鉛元素標準原子量修改,元素週期表更新
2021年05月15日19:56

原標題:鉛元素標準原子量修改,元素週期表更新

中新網北京5月15日電 “氫氦鋰鈹硼,碳氮氧氟氖……”朋友們,當你看到這行字時,還能想起當年背過的元素週期表嗎?有沒有想起那些年被化學課支配的“恐懼”……

  不過,這張元素週期表可能將要發生變化了!

  中國地質科學院地質研究所日前披露,公認的化學命名權威機構——國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)正式發佈消息,將鉛元素標準原子量從原來的207.2±0.1修改為[206.14, 207.94]。

  而該修訂是基於中國地質科學院地質研究所朱祥坤研究員領銜的國際研究團隊做出的工作成果(Zhu et al., 2021)。

圖片來源:網站截圖
圖片來源:網站截圖

  看到這裏,大概不少網友和記者一樣“不明覺厲”,別著急,我們仔細捋一捋。

  “鉛”是一種重金屬,在我們的生活中發揮著重要作用:

  比如燃油汽車發動機點火依靠鉛蓄電池驅動,在醫院做CT掃瞄時依賴鉛板保護人體不受輻射傷害……

  總而言之,“鉛”其實是我們想要避開但無法避開的元素。

  朱祥坤研究員在回應記者提問時,通過兩張圖解釋了前述研究成果。

  這次有關鉛元素標準原子量的修訂,意味著人類對鉛元素原子量的認識往前邁出了質的飛躍的一步。

  即由“人類對其原子量瞭解不夠多”的鉛(黃色格子)變為“人類對其原子量最大值和最小值有較為明確瞭解”的鉛(粉紅色格子)(圖1和圖2)。

  藍色格子的元素:該元素只有一個穩定同位素,其原子量可以通過現代的質譜儀精確測量,而粉紅色格子的元素,存在多個穩定(或者半衰期足夠長)的同位素,其原子量需要同時考慮不同同位素的質量和不同同位素的相對丰度。

圖1. 2019年IUPAC發佈的元素週期表(該版本中,鉛元素標準原子量尚未修改)。
圖1. 2019年IUPAC發佈的元素週期表(該版本中,鉛元素標準原子量尚未修改)。

  如果目前對地球樣品中該元素同位素丰度的變化範圍有足夠的瞭解,就可以知道該元素原子量的最大值和最小值(在格子的黑色方括號中標出),獲得一個地球平均的原子量(在格子中用白色數字標出)。

  黃色格子的元素,則與粉紅色格子的元素一樣,該元素存在多個穩定同位素,但目前對地球樣品中這個元素的不同同位素丰度變化範圍瞭解得還不夠,因此只能估算出一個大概的平均值及其誤差。

  再看白色格子的元素,該元素的所有同位素都不穩定,在自然界找不到對應的物質可以得到其有意義的同位素丰度,因此,IUPAC不給出其原子量,只給出其原子序數。

  元素的原子量是化學中最為基礎的參數之一,其應用涉及到從基礎教育到應用領域的方方面面。自19世紀元素週期表創立以來,給元素的原子量“定標準值”一直是科學界的重要任務之一。

圖2. 2021年5月6日,IUPAC基於朱祥坤等的研究修訂鉛元素的標準原子量(左圖:修改前;右圖:修改後)。
圖2. 2021年5月6日,IUPAC基於朱祥坤等的研究修訂鉛元素的標準原子量(左圖:修改前;右圖:修改後)。

  朱祥坤研究員領銜的團隊,對自上世紀50年代以來數百篇有關鉛同位素高精度分析的文獻進行了系統調研。在科學分類的基礎上,對8000多個各類普通地球物質(不包括隕石等樣品)的鉛同位素高精度分析數據進行統計,釐定了鉛元素原子量的最小值和最大值。

  值得一提的是,鉛元素原子量的最大值和最小值都來自於蘇格蘭西北部28億年前的Lewisian古老雜岩體中的獨居石,這些獨居石被堅硬、穩定的石榴子石包裹,杜絕了外界普通鉛的汙染。

  鉛元素的原子量是一區間值,不是常數,為方便教學等用途,推薦使用207.2作為鉛元素原子量,如果因科研、商業等原因需要精確的鉛元素原子量值,需要對具體樣本進行測定。

  中國地質科學院地質研究所發佈的消息中亦提到,傳統上原子量一般由化學家或物理學家主導修訂,而地球科學家很少參與。

  原子量標準數值從“常數”向“區間值”這一認識的轉變,同位素地球化學家在其中起到了關鍵性作用。而且,鉛原子量的修訂,是地球科學在該領域發揮重要作用的標誌性事件之一,該成果將更新教科書的化學元素週期表,並對相關應用領域產生持久性影響。

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