化學元素解析∕原子量不固定 科學界新共識化學元素解析∕原子量變動 環保、醫療有影響上個月「國際純粹與應用化學聯合會」(IUPAC)宣布,氫(元素符號H)、鋰(Li)、硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、矽(Si)、硫(S)、氯(Cl)和鉈(Tl)這10種化學元素的原子量將會變動,未來它們的原子量將改為一個範圍,而非只是一個固定的數值。 台灣大學化學系教授陳竹亭指出,目前採用的元素原子量數據是依它的同位素所佔比例平均而得。但地球並不是一顆「均勻的行星」,在不同地方採得的礦產,即使經由純化後,因為同位素含量不同,平均的原子量也有可能不一樣。他認為原子量不同的兩個主要因素就是「取樣的地點」和「同位素間的比長灘島例」。 「原子量從固定數值改變成區間範圍」乍聽之下和我們好像很遙遠,但陳竹亭分析未來將和人類息息相關,問題主要出在「檢測標準」;不只教育,還會有法律、環保、保險、醫藥、運動競技等多方面的影響。 陳竹亭舉例,國際運動比賽的禁藥檢驗,多半測量尿液中的「睪固酮」,也就是碳、氫兩種元素的含量。這兩者都名列在更動的10種元素中,如果不趕快定出明確的數值標準,未來運動場下可能會有人在藥檢後就莫名其妙「失格」,一定吵翻天。 環保檢測也是一樣的道理,陳竹亭說,氯有「氯-35」和「氯-37 」2種同位素,是主要的汙染物檢測標的之一。汙染測定的濃度都在ppm(百萬分之一)甚至ppb(十億分之一)等級,但這次原子量變個人信貸動可能大到小數第二位(百分之一),他認為這個問題在環保上不應該隨便忽略。 陳竹亭說,在定量實驗中,原子量是很重要的基本數據,未來將直接影響實驗結果;如果是藥物實驗,在純度上的定義該怎麼規定?健保該怎麼判定給付?都是未來可能的問題。不過在課堂上,陳竹亭認為只要老師把觀念講清楚,考計算題時適度放寬答案範圍就可以因應。【聯合報╱記者蔡永彬】放大圖表:http://mag.udn.com/mag/campus/storypage.jsp?f_ART_ID=295689 化學元素解析∕原子量不固定 科學界新共識 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,具有兩個以酒店經紀上同位素的元素,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,在海商務中心水蒸發時,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信用卡代償中少一至兩成。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;可以利用澎湖民宿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。 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 首張周期表 出自門得列夫化學從「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酒店經紀乎有規律。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租屋網許多元素的原子量,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。 化學元素解析∕延伸閱讀1.Theodore Gray著,吳瑤玲譯,《看得到的化學:你一輩子都會用到的化學元素知識》,大是文化出版 2.寄藤文平著,張東君譯,《元素生活:118個KUSO化烤肉食材學元素,徹底解構你的生活》,遠流出版3.STUDIO HARD Deluxe編著,周昭駿譯,《超萌!化學元素週期表:118動漫少女幫你奠定化學基礎》,如何出版社出版4.Peter Atkins著,歐姿漣譯,《化學元素王國之旅》,天下文化出版5.Paul Strathern著,邱文賓譯,《門得列夫之夢:從鍊金術到週期表的誕生》,究竟出版社出版 ABC必學單字大閱兵atomic number 原子序atomic weight 原子量isotope 同位素periodic table 化學元素周期表 延伸閱讀:NASA發現異類生物:砒霜(砷Arsenic, As)養細菌 出現生命形式被宣布放棄人體中的元素Elements in the Body科普界震撼 化學元素周期表將大修十個元素發現比鑽石還硬的材料:石墨烯(Graphene質子變小了 買屋台灣研究登上

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