化學元素解析／原子量不固定 科學界新共識

化學元素解析／原子量不固定 科學界新共識

2011/01/10

【聯合報╱記者蔡永彬】 10個化學元素的原子量，即將從固定的數值改為一個範圍，起因是元素的同位素組成沒有固定的比例關係。台灣大學地質科學系副教授沈川洲指出，具有兩個以上同位素的元素，在不同的地方，如海洋、地殼、大氣或外太空，其同位素的比例都沒有恆定，所以原子量並不是一個固定值。 沈川洲認為，未來「國際理論與應用化學聯合會」（IUPAC）還會更動更多元素的原子量。 沈川洲舉例，水（H2O）由氫和氧組成，但是如果依原子量，自然界中穩定的氫有氫－1（含量99.9885％）、氫－2（含量0.0115％，稱作「重 氫」、「氘」，元素符號D）、氫－3（極微量、有放射性，稱作「超重氫」、「氚」，元素符號T）；氧也有氧－16（含量99.757 ％）、氧－17（含量0.038％）、氧－18（含量0.205％）3種，排列組合下的「水」其實可以細分為9種，只是絕大多數的水都是「氫－1 」和「氧－16」的組合。 沈川洲說，在海水蒸發時，分子量小、比較「輕」的水就容易先蒸發成氣體。相對海水而言，一般來說海面上水氣的氫－2約少了8％、氧－18則少了1％。 水氣聚集成雲後降雨，比較「重」的水落下的比例較高，相對較輕的水氣（雲）就一路飄進南、北極區；回頭和海水相比，極區雲的氫－2少了30％、氧－18少 了5％。「所以在赤道海面撈一杯海水，和在南極挖一塊雪，兩者H2O的輕重差很多！」因為經過自然界的蒸發及降雨過程後，氫和氧的平均原子量在極區雪中比 在一般海水中都來得小。 自然界中同位素差異還有許多例子，例如植物吸收大氣的二氧化碳行光合作用，經生化循環後，葉片裡的碳比大氣裡的碳來得「輕」，單就碳－13含量來說，在葉子裡的含量可以比在大氣中少一至兩成。 沈川洲說，比較極端的例子是鉛和釷；鉛有四個穩定同位素，為鉛－204、鉛－206、鉛－207及鉛－208；在鐵隕石、石隕石及地球上的現代沉積物中， 鉛的同位素比值可以相差好幾倍，主要原因是受鈾系放射性母核種的組成不同及其長期衰變的結果。釷的同位素釷－230和釷－232組成，在火成岩裡，其比例 約為1比100萬；但在珊瑚、洞穴鐘乳石等的碳酸鹽類石灰岩中，其同位素比例甚至可以到1比1。 教科書經常提到科學家利用碳－14來測量古物及化石的年齡，沈川洲指出，同位素還能提供更多地球科學及人類學等有趣的運用。 例如透過海洋生物殼體的氧同位素記錄，揭露出地球過去百萬年來，穩定的冰期－間冰期的十萬年循環週期；可以利用動物骨骼的同位素比值，知道牠的棲地位置及可能的食性；如果是洄游魚類，可以用魚耳石的氧同位素變化，探究牠的洄游歷史。 鉛的同位素比值在考古學上，可判別古器物，例如青銅器及陶瓷的原料來源，進而了解古文明的當時經濟規模、社會發展及文化脈絡。 首張周期表 出自門得列夫 我們的生活中所用的東西，都是由化學元素組成，而且樣態變化多端。 圖／大是文化提供 化學從「煉金術」（在中國則是「煉丹房」）開始發展，「原子」的概念起於英國科學家道耳吞（John Dalton）的「原子說」，而「分子」的概念則由義大利科學家亞佛加厥（Amedeo Avogadro）闡述。 19世紀時，隨著人類發現的化學元素越來越多，科學家們開始發現元素的性質似乎有規律。例如有人提出「三元素組」，把元素每3個分成一組，也有人畫出「螺旋圖」試圖排列元素，還有「六元素表」、「八音律」等，都是想找出元素間的規律關係，只是效果有限。 1869年3月，俄國科學家門得列夫（Dmitri Mendeleev）在他的論文「元素性質與原子量的關係」中，提出了「元素周期律」和他的第一張「元素周期表」，他利用「原子量」從小到大作為排列依 據。當時發現的元素有63種，他卻大膽畫出67個位置，把空格依照位置暫時命名為「類硼」（和硼相似）、「類鋁」、「類矽」等等，門得列夫認為多出的4個 空格只是還沒發現而已。沒幾年後，類硼、類鋁、類矽真的被發現了，就是現在的鈧、鎵、鍺。 此外，門得列夫還重新測定了許多元素的原子量，在1871年12月發表第二版元素周期表。 但門得列夫也發現，周期表依原子量排列會有不規則情況，例如碲的原子量比碘重，但從化學性質看來，碲卻要排在碘之前。1913年，英國科學家科學家莫塞萊 （Henry Moseley）在X射線的實驗中，認為原子核的正電數目決定元素的化學性質，提出「原子序」的概念，並以此重排周期表。 目前通用的周期表依原子序由小到大排列，也經過多次修訂。橫列稱為「周期」，直行稱為「族」，截至去年為止，共有118個元素。 註／目前發現118個元素，但有9個仍無中文名稱。 非報系