|
這個(gè)世界變化太快了，今天有人辭職，明天有人離婚，剛剛建好的大樓可能兩年又被拆了，這個(gè)世界還有什么不變呢？可能有人會(huì)說(shuō)“元素周期表”。但是，元素周期表根基也在動(dòng)搖，以前認(rèn)為“原子量”是雷打不動(dòng)的，現(xiàn)在看來(lái)，這只是一個(gè)傳說(shuō)。 起因 原子量原來(lái)非定數(shù) 元素周期表是人類最偉大、最美麗的創(chuàng)造之一，以簡(jiǎn)潔的形式包含了無(wú)窮的奧妙，并不是每個(gè)人都能讀懂它。拿出一份元素周期表，看看任何一種元素所在的格子，都會(huì)發(fā)現(xiàn)里面有一上一下兩個(gè)數(shù)字，上面的數(shù)字小，下面的數(shù)字大；上面的數(shù)字是整數(shù)，下面的數(shù)字是小數(shù)。上面的那個(gè)數(shù)叫“原子序數(shù)”，指的是該元素原子中含有的質(zhì)子數(shù)，決定該元素的化學(xué)性質(zhì)。而下面的數(shù)字就是這里要說(shuō)的“原子量”。原子量體現(xiàn)著原子的相對(duì)質(zhì)量。但是，同一種元素的不同原子的相對(duì)質(zhì)量并不相同，比如大多數(shù)的氫原子，只有一個(gè)質(zhì)子，而沒(méi)有中子，原子量是1，但是有少數(shù)的氫原子有一個(gè)或兩個(gè)中子，原子量分別是2和3，它們分別被稱為“氘”和 “氚”，統(tǒng)稱“重氫”。 于是國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)組織規(guī)定，原子量是一種元素所有同位素原子的平均質(zhì)量。比如說(shuō)，原子量為1的氫的數(shù)量比較多，而原子量為2、3的氘和氚的數(shù)量比較少，平均下來(lái)氫元素的原子量是1.00794。 完美無(wú)缺是吧，但是，這其實(shí)只是一種“幻覺(jué)”。為國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)組織工作的美國(guó)穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室的泰勒·柯普倫（Tyler Coplen）表示，原子量是個(gè)“流連不去的誤解”。同學(xué)們，看出問(wèn)題所在了嗎？原子量的依據(jù)是各種同位素在宇宙中的相對(duì)含量，化學(xué)上叫“豐度”，但是人類怎么可能知道宇宙中各種同位素的豐度呢？現(xiàn)在中學(xué)課本上的原子量，只是科學(xué)家根據(jù)有限的采樣計(jì)算來(lái)的。柯普倫表示，教師對(duì)他們的學(xué)生說(shuō)“原子量在自然界中是基本常數(shù)”，但它們不是。 比如說(shuō)，地球上的水蒸氣從赤道向兩極運(yùn)動(dòng)，那些含有更多的氘和氚的水蒸氣會(huì)稍重一些，更早地落到大海里。所以，熱帶海域中的氘和氚總是比極地海域要多一些。再比如說(shuō)，氧-18或稱“重氧”更愿意待在冷的地方，所以水被凍成冰之后，它里面會(huì)融解更多的氧-18，也就是說(shuō)冰塊中重氧的含量更多。而橘子樹(shù)會(huì)在其體液中富集更多的氘，這讓我們喝的橘子汁里面含有比環(huán)境中多4%的氘。 科學(xué)家們對(duì)我們的世界了解得越多，越發(fā)現(xiàn)同位素豐度這東西真是捉摸不定�！安粩嗟男碌耐凰販y(cè)量讓原子量不斷變化”，柯普倫說(shuō)，“這讓我們瘋狂，2010年IUPAC剝奪了10個(gè)‘惹麻煩’的元素的原子量，它們分別是氫、鋰、硼、碳、硫和氮。” 應(yīng)用 同位素其實(shí)很有用 雖然同位素在化學(xué)上若了不少麻煩，但科學(xué)研究上還真離不了它。通過(guò)對(duì)不同區(qū)域同位素豐度的了解，科學(xué)家可以知道很多物質(zhì)來(lái)源于何方。 比如說(shuō)，通過(guò)測(cè)量象牙里的某些同位素的量，就可以知道這頭象吃的是草還是樹(shù)葉。 再比如說(shuō)，運(yùn)動(dòng)員可能會(huì)非法服用睪丸酮以促進(jìn)肌肉生長(zhǎng)，那么檢驗(yàn)人員是如何知道尿樣中的睪丸酮是運(yùn)動(dòng)員自己分泌的，還是從外界攝入的呢？答案是，藥用睪丸酮是從植物中提取出來(lái)的，它含有的碳同位素配比和人體分泌的睪丸酮不同，由此可以知道運(yùn)動(dòng)員是否服用禁藥。 同位素還是犯罪現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的有力工具。在上世紀(jì)90年代，奧地利曾經(jīng)發(fā)生過(guò)一次嚴(yán)重的鐵管炸彈爆炸事件，數(shù)人在爆炸中喪生。因?yàn)檎◤椂际鞘褂闷匠Ｒ椎玫脑现谱�，很難追蹤其來(lái)源，所以此案的偵破一度陷入僵局。后來(lái)法庭科學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)，一個(gè)炸彈的石膏底座里含有比平均數(shù)多得多的重氫，這樣就把調(diào)查人員引向了一個(gè)疑犯的起居室，這里的重氫富集度也相當(dāng)高，調(diào)查人員終于掌握了足夠的證據(jù)指控疑犯。 而柯普倫最喜歡的故事是，一個(gè)美國(guó)司機(jī)從佛羅里達(dá)州買橘汁，運(yùn)到堪薩斯州，在這里兌水，冒充“鮮橘汁”出售。通過(guò)同位素檢查，發(fā)現(xiàn)橘汁里的水是堪薩斯州的自來(lái)水，于是這個(gè)造假的司機(jī)遭到了起訴。 解決 單一數(shù)改成上下限 既然元素的原子量沒(méi)有定值，而且同位素豐度測(cè)量有著巨大的實(shí)用價(jià)值，所以國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)組織就設(shè)想出了一種“顛覆性”的標(biāo)注原子量的方法，一改用一個(gè)數(shù)字標(biāo)注的方法，改為上下限標(biāo)注法。比如說(shuō)氫的原子量是[1.00784;1.00811]，表示在地球上發(fā)現(xiàn)的含氫的物質(zhì)中，氫原子最小的平均質(zhì)量是 1.00784，最大的平均質(zhì)量是1.00811，鋰、硼、碳、硫和氮這幾種元素也獲得了新的原子量，而氦、鎳、銅、鋅、硒、鍶、氬和鉛正在“接受調(diào)查”。 這個(gè)名單還會(huì)擴(kuò)大嗎？可能會(huì)，但變化不會(huì)太大。因?yàn)橛行┰�，比如說(shuō)氟、鋁、鈉、金和17種其他的元素都只有一種原子質(zhì)量，沒(méi)有同位素。而那些放射性元素，則變化太多，根本不可能算出其“準(zhǔn)確”的平均質(zhì)量。比如鈾這種元素就有234、235、238三種同位素，它們分別會(huì)衰變成釷 229，釷230，釷234，而且半衰期還不一樣，其比例是時(shí)時(shí)變化的，所以，也就沒(méi)可能也沒(méi)必要確定它們的“豐度”分別是多少了。 ■ 鏈接 原子量如何計(jì)算 因?yàn)樵拥馁|(zhì)量很小，用實(shí)際的質(zhì)量表現(xiàn)很不容易，所以國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)“國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)組織”（IUPAC)規(guī)定，以一個(gè)碳12原子的質(zhì)量的1/12作為一個(gè)單位，每種元素的原子量以這個(gè)單位的倍數(shù)表示。比如說(shuō)，金子的原子質(zhì)量正好是這個(gè)單位的196.967倍，所以它的原子量就是196.967。國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)組織規(guī)定，元素的原子量是所有同位素的平均質(zhì)量。它的依據(jù)是各種同位素在宇宙中的相對(duì)數(shù)量，這個(gè)數(shù)量被稱為“豐度”。比如氯有原子量為 34.969和原子量為36.966兩種同位素，豐度分別為75.77%和24.23%，所以氯元素的原子量是 “34.969×0.7577+36.966×0.2423=35.453”。 |
