元素周期表更復(fù)雜了，如何理解不斷擴(kuò)大的元素世界？

　　我們常常在化學(xué)課本的附錄中看到元素周期表，不久之后，這個(gè)令人熟悉的表格可能會(huì)大變樣。

　　原子體重不好算

　　翻開元素周期表，一個(gè)個(gè)代表不同元素的方格至少有兩種不同的底色，不同底色代表它們來自不同性質(zhì)的元素大家庭;在元素格子中，元素符號(hào)旁邊都有一上一下兩個(gè)數(shù)字，上面的那個(gè)數(shù)叫“原子序數(shù)”，表示該元素原子的質(zhì)子數(shù)，下面的數(shù)字是“原子量”，體現(xiàn)著原子的相對(duì)質(zhì)量;很快，這些我們?cè)?jīng)熟悉的表格特點(diǎn)會(huì)發(fā)生不小的變化，因?yàn)槲覀儗?duì)元素的原子量的了解比以往更深刻了。

　　原子量是原子的相對(duì)質(zhì)量，原子的質(zhì)量很小，比如一個(gè)氫原子的實(shí)際質(zhì)量只有1.674×10^-27千克，如果用實(shí)際質(zhì)量來衡量原子，周期表中的數(shù)字不僅會(huì)變得特別復(fù)雜，現(xiàn)實(shí)意義也不大，所以化學(xué)學(xué)科的權(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(約1.66×10^-27千克)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。這樣一來，氫原子的原子量就約為這個(gè)單位的1倍，所以它的原子量就是1;同理，碳原子的原子量就為12，氧原子的原子量就為16。

　　不過，你應(yīng)該很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了少數(shù)元素的原子量是整數(shù)外，其他元素的原子量都是小數(shù)，比如氫元素的原子量是1.00794，氧元素的原子量是15.99938，這又是為什么?原來，許多元素家族中并不只有一種原子，氫元素家族中有3種原子，氕、氘、氚，它們互稱為同位素。氫同位素的質(zhì)子數(shù)都是1，但中子數(shù)各不相同，氕、氘、氚的中子數(shù)依次為0、1、2，原子的質(zhì)量主要由質(zhì)子質(zhì)量和中子質(zhì)量組成，因此氕、氘、氚的原子量分別為1、2、3。

　　為了統(tǒng)一氫元素家族的原子量，IUPAC又規(guī)定，元素的原子量用家族中所有同位素的平均質(zhì)量來表示，其計(jì)算方法為元素原子量乘元素的數(shù)量(這個(gè)數(shù)量被稱為“豐度”，指各種元素原子在自然界中的含量)。在自然界中，氕原子豐度為99.98%，氘原子豐度為0.016%，氚原子豐度為0.004%，代入它們各自的原子量，最終算出來氫元素的原子量就是1.00794。

　　用這種方法算出來的原子量使用了很多年，直到近年來，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新問題：在不同的環(huán)境中，元素家族的不同成員的豐度是不同的，那么，同一個(gè)原子量怎么能適用所有的環(huán)境呢?

　　原子量有大作用

　　這個(gè)新問題是什么意思呢?科學(xué)家在熱帶海洋中取樣，測(cè)得海水中氫元素家族的各個(gè)原子的豐度，用這些氫原子的豐度算出了一個(gè)原子量，可是在其他地方，這些氫元素的豐度卻發(fā)生了變化。比如說，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，因此熱帶海洋中的氘和氚會(huì)比極地海洋的要多一些，這樣一來，熱帶海洋的氫元素原子量就會(huì)比極地海洋的稍大。又比如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，針鈉鈣石(一種硅酸鹽礦物)中所含的氫元素比海水中的氫原子量小0.00006，而合成試劑中的氫元素最大可能比海水中的氫原子量大0.00012。總而言之，不同環(huán)境下，元素的原子量是不同的。

　　你也許要提出異議，這點(diǎn)微小的差異會(huì)造成什么了不起的影響嗎?這也值得大驚小怪?別說，原子量的微小差異影響可不小，因?yàn)樗谠S多領(lǐng)域都有著大用途。

　　如上所述，來自不同環(huán)境的元素具有不同的原子量，因此通過測(cè)量其原子量，我們能知道這些元素的來源，從而了解其背后隱藏的秘密。氦有兩種同位素——氦-4和氦-3，氦-4是由鈾和釷等元素的放射性衰變產(chǎn)生的，在地球上豐度大，與之相比，氦-3極為罕見。氦-3是在宇宙溫度高、密度大到足以引發(fā)核聚變時(shí)形成的，因此，我們今天看到的任何氦-3年齡都非常古老，它的年齡甚至可能比地球還大。

　　通過研究氦-3的來源，我們能知道地球形成的時(shí)間和速度。地幔和地核的氦-3豐度不同，因此這兩處的氦的原子量是不同的，氦-3越多，原子量越小。如果地核中的氦原子量更小，意味著這里有大量的氦-3，這代表地球一定是在我們的太陽(yáng)系中仍然有豐富的星云時(shí)形成的，而不是經(jīng)過更長(zhǎng)的時(shí)間，星云稀薄的時(shí)候才誕生。因?yàn)槿绻厍蛘Q生在豐富的太陽(yáng)星云中，其大氣層就會(huì)吸引一層厚厚的氫和氦。在這種環(huán)境下，少量的氦-3會(huì)溶解在大氣層下翻騰的巖漿海洋中并向下移動(dòng)到地核中，直到今天被我們發(fā)現(xiàn)。反之，如果地幔的氦-3更多，則表示地球要比原先推測(cè)的年輕得多。

　　除此之外，原子量還能在生活中的許多地方幫助我們。碳同位素豐度的精確測(cè)量可用于確定蜂蜜和香草等食物的純度和來源，作為辨別食物真假的標(biāo)準(zhǔn)之一;氮、氯和其他元素的同位素測(cè)量有助于追蹤溪流和地下水中的污染物;在運(yùn)動(dòng)會(huì)中，科學(xué)家可以通過碳同位素來識(shí)別運(yùn)動(dòng)員是否服用興奮劑，因?yàn)樗幱貌G丸酮是從植物中提取出來的，它含有的碳同位素比例和人體分泌的睪丸酮不同，由此可以知道其是運(yùn)動(dòng)員自身分泌的還是額外攝入的。

　　從常數(shù)變身范圍

　　既然原子量有這么多用途，不同的原子量代表著不同的意義，如果使用了錯(cuò)誤的原子量就可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論，那么我們?cè)趺催€能使用一個(gè)固定的原子量呢?為了解決這個(gè)問題，IUPAC又想出了一個(gè)新方法：將原子量從常數(shù)轉(zhuǎn)變成范圍區(qū)間。

　　這個(gè)方法具體來說是這樣的：在地球上發(fā)現(xiàn)的含氫的物質(zhì)中，氫原子最小的相對(duì)質(zhì)量是1.00784，最大的相對(duì)質(zhì)量是1.00811，因此，氫的原子量就從原本的1.00794變?yōu)閇1.00784;1.00811];除了氫之外，硼、鋰、碳、氮、氧、硅、硫、氯、鉈等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”，看原子量是否有必要進(jìn)行相應(yīng)更新。

　　為了對(duì)應(yīng)原子量的這一變化，表格底色也發(fā)生了改變，現(xiàn)在元素們擁有了更多種底色：像氫這樣原子量為一個(gè)確定的范圍區(qū)間的元素，使用粉色底色;有一些元素有多種同位素，但是它們的原子量變化范圍可能很小，不必要使用范圍區(qū)間，也可能變化范圍太多太大，科學(xué)家還沒能完全測(cè)定其原子量，先暫時(shí)用一個(gè)常數(shù)表示，使用黃色底色;還有些元素，比如說氟、鋁、鈉、金等元素沒有同位素，它們的原子量是固定的常數(shù)，使用藍(lán)色底色;放射性元素因?yàn)殡S時(shí)都在衰變，它們沒有“準(zhǔn)確”的原子量，使用白色底色。這樣，我們?cè)谑褂迷卦恿康臅r(shí)候就可以通過顏色來進(jìn)行初步判斷了。

　　不過，這個(gè)方法也可能帶來新的疑惑，對(duì)于那些有多個(gè)原子量的元素，什么時(shí)候使用哪個(gè)原子量呢?簡(jiǎn)單粗暴的處理是，在進(jìn)行粗略計(jì)算時(shí)，我們可以使用原本的常數(shù)原子量;如果需要更高的準(zhǔn)確度，則應(yīng)該根據(jù)環(huán)境選擇特定的原子量，例如，海水中硼元素的原子量為10.818，陸地上含硼礦石中硼的原子量為10.811。

　　在科學(xué)史上，類似元素周期表大變身這樣的事情還很多，雖然看起來這些變動(dòng)給我們?cè)斐傻穆闊┍葞淼囊嫣幋蟮枚啵v觀歷史，正是這些點(diǎn)滴改變推動(dòng)著科學(xué)巨輪的前進(jìn)。