化學元素的豐度是對給定環境中化學元素相對於所有其他元素的出現的量度。豐度以三種方式之一測量：以質量分數（在商業環境中通常稱為重量分數）、按摩爾分數（按數值計算的原子分數，或有時按氣體中的分子分數）或按體積分數。體積分數是混合氣體（例如行星大氣）中常見的豐度度量，其值與相對較低密度和壓力下的氣體混合物以及理想氣體混合物的分子摩爾分數相似。本文中的大多數豐度值均以質量分數形式給出。
宇宙中豐富的化學元素主要是大爆炸核合成過程中產生的大量氫和氦。剩下的元素只佔宇宙的2%左右，大部分是由超新星核合成產生的。原子序數為偶數的元素通常比元素週期表中的相鄰元素更常見，因為它們具有有利的形成能量，如奧多-哈金斯規則所描述。
太陽和外行星中元素的豐度與宇宙中的元素豐度相似。由於太陽加熱，地球和太陽系內部岩石行星的元素經歷了揮發性氫、氦、氖、氮和碳（以甲烷形式揮發）的額外消耗。地殼、地函和地核顯示出化學偏析以及一些密度封存的證據。較輕的鋁矽酸鹽存在於地殼中，較多的矽酸鎂存在於地函中，而金屬鐵和鎳則構成了地核。特定環境（例如大氣、海洋或人體）中豐富的元素主要是與其所在介質發生化學相互作用的產物。
豐度值
每種元素的豐度表示為相對數。天文學使用對數豐度尺度來表示豐度元素 X 相對於氫的含量，定義為對於數密度;在這個規模上。[ 1 ]另一種尺度是質量分數，或等效地，質量百分比。[ 2 ]
例如，純水中氧的豐度可以透過兩種方式測量：質量分數約為 89%，因為這是氧佔水質量的分數。然而，摩爾分數約為33%，因為水中H 2 O中的3個原子中只有1個是氧。再舉個例子，看看整個宇宙和木星等氣態巨行星大氣中氫和氦的質量分數豐度，氫為 74% ，氦為 23-25% ；而在這些環境中，氫的（原子）摩爾分數為 92%，氦氣的（原子）摩爾分數為 8%。將給定環境改為木星的外層大氣（其中氫是雙原子的，而氦不是），將氫的分子摩爾分數（總氣體分子的分數）以及大氣的體積分數更改為約 86%，並且氦氣至13%。在木星外層大氣以下，由於高溫（電離和歧化）和高密度，體積分數與摩爾分數顯著不同，理想氣體定律不適用。
宇宙
| Z | 元素 | 質量分數 （ppm） |
|---|---|---|
| 1 | 氫 | 739,000 |
| 2 | 氦 | 240,000 |
| 8 | 氧 | 10,400 |
| 6 | 碳 | 4,600 |
| 10 | 氖 | 1,340 |
| 26 | 鐵 | 1,090 |
| 7 | 氮 | 960 |
| 14 | 矽 | 650 |
| 12 | 鎂 | 第580章 |
| 16 | 硫 | 第440章 |
| 全部的 | 999,060 |
宇宙中豐富的化學元素主要是大爆炸核合成過程中產生的大量氫和氦。剩下的元素僅佔宇宙的2%左右，主要是由超新星和某些紅巨星產生的。鋰、鈹和硼儘管原子序數較低，但卻很稀有，因為儘管它們是由核融合產生的，但它們會被恆星中的其他反應破壞。[ 4 ] [ 5 ]它們的自然發生是一種核分裂反應中碳、氮和氧的宇宙射線散裂的結果。從碳到鐵的元素在宇宙中相對更豐富，因為它們很容易在超新星核合成中製造。原子序數比鐵（26號元素）更高的元素在宇宙中變得越來越稀有，因為它們在生產過程中越來越多地吸收恆星能量。此外，由於有利的形成能量（參見奧多-哈金斯規則），原子序數為偶數的元素通常比元素週期表中的鄰居更常見，並且在最輕的核素中，從氦到硫，具有相同質子數的最豐富的同位素和中子。
氫是宇宙中最豐富的元素；氦氣位居第二。所有其他的都不太常見。此後，豐度等級不再繼續與原子序相對應。氧的豐度為 3，但原子序為 8。
已知的穩定元素有 80 種，最輕的 16 種元素佔宇宙普通物質的 99.9%。這些相同的 16 種元素，從氫到硫，落在核素表的初始線性部分（也稱為Segrè 圖），這是所有普通和奇異物質的質子與中子數的關係圖，包含數百種穩定同位素和還有數千個不穩定的國家。 Segrè 圖最初是線性的，因為（除了氫之外）絕大多數普通物質（太陽系中的 99.4% [ 6 ]）包含相同數量的質子和中子 (Z=N)。可以肯定的是，74% 的普通物質以單核質子（氫）的形式存在。但當核子結合形成穩定核素時，在 99.4% 的普通物質中，它們以一份質子與一份中子的比例結合。重子物質中核子數相等的結構基礎是原子核中最簡單、最深刻的未解之謎之一。
標準宇宙學模型可以很好地預測最輕元素的豐度，因為它們大多是在大爆炸後不久（即幾百秒內）產生的，這個過程被稱為大爆炸核合成。較重的元素大多是在很久以後才在恆星核合成過程中產生的。
據估計，氫和氦分別約佔宇宙中所有重子物質的 74% 和 24%。儘管僅佔宇宙的一小部分，但剩餘的「重元素」可以極大地影響天文現象。銀河系盤中只有約 2%（以質量計）由重元素組成。
這些其他元素是由恆星過程產生的。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]在天文學中，「金屬」是除氫或氦之外的任何元素。這種區別很重要，因為氫和氦是大爆炸中唯一大量產生的元素。因此，星系或其他物體的金屬豐度是大爆炸後恆星活動的指示。
一般來說，直到鐵的元素都是由大恆星在成為超新星的過程中產生的，或者是由較小恆星在死亡過程中產生的。鐵 56特別常見，因為它是最穩定的核素（因為它每個核子具有最高的核結合能）並且可以很容易地由α 粒子“構建” （是放射性鎳 56衰變的產物，最終由14 個氦原子核組成）。比鐵重的元素是在大型恆星的能量吸收過程中產生的，它們在宇宙（和地球）中的豐度通常隨著原子序數的增加而減少。
表格顯示了我們銀河系中十種最常見的元素（透過光譜估計），以質量的百萬分之一為單位。[ 3 ] 沿著類似路線演化的鄰近星係相應地富集了比氫和氦更重的元素。越遙遠的星系看起來就像它們過去一樣，因此它們的元素豐度看起來更接近原始混合物。然而，由於整個宇宙的物理定律和過程顯然是一致的，因此預計這些星係也將演化出類似豐度的元素。
如元素週期表所示，元素的豐度與其來源一致。非常豐富的氫和氦是大爆炸的產物。元素週期表中接下來的三種元素（鋰、鈹和硼）儘管原子序數較低，但很稀有。它們在大爆炸中幾乎沒有時間形成。它們是透過垂死恆星的核融合或宇宙射線散裂引起的星際塵埃中較重元素的分解而少量產生的。在超新星中，它們是由核融合產生的，但隨後被其他反應摧毀。[ 4 ]
從碳開始，垂死恆星或超新星恆星中透過阿爾法粒子（氦核）的累積產生了較重的元素，從而導致原子序數偶數的元素的豐度交替增加（這些元素也更穩定）。 1914 年，奇數化學元素的效應在宇宙中通常更為罕見，這一效應在 1914 年被經驗注意到，被稱為奧多-哈金斯規則。
| 核素 | 一個 | 質量分數（百萬分之一） | 百萬分之一的原子分數 |
|---|---|---|---|
| 氫1 | 1 | 705,700 | 909,964 |
| 氦4 | 4 | 275,200 | 88,714 |
| 氧16 | 16 | 9,592 | 第774章 |
| 碳12 | 12 | 3,032 人 | 第326章 |
| 氮14 | 14 | 1,105 人 | 102 |
| 霓虹燈20 | 20 | 1,548 | 100 |
 | |||
| 其他核素： | 3,616 | 172 | |
| 矽28 | 28 | 第653章 | 30 |
| 鎂24 | 24 | 513 | 28 |
| 鐵56 | 56 | 1,169 | 27 |
| 硫-32 | 32 | 第396章 | 16 |
| 氦3 | 3 | 35 | 15 |
| 氫2 | 2 | 23 | 15 |
| 霓虹燈22 | 22 | 208 | 12 |
| 鎂26 | 26 | 79 | 4 |
| 碳13 | 13 | 37 | 4 |
| 鎂25 | 25 | 69 | 4 |
| 鋁-27 | 27 | 58 | 3 |
| 氬36 | 36 | 77 | 3 |
| 鈣40 | 40 | 60 | 2 |
| 23鈉 | 23 | 33 | 2 |
| 鐵54 | 54 | 72 | 2 |
| 矽29 | 29 | 34 | 2 |
| 鎳58 | 58 | 49 | 1 |
| 矽30 | 30 | 23 | 1 |
| 鐵57 | 57 | 28 | 1 |
與核結合能的關係
在宇宙中估計的元素豐度和核結合能曲線（也稱為每個核子的結合能）之間觀察到鬆散的相關性。粗略地說，各種原子核素在大爆炸核合成（BBN）的極高能量條件下的相對穩定性對大爆炸中形成的元素的相對豐度以及此後宇宙的發展過程產生了強烈的影響。[ 10 ]請參閱有關核合成的文章，以了解恆星中某些核融合過程（例如碳燃燒等）如何產生比氫和氦更重的元素。
進一步觀察到的特徵是化學元素的估計豐度中相鄰原子序數的相對豐度和稀缺性之間的鋸齒狀交替，其中偶數原子序數的相對豐度大約比奇數原子序數的相對豐度大2個數量級（奧多-哈金斯規則）。在碳和氧附近的核結合能曲線中可以觀察到偶數和奇數原子序數之間的類似交替，但這裡相對豐度和結合能之間的鬆散相關性結束了。例如，鈹（偶數原子序）的結合能小於硼（奇數原子序數）的結合能，如核結合能曲線所示。此外，當圖形穩定增加到鐵處的峰值時，偶數和奇數原子序數之間的核結合能的交替在氧上方解析。半經驗質量公式( SEMF)，也稱為Weizsäcker 公式或Bethe-Weizsäcker 質量公式，給出了核結合能曲線整體形狀的理論解釋。[ 11 ]
太陽
現代天文學依賴於理解太陽中豐富的元素作為宇宙學模型的一部分。豐度值很難取得：甚至光球或觀測豐度也取決於太陽大氣和輻射耦合模式。[ 12 ]這些天文豐度值以與氫的比率的對數形式報告。在此範圍內，氫的豐度設定為 12。
太陽的光球層主要由氫和氦組成。根據太陽週期的不同階段，氦豐度大約在 10.3 到 10.5 之間變化；[ 13 ]碳為8.47，氖為8.29，氧為7.69 [ 14 ]，鐵估計為7.62。[ 15 ]
地球
地球是由與太陽相同的物質雲形成的，但行星在太陽系的形成和演化過程中獲得了不同的成分。反過來，地球的歷史導致地球部分地區的元素濃度不同。
地球的質量約為 5.97 × 1024 公斤。以質量計，主要成分為鐵（32.1%）、氧（30.1%）、矽（15.1 %）、鎂（13.9%）、硫（2.9%）、鎳（1.8%）、鈣（1.5%）、及鋁（1.4%）；剩餘的1.2%由微量的其他元素組成。 [ 16 ]
地球的元素質量整體成分與太陽系的整體成分大致相似，主要區別在於地球缺少大量揮發性元素氫、氦、氖、氮以及碳它已作為揮發性碳氫化合物消失。
剩餘的元素成分大致是“岩石”內行星的典型特徵，這些行星形成於靠近太陽的“霜線”“內部”，年輕太陽的熱量和恆星風將揮發性化合物驅趕到太空中。
地球保留了氧作為其質量的第二大組成部分（也是最大的原子分數），這主要是由於氧的高反應性；這導致它與具有高熔點和低蒸氣壓的 矽酸鹽礦物結合。
地殼
地殼中最豐富的九種元素的質量豐度大致為：氧46%、矽28%、鋁8.3%、鐵5.6%、鈣4.2%、鈉2.5%、鎂2.4%、鉀2.0%、鈦0.61% 。其他元素含量低於0.15%。如需完整列表，請參閱地殼中豐富的元素。
右圖顯示了地球上大陸地殼中化學元素的相對原子豐度——該部分相對容易測量和估計。
圖中顯示的許多元素都分為（部分重疊）類別：
- 造岩元素（綠地為主量元素，淺綠地為微量元素）；
- 稀土元素（鑭系元素 (La–Lu)、Sc 和 Y；以藍色標示）；
- 主要工業金屬（全球產量>~3×10 7 kg/年；以紅色標示）；
- 貴金屬（以紫色標示）；
- 九種最稀有的「金屬」——六種鉑族元素加上Au、Re和Te（一種準金屬）——位於黃色區域。它們在地殼中很罕見，因為它們可溶於鐵，因此集中在地核中。相對於宇宙豐度而言，碲是矽酸鹽地球中最貧乏的元素，因為除了在核心中以緻密硫族化物的形式濃縮之外，它還因星雲中的預吸積分選而以揮發性碲化氫的形式嚴重貧化。[ 18 ]
不穩定元素锝（原子序 43）和釩（原子序 61）有兩個斷裂。這些元素被穩定元素包圍，但它們最穩定的同位素的半衰期相對較短（分別約為 400 萬年和約 18 年）。因此，這些元素極為罕見，因為這些元素的原始含量早已腐爛。這兩種元素現在只能透過非常重的放射性元素（例如鈾、釷或鈾礦石中存在的微量鈽）的自發性裂變，或透過某些其他元素與宇宙射線的相互作用自然產生。锝和鯛都已在恆星大氣中通過光譜鑑定出來，它們是由正在進行的核合成過程產生的。
六種惰性氣體所在的豐度圖中也存在斷裂，因為它們沒有化學結合在地殼中，因此它們的地殼豐度沒有明確定義。
八種天然存在的非常稀有的高放射性元素（釙、砹、鈁、鐳、錒、錚、鎵和鈽）不包括在內，因為在地球形成時存在的這些元素中的任何一種都在億萬年前 就已經衰變了。
氧和矽是地殼中最常見的元素。一般來說，在地球和岩石行星上，矽和氧的含量比它們在宇宙中的豐富程度要普遍得多。原因是它們相互結合形成矽酸鹽礦物。[ 18 ]其他宇宙常見元素，如氫、碳和氮，會形成氨和甲烷等揮發性化合物，這些化合物很容易在行星形成的熱量和/或太陽光的作用下沸騰到太空。
稀土元素
「稀有」地球元素是歷史上的誤稱。該術語的持續存在反映了不熟悉而不是真正的稀有。與鉻、鎳、銅、鋅、鉬、錫、鎢或鉛等常見工業金屬相比，更豐富的稀土元素同樣集中在地殼中。兩種含量最少的穩定稀土元素（铥和镥）的含量比金高近 200 倍。然而，與普通賤金屬和貴金屬相比，稀土元素在可開採礦物床中富集的趨勢非常小。因此，世界上大部分稀土元素的供應都來自少數幾個來源。此外，稀土金屬的化學性質都非常相似，因此很難將它們分離成大量的純元素。
地球上部大陸地殼中單一稀土元素豐度的差異代表了兩種效應的疊加，一種是核效應，一種是地球化學效應。首先，具有偶數原子序數的稀土元素（58 Ce，60Nd，...）比相鄰的具有奇數原子序數的稀土元素（57 La，59 Pr，...）具有更大的宇宙和地球豐度。其次，較輕的稀土元素較不相容（因為它們具有較大的離子半徑），因此較重的稀土元素更強烈地集中在大陸地殼中。在大多數稀土礦床中，前四種稀土元素——鑭、鈰、镨和釹——佔礦石中稀土金屬總量的80%至99%。
地函
地函中最豐富的七種元素的質量豐度約為：氧44.3%、鎂22.3%、矽21.3%、鐵6.32%、鈣2.48%、鋁2.29%、鎳0.19%。[ 19 ]
核
由於質量偏析，地球核心被認為主要由鐵 (88.8%) 組成，還有少量的鎳 (5.8%)、硫 (4.5%) 和不到 1% 的微量元素。[ 6 ]
海洋
海洋中最豐富的元素以質量百分比計算是氧（85.84％），氫（10.82％），氯（1.94％），鈉（1.08％），鎂（0.13％），硫（0.09％），鈣(0.04 %)、鉀(0.04%)、溴(0.007%)、碳(0.003%) 和硼(0.0004%)。
氣氛
大氣中元素按體積分數（大約為分子摩爾分數）排列為氮（78.1%）、氧（20.9%）、[ 20 ] 氬（0.96%），其次是（順序不確定）碳和氫因為水蒸氣和二氧化碳是空氣中這兩種元素的大部分，是可變成分。硫、磷和所有其他元素的含量明顯較低。
根據豐度曲線圖，氬作為大氣的重要組成部分，即使不是主要成分，根本不會出現在地殼中。這是因為大氣的質量遠小於地殼的質量，因此留在地殼中的氬對其質量分數的貢獻很小，而同時大氣中的氬的積累已經變得足夠大而顯著。
城市土壤
有關城市土壤中元素豐度的完整列表，請參閱元素豐度（資料頁）#Urban salts。
人體
以質量計算，人體細胞由 65-90% 的水 (H 2 O) 組成，其餘大部分由含碳有機分子組成。因此，氧氣佔人體質量的大部分，其次是碳。人體質量的幾乎99%由六種元素組成：氫(H)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、鈣(Ca)和磷(P)。接下來的 0.75% 由接下來的五種元素組成：鉀(K)、硫(S)、氯(Cl)、鈉(Na) 和鎂(Mg)。已知只有 17 種元素是人類生命所必需的，其中一種元素（氟）被認為有助於琺瑯質強度。多一些微量元素可能對哺乳動物的健康發揮一定作用。硼和矽對於植物來說是必需的，但在動物中的作用不確定。鋁和矽元素雖然在地殼中非常常見，但在人體中卻非常罕見。[ 21 ]
下面是突出顯示營養元素的元素週期表。[ 22 ]
| 基本要素[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H | 他 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 李 | 是 | 乙 | C | 氮 | 氧 | F | 氖 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 鈉 | 鎂 | 鋁 | 矽 | 磷 | S | 氯 | 氬氣 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| K | 鈣 | 鈧 | 鈦 | V | 鉻 | 錳 | 鐵 | 鈷 | 鎳 | 銅 | 鋅 | 嘎 | 鎗 | 作為 | 碳粉匣 | 溴 | 克爾 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 銣 | 鍶 | 是 | 鋯 | 鈮 | 莫 | 溫度 | 茹 | 銠 | 鈀 | 銀 | 光碟 | 在 | 錫 | 銻 | 碲 | 我 | 氙 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CS | 巴 | * | 魯 | 鉿 | 塔 | 瓦 | 關於 | 作業系統 | 紅外線 | 鉑 | 金 | 汞 | 鉈 | 鉛 | 雙 | 寶 | 在 | 甙 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Fr | 拉 | ** | 左 | 射頻 | 分貝 | 硫磺 | 巴哈 | HS | 公噸 | DS | 瑞格 | 中文 | 氨氮 | 佛羅裡達州 | 麥克 | 左 | TS | 奧格 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| * | 拉 | 鈰 | 普羅 | 釹 | 午安 | 鈸 | 歐盟 | 钆 | 铽 | 鎝 | 何 | 呃 | 溫度 | 鐿 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ** | 乙醯膽鹼 | 釷 | 帕 | U | 氮磷 | 普 | 是 | 公分 | 黑色 | CF | 埃斯 | 調頻 | MD | 不 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
傳奇： 數量要素 哺乳動物的本質或功能有爭議 |
參見
- 元素豐度（資料頁）
- 地殼中元素的豐度
- 自然豐度—同位素豐度
- Goldschmidt 分類 – 地球化學分類
- 原始核素 – 早於地球形成的核素（在地球上發現）
- 輻射懸浮
- 化學元素數據參考清單
沒有留言:
張貼留言
你發現了這篇網誌的留言板，在這留點什麼吧|д･)