化学元素丰度
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化学元素丰度（英语：Chemical element abundance）是指在给定环境中某化学元素相对于其他所有元素含量多寡的比值。丰度可以是质量的比值或是莫尔数（气体的原子数量比值或是分子数量比值），或是容积比值。在混合气体中测量气体容积比值是表示丰度的常用方法，对混合的理想气体（相对于是低密度和低压的气体）这与莫耳数相当一致。
例如，氧元素在水中的质量比是89%，意思是水的质量和氧元素的质量的比值，但氧在水中的莫尔比值只有33%，因为在水的莫尔数中只有三分之一是氧原子。在整个宇宙中，比如像木星这样的巨大的气体行星中，氢和氦的质量丰度比值分别是74%和23~25%，但是摩尔（原子）比值却高达92%和8%。但是，因为氢是双原子分子，而氦在木星外层的大气环境下只是单原子分子，以分子的摩尔数来比较，在木星大气层中氢的丰度是86%，而氦的丰度是13%。
本文提到的丰度多数都是质量百分比。
宇宙中的元素丰度
[编辑]| 同位素 | 核 百万分比 |
|---|---|
| 氢-1 | 705,700 |
| 氦-4 | 275,200 |
| 氧-16 | 5,920 |
| 碳-12 | 3,032 |
| 氖-20 | 1,548 |
| 铁-56 | 1,169 |
| 氮-14 | 1,105 |
| 矽-28 | 653 |
| 镁-24 | 513 |
| 硫-32 | 396 |
| 氖-22 | 208 |
| 镁-26 | 79 |
| 氩-36 | 77 |
| 铁-54 | 72 |
| 镁-25 | 69 |
| 钙-40 | 60 |
| 铝-27 | 58 |
| 镍-58 | 49 |
| 碳-13 | 37 |
| 氦-3 | 35 |
| 矽-29 | 34 |
| 钠-23 | 33 |
| 铁-57 | 28 |
| 氘-2 | 23 |
| 矽-30 | 23 |
元素，通常指由质子、中子和电子组成的物质（重子），在宇宙中的质量仅占极小的部份。观测宇宙学指出宇宙成分有73%是暗能量，23%是暗物质，只有4%是看得见的重子物质，包括恒星、行星和生物。在质点物理中尚未发现暗物质，而暗能量的本质尚未清楚。
许多标准的重子物质被以原子或电浆的形式被发现，但仍然还有许多种平常不易见到的物质。重子物质的其他型态还包括白矮星、中子星和黑洞，标准的物质也以光子的型态存在（许多都是宇宙微波背景辐射和微中子）。
氢是宇宙中已知丰度最高的元素，氦是第二。然而，在这之后，丰度的数值顺序就不再依据原子序来排列。氧的丰度占第三位，但它的原子序是8，其他的各种元素丰度就更没有规律可循了。[2]
轻元素的丰度可以依循标准宇宙模型来预测，因为都是在大霹雳之后很短的时间（在几百秒钟）内，经由现在所认知的太初核合成的程序产生的；重元素则是在之后很久才在恒星内部产生的。
氦3在地球很罕见，并且仅出现在核融合的研究中，但认为氦-3的丰度在月球上会较高。额外的氦来自于恒星内部的氢融合成氦的质子－质子链反应和碳氮氧循环。
估计氢和氦在重子的宇宙的丰度分别是74%和24%，宇宙中剩馀很小的丰度是重元素，但剩馀的重元素对天文现象有很大的影响，银河系的盘面中只有2%的质量是由重元素组成。
其他的元素来自恒星内部的程序[3][4][5]。天文学将比氢和氦重的元素称为“金属”，这是因为只有氢和氦（包含可侦测到的微量锂元素）是自然界无须经由恒星内部核融合活动产生的元素。因此，星系的金属量或其他的特征足以显示恒星过去的活动。
| 元素 | 百万分比 |
|---|---|
| 氢 | 750,000 |
| 氦 | 230,000 |
| 氧 | 10,000 |
| 碳 | 5,000 |
| 氖 | 1,300 |
| 铁 | 1,100 |
| 氮 | 1000 |
| 矽 | 700 |
| 镁 | 600 |
| 硫 | 500 |
地球上元素的丰度
[编辑]地球与太阳都在同一片星云中形成，但是在太阳系的形成和演化的过程中行星得到不同成分。地球的历史导致这颗行星的部份元素有不同的集中程度。
地球的地壳元素丰度
[编辑]这张图表显示地球的上层大陆地壳中元素的相对丰度。
许多显示在图表中的元素都被分类在目录当中（有部分重叠）：
- 形成岩石的元素（主要元素在绿色的区域少数的元素在淡绿色的区域）；
- 稀土元素（镧族元素，镧-镥和钇，标示蓝色的区域）；
- 主要的工业元素（全球年产值>~3×107公斤；标示为粗黑字体）；
- 贵金属（斜体字）；
- 九种"贵稀金属"—六种铂族元素加上金、铼和碲（类金属）
注意有两个不稳定元素𨱏（原子序43）和钷（原子序61）的断裂存在。它们在地球上非常罕见，只能经由重元素，例如铀或钍的分裂产生。这两种元素在恒星大气的分光中被确认，它们是在持续的核综合过程中产生的。在六种惰性气体处也有断裂，它们是因为放射性元素的放射性衰变链才在地壳中被发现，原本并不存在于地壳中。这六种元素非常稀有，高放射性的元素(钋、砈、钫、镭、锕和镤)因为它们在自然界的丰度太低，以致于不能准确的测量，因此不包括在其中。
“稀土”元素的丰度
[编辑]“稀土”元素是历史上的一个错误名词，坚持使用这个名词只是反映出对它们的不熟悉而不是真的很稀少。比较丰富的稀土元素在地壳中会与相似的工业金属混合在一起，这些金属包括铬、镍、铜、锌、钼、锡、钨或铅，但即使是丰度最低的两种稀土元素（铥和镏）也仍比普通的金高出200倍。然而，相较于普通的基础元素和贵金属，稀土元素没有倾向集中的沉积矿而只有少数可开采的氧化物矿床，因此大多数的稀土元素在世界上的供应来源都是屈指可数的。
稀土元素在地球的大陆地壳上层个别的丰度表现出两种性质并且有所重叠，一种是原子核的，另一种是地质上的。首先，原子序是偶数的稀土元素（58Ce, 60Nd, ...）在宇宙中的丰度较相邻原子序为奇数的稀土元素（57La，59Pr，…）为高。其次，越轻的稀土元素越不相容（因为它们的电离半径越大），因此它们在大陆地壳中比重的稀土元素更为集中。大多数的稀土元素都聚在一起，最前面的四种稀土元素镧、铈、镨和钕就占稀土总数的80%至99%。
海洋
[编辑]| 元素 | 百分比 | 元素 | 百分比 |
|---|---|---|---|
| 氧 | 85.84 | 硫 | 0.091 |
| 氢 | 10.82 | 钙 | 0.04 |
| 氯 | 1.94 | 钾 | 0.04 |
| 钠 | 1.08 | 溴 | 0.0067 |
| 镁 | 0.1292 | 碳 | 0.0028 |
参见海洋中海水中元素的丰度，但是注意是以质量来排序的，若以容积(摩尔数)来排序，前面四种元素会非常的不一样；特别是氢几乎占到所有原子数量的三分之二，因为构成水分子的三个原子中就有两个是氢原子。
大气层
[编辑]地球大气层的元素容积比率依照顺序是氮（78.1%）、氧（20.9%）、氩（0.96%）；水蒸气和二氧化碳会由各种途径进入大气层，并影响到容积率，接下来是顺序不确定的碳和氢。硫、磷和其他元素在大气中的比率更低。
由上面的图，氩在大气中虽显著但并不是主要的，但在地壳中几乎完全不存在。这是因为大气的质量远小于地壳，使得留在地壳中为数不多的氩在比例上完全显现不出来，而氩在大气中由于密度接近空气，可以累积的量多到足以显示其重要性。由于氩是惰性气体，因此难以留在地壳中。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。
人体
[编辑]依据质量，人体的细胞包含65%至90%水（H2O），另一个重要的部份是由包含碳的有机分子组成，因此氧在人体中的贡献接续碳之后比例也有很大的。人体质量的99%是由下列六种元素构成的：氧、碳、氢、氮、钙和磷。
| 元素 | 质量百分比 |
|---|---|
| 氧 | 65 |
| 碳 | 18 |
| 氢 | 10 |
| 氮 | 3 |
| 钙 | 1.5 |
| 磷 | 1.2 |
| 钾 | 0.2 |
| 硫 | 0.2 |
| 氯 | 0.2 |
| 钠 | 0.1 |
| 镁 | 0.05 |
| 铁、钴、铜、锌、碘 | <0.05 个别 |
| 硒、氟 | <0.01 个别 |
相关条目
[编辑]- 自然丰度（同位素丰度）
注解和参考资料
[编辑]- ^ Arnett, David. Supernovae and Nucleosynthesis First edition. Princeton, New Jersey: Princeton University Press. 1996. ISBN 0-691-01147-8. OCLC 33162440.
- ^ 存档副本. [2019-12-30]. （原始内容存档于2012-08-25）.
- ^ H. E. Suess and H. C. Urey (1956) Abundances of the elements, Rev Mod Phys 28:53-74.
- ^ A. G. W. Cameron (1973) Abundances of the elements in the solar system, Space Sci Rev 15:121-146.
- ^ E. Anders and M. Ebihara (1982) Solar-system abundances of the elements, Geochim. Cosmochim. Acta 46:2363-2380.
- ^ Ash, Russell, The Top 10 of Everything 2006: The Ultimate Book of Lists, Dk Pub, 2005 [2008-11-26], ISBN 0756613213, （原始内容存档于2010-02-10）.
外部链接
[编辑]- List of elements in order of abundance in the Earth's crust （页面存档备份，存于互联网档案馆） (only correct for the twenty most common elements)
- Cosmic abundance of the elements and nucleosynthesis
- 这篇文章的部分资料取材自公共领域的资源，来源是： http://geopubs.wr.usgs.gov/fact-sheet/fs087-02/ （页面存档备份，存于互联网档案馆） and https://web.archive.org/web/20031203202925/http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/dict_ei.html 请视需要更新。
参考文献
[编辑]Chang, Raymond. Chemistry, Ninth Edition. McGraw-Hill. 2007: p. 52. ISBN 0-07-110595-6.