化學元素豐度

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化學元素豐度(Abundance of the chemical elements)是在測量上與所有元素相比較所得到含量多寡的比值。豐度可以是質量(等同於重量)的比值或是摩爾數(氣體的原子數量比值或是分子數量比值),或是容積上的比值。在混合的氣體中測量氣體容積上的比值是最常用於表示豐度的方法,對混合的理想氣體(相對於是低密度和低壓的氣體)這與摩爾數是相當一致的。

例如,氧在水中的質量比是89%,因為這是水的質量和氧的質量的比值,但是氧在水中的摩爾比值只有33%,因為在水的摩爾數中只有三分之一是氧原子。在整個宇宙中,和在如同木星這樣的巨大的氣體行星中,氫和氦在質量上的豐度比值分別相對是74%和23-25%,但是摩爾(原子)比值卻高達92%和8%。但是,因為氫是雙原子分子,而氦在木星外層的大氣環境下只是單原子分子,以分子的摩爾數來比較,在木星大氣層中氫的豐度是86%,而氦的豐度是13%。

在本文中所提到的豐度,多數都是質量百分比的豐度。

宇宙中的元素豐度[编辑]

太陽系的主要
同位素豐度[1]
同位素  
百萬分比
氫-1 705,700
氦-4 275,200
氧-16 5,920
碳-12 3,032
氖-20 1,548
鐵-56 1,169
氮-14 1,105
矽-28 653
鎂-24 513
硫-32 396
氖-22 208
鎂-26 79
氬-36 77
鐵-54 72
鎂-25 69
鈣-40 60
鋁-27 58
鎳-58 49
碳-13 37
氦-3 35
矽-29 34
鈉-23 33
鐵-57 28
氫-2 23
矽-30 23

元素 –通常都稱為 (重子的)物質:由質子中子組成(包含電子),在宇宙中的質量僅佔極小的部份。觀測的宇宙建議宇宙的組成73%是暗能量,23%是暗物質,只有4%是看得見的重子物質,包括恆星行星、和生物。在質點物理中尚未發現暗物質,而暗能量的本質尚未被了解。

許多標準的重子物質被以原子或電漿的形式被發現,但仍然還有許多種平常不易見到的物質。重子物質的其他型態還包括白矮星中子星黑洞,標準的物質也以光子的型態存在(許多都是宇宙微波背景輻射微中子)。

是宇宙中已知豐度最高的元素,是第二。然而,在這之後,豐度的數值順序就不再依據原子序來排列。氧的豐度佔第三位,但它的原子序是8,其他的各種元素豐度就更沒有規律可循了。

輕元素的豐度可以依循標準宇宙模型來預測,因為都是在大霹靂之後很短的時間(在幾百秒鐘)內,經由現在所認知的太初核合成的程序產生的;重元素則是在之後很久才在恆星內部產生的。

氦-3在地球上很罕見,並且僅出現在核融合的研究中,但認為氦-3的豐度在月球上會較高。額外的氦來自於恆星內部進行的氫融合成氦的質子-質子鏈反應碳氮氧循環

估計氫和氦在重子的宇宙的豐度分別是74%和24%,宇宙中剩餘很小的百分比(豐度)是重元素,但剩餘的"重元素"對天文現象有很大的影響,銀河系的盤面中只有2%是由重元素組成的(質量比)。

其他的元素來自恆星內部的程序[2][3][4]。在天文學,所謂的"金屬"是任何一種比氫和氦更重的元素,這是因為只有氫和氦(包含可偵測到的微量元素)是自然界無須經由恆星內部核融合活動產生的元素。因此,星系金屬量或其他的特徵足以顯示恆星過去的活動。

以值量計在宇宙中最普通的10種元素[5]
元素 百萬分比
750,000
230,000
10,000
5,000
1,300
1,100
1000
700
600
500

地球上元素的豐度[编辑]

地球與太陽都在同一個星雲中形成,但是在太陽系的形成和演化的過程中行星得到不同的組成。地球的歷史導致這顆行星的部份元素有不同的集中程度。

地球的地殼元素豐度[编辑]

這張圖表顯示地球的上層大陸地殼中元素的相對豐度。

地球的上層大陸地殼中元素的相對豐度(原子數目)。

許多顯示在圖表中的元素都被分類在目錄當中(有部分重疊):

  1. 形成岩石的元素(主要元素在綠色的區域少數的元素在淡綠色的區域);
  2. 稀土元素(鑭族元素,鑭-鑥和釔,標示藍色的區域);
  3. 主要的工業元素(全球產值 >~3×107 公斤/年;標示為粗黑字體);
  4. 貴金屬 (斜體字);
  5. 九種"贵稀金屬" —六種鉑族元素加上 (類金屬)

注意有兩個不穩定元素(原子序43)和(原子序61)的斷裂存在。它們在地球上非常罕見,只能經由重元素,例如分裂產生。這兩種元素在恆星大氣的分光中被確認,它們是在持續的核綜合過程中產生的。在六種惰性氣體處也有斷裂,它們是因為放射性元素的放射性衰變鏈才在地殼中被發現,原本並不存在於地殼中。這六種元素非常稀有,高放射性的元素()因為它們在自然界的豐度太低,以致於不能準確的測量,因此不包括在其中。

是非常的普遍,它們形成多種常見的無機矽化物

「稀土」元素的豐度[编辑]

「稀土」元素是歷史上的一個錯誤名詞,堅持使用這個名詞只是反映出對它們的不熟悉而不是真的很稀少。比較豐富的稀土元素在地殼中會與相似的工業金屬混合在一起,這些金屬包括鉻、鎳、銅、鋅、鉬、錫、鎢或鉛,但即使是豐度最低的兩種稀土元素()也仍比普通的高出200倍。然而,相較於普通的基礎元素和貴金屬,稀土元素沒有傾向集中的沉積礦而只有少數可開採的氧化物礦床,因此大多數的稀土元素在世界上的供應來源都是屈指可數的。

稀土元素在地球的大陸地殼上層個別的豐度表現出兩種性質並且有所重疊,一種是原子核的,另一種是地質上的。首先,原子序是偶數的稀土元素(58Ce, 60Nd, ...)在宇宙中的豐度較相鄰原子序為奇數的稀土元素(57La, 59Pr, ...)為高。其次,越輕的稀土元素越不相容(因為它們的電離半徑越大),因此它們在大陸地殼中比重的稀土元素更為集中。大多數的稀土元素都聚在一起,最前面的四種稀土元素 - – 就佔有總數的80%至99%。

海洋[编辑]

在地球海洋的海水中的元素成分(依質量)
元素 百分比 元素 百分比
85.84 0.091
10.82 0.04
1.94 0.04
1.08 0.0067
0.1292 0.0028

參見海洋中海水中元素的豐度,但是注意是以質量來排序的,若以容積(摩爾數)來排序,前面四種元素會非常的不一樣;特別是氫幾乎佔到所有原子數量的三分之二,因為構成水分子的三個原子中就有兩個是氫原子。

大氣層[编辑]

在地球大氣層中元素的容積比率依照順序是(78.1%)、(20.9%)、(0.96%),因為水蒸氣和二氧化碳會由各種途徑進入大氣層,並影响到容積率,因此接下來是順序不確定的碳和氫。硫、磷和其他元素在大氣中的比率顯然是更低的。

由上面的圖,氬在大氣中雖顯著但並不是主要的,但在地殼中幾乎完全不存在。這是因為大氣的質量遠小於地殼,使得留在地殼中為數不多的氬在比例上完全顯現不出來,而氬在大氣中由于密度接近空气,可以累積的量多到足以顯示其重要性。由於氬是惰性氣體,因此難以留在地殼中。同为惰性气体(稀有气体)的氦却在地壳中有较大含量,那是因为它们多产生于重元素的α衰变,并且被岩石等阻挡不易逃逸。

人體[编辑]

依據質量,人體的細胞包含65%~90%的水(H2O),另一個重要的部份是由包含碳的有機分子組成,因此氧在人體中的貢獻接續碳之後比例也有很大的。人體質量的99%是由下列六種元素構成的:氧、碳、氫、氮、鈣和磷。

元素 質量百分比
65
18
10
3
1.5
1.2
0.2
0.2
0.2
0.1
0.05
<0.05 個別
<0.01 個別

Chang, Raymond. Chemistry, Ninth Edition. McGraw-Hill. 2007: p. 52. ISBN 0-07-110595-6. 

相關條目[编辑]

註解和參考資料[编辑]

  1. ^ Arnett, David. Supernovae and Nucleosynthesis First edition. Princeton, New Jersey: Princeton University Press. 1996. ISBN 0-691-01147-8. OCLC 33162440. 
  2. ^ H. E. Suess and H. C. Urey (1956) Abundances of the elements, Rev Mod Phys 28:53-74.
  3. ^ A. G. W. Cameron (1973) Abundances of the elements in the solar system, Space Sci Rev 15:121-146.
  4. ^ E. Anders and M. Ebihara (1982) Solar-system abundances of the elements, Geochim. Cosmochim. Acta 46:2363-2380.
  5. ^ Ash, Russell, The Top 10 of Everything 2006: The Ultimate Book of Lists, Dk Pub. 2005, ISBN 0756613213 .

外部鏈結[编辑]


這篇文章的部分資料取材自公共領域的資源,來源是: http://geopubs.wr.usgs.gov/fact-sheet/fs087-02/ and http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/dict_ei.html 請視需要更新。

參考文獻[编辑]