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為何不同過程產生的同一種化學物質的質量會有區別?
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  • 1 # 雲舞空城

    這個問題要用到同位素的有關知識來回答。

    物理學告訴我們,原子核由帶正電的質子和不帶電的中子組成。質子決定了原子核的電性,也決定了一個元素在週期表裡的位置。以本問題裡的碳元素為例,它的原子核有6個質子,因此帶有6個正電荷、在週期表上是第6號元素(氫氦鋰鈹硼碳)。

    但是,某一種原子核帶有的中子數卻是可以變化的,碳原子核的中子數可以在4~9之間變動,因此碳元素一共有6種同位素。在表達同位素時,我們將質子數與中子數相加後得到的數值寫在元素後面,於是便有了碳12(6質子+6中子)、碳13(6質子+7中子)、碳14(6質子+8中子)等不同的同位素。

    中子本身具有重量——所以,含有不同中子數的碳同位素們也就有了不同的重量。

    以上是知識背景,中學學過,希望你還沒有完全忘記。

    下面是同位素地球化學的一些知識,要開始變刺激了。

    為什麼同樣是二氧化碳,有些要重,有一些又要輕呢?

    原因就出在碳元素和氧元素的同位素上。在自然界裡,共有6種碳同位素,其中三種主要的分別是碳12、碳13、碳14,含量分別98.89%、1.11%和極少;氧的同位素一共有17種,其中有三種穩定存在,分別是氧16,氧17,氧18,含量分別是99.756%、0.039%、0.205%。

    這6種同位素自由搭配時,結合產生的二氧化碳就因為中子數量的不同而具有輕重不同才差異。比如碳12+2*氧16形成的二氧化碳,就比碳13+2*氧18形成的二氧化碳要輕5箇中子的重量。

    為什麼火山活動產生的二氧化碳,比生物活動產生的二氧化碳更重呢?

    地球化學家研究發現,地球上所有的生物活動,都傾向於富集更輕的同位素。

    以碳同位素為例,這種獨特的口味從植物的光合作用就開始出現,一直持續到地下微生物分解油氣的過程。究其原因,簡單的說法是由於輕、重同位素在熱運動或生化反應中的活動性不同——輕的同位素更活躍。

    複雜一些的話,其一是因為在大氣CO2穿過細胞壁進入葉綠體的擴散作用中,植物優先吸收12CO2,其二是酶參與溶解CO2發生羧化反應時,12CO2優先被固定在初級光合作用產物裡。

    這樣一來,地球上的有機物也便比大氣、水、岩石更加富集碳12,有機物分解釋放的CO2也比地球內部岩漿活動釋放的CO2更富集碳12——地球化學家稱之為同位素分餾。

    火山活動是地下岩漿活動的產物,岩漿則是岩石熔融的產物,它體現的是地球普遍的同位素分佈規律;生物活動由於存在富集碳12的同位素分餾作用,因此會源源不斷的從自然環境裡把碳12吸收並儲存在有機物裡,使得有機地球化學過程比無機地球化學過程形成的含碳物質相對更輕。

    希望這個解釋能讓更多人瞭解同位素地球化學的魅力~

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