳12原子的质量的1/12作为一个单位,每种元素的相对原子质量以这个单位的倍数表示,是一种相对质量。 比如说,金原子质量正好是这个单位的196.967倍,所以它的相对原子质量就是196.967。 可能有人会认真想一下,为什么以一个碳12原子的质量的1/12作为一个单位。这是因为原子是由原子核和核外电子组成的,而原子核是由质子和中子组成的。原子的质量主要取决于质子和中子的质量。碳12原子核内有六个质子和六个中子,因此相对原子质量和质子数与中子数之和相对应。这样,我们不需要知道原子的实际质量,只要知道组成这个原子的中子数和质子数,就可以知道它的近似相对原子质量。 但是,同一种元素有不同的原子,这些不同原子虽然具有相同的质子数,却具有不同的中子数,这种称为某元素的同位素。比如大多数的氢原子,只有一个质子,而没有中子,质量数是1,但是有少数的氢原子有一个或两个中子,质量数分别是2和3,它们分别被称为“氘”和“氚”,统称“重氢”。 二、元素的相对原子质量 因此,问题就出现了:元素可能以不同种类的原子而存在,比如很多元素都有同位素,其原子包含不同数量的中子。如果一种元素含有相对原子质量并不相同的原子,那么如何确定元素的相对原子质量呢?随意采用一种原子的相对原子质量么?不是。相对原子质量有两种:原子相对原子质量和元素相对原子质量。而化学元素的相对原子质量,是指该元素在自然界存在的同位素混合物的平均相对原子质量,跟混合物中各成分的占有率直接有关。比如氯有相对原子质量为34.969和相对原子质量为36.966两种原子,它们占全体氯原子的比例分别为75.77%和24.23%,所以氯元素的相对原子质量是“34.969×0.7577+36.966×0.2423=35.453”。 地壳中每种原子占该元素所有原子的相对数量,称为该种原子的“丰度”。如果地壳内元素中含有的原子的丰度相同,那么全世界的元素相对平均分子质量就相同。但是人类怎么可能知道地壳中各种原子的丰度呢?现在中学课本上的相对原子质量,只是科学家根据有限的采样计算来的。 为了反映这一点,元素周期表的“监护人”——国际纯粹化学和应用化学联合会(IUPAC)基于一个元素天然同位数的相对丰度计算出了该元素的平均相对原子质量。例如,大多数氢原子有一个只包含一个质子的原子核,但有些氢原子也包含一两个中子,因此,官方将氢的原子量定为1.00794,而不是1。 三、同位素丰度 采用这种方法带来的问题是,它会使一个错误的想法在人们的大脑中落地生根,老师们可能会告诉学生:“相对原子质量是自然界的基本常量。”完美无缺是吧,但是,这其实只是一种“幻觉”。 某个特定元素不同同位素所占的比例并非总是不变的。首先,有些同位素并不稳定,由于会发生衰变导致其含量会随着时间变化而变化。比如,用来制造原子弹的铀在自然界其实很常见。但是自然界中的铀元素,99.2%都是不能用来造原子弹的铀238,剩下0.7%的才是可以用来造原子弹的铀235。其实在地球形成的初期,二者的比例其实是相当的,只不过,铀235的半衰期是7亿年,而238的半衰期是44亿年(跟地球年龄相当),所以在漫长的岁月里,235经历了好几代衰变,所剩无几。 其次,对于稳定同位素而言,由于含有不同原子的化合物的性质是有一定差异的,导致各地元素中各原子的丰度是不同的。比如说,重水比普通水沸点更高,地球上的水蒸气从赤道向两极运动,那些含有更多的氘和氚的水蒸气会稍重一些,更早地落到大海里。所以,热带海域中的氘和氚总是比极地海域要多一些。因此,热带水域里氢原子的平均相对原子质量往往高于极地附近海洋中的氢原子的平均相对原子质量。再比如说,氧-18或称“重氧”更愿意待在冷的地方,所以水被冻成冰之后,它里面会融解更多的氧-18,也就是说冰块中重氧的含量更多。而橘子树会在其体液中富集更多的氘,这让我们喝的橘子汁里面含有比环境中多4%的氘。因为不同的原因,慢慢渗下阿拉斯加海岸附近海底的碳氢化合物中碳原子的平均相对原子质量比元素周期表中提供的相对原子质量要大0.01%。 四、解决元素相对质量的办法 科学家们对我们的世界了解得越多,越发现同位素丰度这东西真是捉摸不定。“不断的测量让元素相对原子质量不断变化”,2010年IUPAC剥夺了10个‘惹麻烦’的元素的相对原子质量,它们分别是氢、锂、硼、碳、硫和氮。 ”既然元素的相对原子质量没有定值,而且同位素丰度测量有着巨大的实用价值,所以国际理论和应用化学组织就设想出了一种“颠覆性”的标注相对原子质量的方法,一改用一个数字标注的方法,改为上下限标注法。比如说氢的相对原子质量是[1.00784;1.00811],表示在地球上发现的含氢的物质中,氢元素最小的相对原子质量是1.00784,最大的相对原子质量是1.00811,锂、硼、碳、硫和氮这几种元素也获得了新的相对原子质量,此外氦、镍、铜、锌、硒、锶、氩和铅正在“接受调查”。 这个名单还会扩大吗?可能会,但变化不会太大。因为有些元素,比如说氟、铝、钠、金和17种其他的元素都只有一种原子,没有同位素。而那些放射性元素,则变化太多,根本不可能算出其“准确”的相对原子质量。比如铀这种元素就有234、235、238三种同位素,它们分别会衰变成钍229,钍230,钍234,而且半衰期还不一样,其比例是时时变化的,所以,也就没可能也没必要确定它们的“丰度”分别是多少了。