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，這些我們曾經(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系中仍然有豐富的星云時(shí)形成的，而不是經(jīng)過更長的時(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，那么我們怎么還能使用一個(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，我們在使用元素原子量的時(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)給我們造成的麻煩比帶來的益處大得多，但縱觀歷史，正是這些點(diǎn)滴改變推動(dòng)著科學(xué)巨輪的前進(jìn)。