元素周期表上的一个重要元素“铅”的信息更新

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202156日,对于世界来讲,也许是平白无奇的一天。但这天国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的网页上发布了一个新的消息,这对于我来说,却有如一道雷电在漆黑的夜空闪耀了一下。上一次IUPAC发布类似的消息,是2019年。这则消息是这样的:

 

元素周期表上的一个重要元素“铅”的信息更新  第1张

图一:IUPAC网站截图

 

元素周期表上的一个重要元素“铅”的信息更新了,这是中国地球化学家朱祥坤研究员领衔的国际研究团队的工作成果。

 

铅是一个重金属,对普通人而言,铅也许不是一个好东西,因为它是一个对健康有害的重金属元素,但这个元素在我们的生活中依然发挥重要作用。燃油汽车发动机点火都依靠铅蓄电池驱动,在医院做CT扫描时依赖铅板保护人体不受辐射伤害。铅是一个我们想要避开但无法避开的元素。

 

 


从元素周期表说起:

 

相信大多数人在中学时代都接触过元素周期表,元素周期表上的一个关键信息是原子量,元素原子量的信息是由国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)权威审核发布的。如果我们看当前的IUPAC发布的元素周期表,我们会发现周期表中存在4种不同的颜色的元素格子,分别是:粉红、黄色、蓝色、和白色。这四种颜色代表元素性质和我们对这种元素原子量的理解程度不一。


元素周期表上的一个重要元素“铅”的信息更新  第2张

图二:2019年IUPAC发布的元素周期表,注意在2019年铅(Pb,82号元素)是黄色。

 

 


下面我以四个第二主族(碱土金属)元素(分别是:铍、镁、钙、镭)为例说明这四种颜色代表的意义。

元素周期表上的一个重要元素“铅”的信息更新  第3张

图三:IUPAC元素周期表中四种颜色的格子,以碱土金属为例。

 

 

蓝色: 这个元素只有一个稳定的同位素,因此其元素的原子量可用现代的质谱仪(粒子加速器)进行精确测量,如Be元素的原子量可以精确到小数点后第七位。

 

红色: 这个元素存在多个稳定(或者半衰期足够长)的同位素,因此其原子量需要同时考虑不同同位素的质量和这个同位素的相对丰度。例如镁(Mg)由三个同位素,分别是24Mg(占80%左右,饼图中的深蓝色),25Mg(占10%左右,饼图中的浅蓝色),和26Mg(占10%左右,饼图中的绿色)。镁的同位素丰度在自然界存在一些变化,但我们对镁同位素丰度的自然变化有足够好的测量,所以知道地球样品的Mg的原子量的上界和下界,并获得一个地球平均的镁原子量。地球样品镁原子量的上界和下界在上图中用黑色的方括号标示出来,地球平均的镁原子量则在方括号之上的白色数字标出。

 

黄色:这个元素和红色格子的元素一样,存在多个稳定同位素,但对这个元素的不同同位素在自然界的丰度变化,我们了解得还不够,因此只能估算出一个大概的平均值及其误差。例如钙(Ca)是第20号元素,其原子量的估计值为40.078±0.004

 

白色:居里夫人发现的镭(Ra)就是这样一种元素,由于其所有同位素都不稳定,因此自然界找不到对应的物质可以测量有意义的同位素丰度数据。因而IUPAC不给出其原子量,只给出其原子序数。

 

 

 

铅元素的原子量问题:

 

202156IUPAC网站上的新闻说的事用一个图表达就是这样的:

 

元素周期表上的一个重要元素“铅”的信息更新  第4张

图四:IUPAC在2021年5月6号发布新闻的解读。

 

 

即我们人类对地球上铅元素的原子量的认识往前推进了一大步(黄色格子->红色格子)。之前我们认为铅原子量的平均值是207.2,变化范围是207.1207.3之间。但IUPAC基于20206月接收、202010月发表于《Pure Appl. Chem.》杂志的一份特别报告结果,发布铅原子量的变化范围区间是206.14207.94之间。这份报告由中国地质科学院的朱祥坤研究员领衔,美国地质调查局和美国布鲁克黑文国家实验室的专家参与写作完成。他们统计了超过8000个发表的高精度Pb同位素数据,最终获得了这个结论。论文从投稿至发表历时两年,通过了7位专家的严格评审;论文发表后又经历半年多,才由IUPAC完成审核发布。这些都是此项更改权威性的证明。

 

 

 

为什么铅元素的原子量变化如此之大?

 

作为在同位素领域从事多年研究的专业人员,我在看到这个消息之后的第一感觉是震惊,因为一个元素的原子量变化如此之大,着实是一件难以想象的事。我们知道许多元素都有多个同位素,自然界的同位素丰度会因为各种过程而产生变化,但一般这些变化都非常微小,同位素地球化学研究中通常用千分之一(),万分之一(ε),甚至百万分之一(ppm)作为单位来描述这些自然变化。因此,自然样品的原子量变化范围也就十分微小了。以图三中的镁元素为例,镁的同位素丰度自然变化其实相当明显,但原子量的变化范围也仅仅在小数点后第三位有差别(24.30424.307),相对差别只有0.01%。而此次发布的铅元素的原子量变化范围极大(206.14207.94),相对差别接近1%。如此巨大的铅原子量自然变化是如何产生的呢?

 

铅有四个稳定的同位素,分别是204Pb206Pb207Pb208Pb。地球上的204Pb,都是太阳系形成时由前太阳系物质继承而来的;地球上的206Pb207Pb208Pb也有一部分是由前太阳系物质继承继承而来。但地球上的206Pb207Pb208Pb,还可以由UTh这两种放射性元素通过衰变产生,即238U-->206Pb235U-->207Pb232Th-->208Pb。自然界的238U含量远高于235U(当前比值约为138.88),所以一个富U物质,如果经过足够长的时间,就会积累出一个高度富集206Pb的产物。而一个富Th的物质,经过长时间衰变,则会积累出高度富集208Pb的产物。

 

朱祥坤研究员在1997年对一个古老(28亿年)的岩石里的矿物做了精细的原位铅同位素研究。他测量了石榴子石所包裹的独居石的铅同位素组成,发现一些矿物几乎只含206Pb,而一些矿物几乎只含208Pb。这些矿物里的204Pb含量极低,所以几乎没有原始铅。由于独居石矿物普遍富集Th元素,所以经过28亿年的时间,232Th衰变成208Pb,造就了最高的铅原子量。而一些独居石里不含Th,但是富集U元素,所以占主导的238U经过28亿年的时间,衰变积累了大量206Pb,造就了最低的铅原子量。而产生如此极端的原子量变化的原因,除了UTh的长期衰变以外,独居石被极其坚硬稳定的矿物石榴子石完全包裹保护,杜绝了外界普通铅的污染(U系和Th系血统保持纯正),也是关键所在。朱祥坤研究员在二十几年前的这个工作,经过时间的沉淀,最终被发掘,定义了当今铅同位素原子量的上界和下界。

 

朱祥坤研究员的两篇关键论文链接分别是:

 

https://doi.org/10.1515/pac-2018-0916

https://doi.org/10.1016/S0009-2541(96)00143-X

 

 

 

这个工作的意义何在?

 

以下是我的一些感想,仅代表个人看法:

 

(1)有多少当代化学家的工作可以更改现在的中学教科书呢?我国地球化学家朱祥坤研究员通过对同位素的高精度测量研究做到了。

(2)科学的本质是发现新的现象和揭示新的规律。从这个角度上来说,当今的物理和化学学科在科学上获得重大新进展的空间似乎已经不大,许多物理学家和化学家或只能在已有框架里去抠出一点工程性和应用性的拓展空间。而地球科学则一直处于探索与发现的前沿,因为自然界给我们提供了最大的实验室,最复杂的系统,最多样的条件,和最长的实验时间,让我们去发掘那些让人惊奇和着迷的秘密。


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