地球的秘密：元素家族！

地球，作为已知的太阳系中密度最大的行星，其一切都是由化学元素组成的。

到目前为止，人类已经发现了100多种元素，组成了约三千多万种物质。

组成地球的化学元素究竟有哪些？地质学家们对这个问题的研究已经展开了近百年。

1970年，前苏联在科拉半岛邻近挪威国界的地区开始了一项科学钻探，其中最深的一个钻孔SG-3在1989年达到12262米，以垂深计算，这个钻孔是到达地球最深处的人造物。

而在2008年和2011年，其井深记录被在卡塔尔的阿肖辛油井（12289米）和俄罗斯在库页岛的Odoptu OP-11油井（12345米）打破。

尽管这些井看起来足够深，但地壳的厚度却可以超过40000米。这意味着，这些钻孔可能还没到地壳一半就不得不停止，人类实际上没有精确地测量地壳以外的任何东西。

因此，我们可以深入研究的部分仅是：地壳。01

富集元素首先，在地壳中发现的最丰富的元素是氧（O）。

相比大气中包含的气体，氧更常见的存在形式是地壳中的岩石氧化物。

事实上，地壳中所有最常见的岩石类型都是氧化物。

二氧化硅是最常见的，也是沙子和石英等物质中的主要化合物。其他非常常见的氧化物包括:氧化镁、氧化铁、氧化铝和氧化钙。

也就是说，你在地球上看到的任何一块岩石，它都很可能含有大量的氧。但不是以气体的形式，而是以氧化物的形式。

氧气在地壳中的含量为46.5%，也就是说几乎一半的地壳都是氧。

地壳中含量最丰富的元素，包括氧在内主要有10种，占地壳中所有物质的99.3％。

其中，氢（H）是十分特别的元素。

氢的原子序数为1，是现存最简单的元素。在大爆炸后不久，宇宙中除了氢，什么都没有。直到今天，氢仍然是宇宙中最常见的元素，占所有物质的74%。

然而，氢在地球上的含量却不像宇宙中其他地方那么丰富，仅仅排名第10。

当地球刚形成的时候，氢大约占大气的40%。但由于氢很轻，大部分都漂浮到地球大气层的最顶层。随着时间的推移，氢逐渐飘向外太空。这个过程一直持续到今天，即使是现在，地球每年仍要失去大约95000吨的氢。因此，地球上氢的含量也就受到了一定的限制。

作为地球上所有生命的基本元素——碳（C），是第17种最丰富的元素。

碳既以游离元素存在（金刚石、石墨等），又以化合物形式存在（主要为钙、镁以及其他电正性元素的碳酸盐）。

碳对于现有已知的所有生命系统都是不可或缺的，是人体中含量第二丰富的元素，仅次于氧。今天地球地壳中的碳含量约为0.02%。

在碳之下，地壳中最常见元素中排名第25的铈（Ce）是一种稀土元素。

铈在地壳中的含量接近百万分之 66.5。也就是说，并不是所有的稀土元素实际上都那么稀有。

而在此之下还有更多的稀土元素。例如钕（(Nd）为百万分之41.5；镧（La）为百万分之39；钇 (Y)为百万分之33； 钪（Sc）为百万分之22。

比这些稀土元素含量还要低的是氮（N）。

也就是说，这种占我们呼吸空气78%的元素在地壳中比某些稀土元素更稀有，只有百万分之19。

氮是植物生长的必需养分之一，它是每个活细胞的组成部分。氮元素以单质（氮气）形式存在时无毒，以化合物形式存在时常常有毒，典型的比如说氨、亚硝酸根等。

地球上总共有94种元素自然存在，这意味着第47个最丰富的元素已经到达所有元素的一半，也就是铪（Hf），以百万分之3的含量存在。

比铪的含量还要低的一种重要元素为铀（U）。铀是放射性金属元素，可作为核反应的燃料。它在地壳中的含量为百万分之2.7。

尽管铀在地壳中的含量比汞、铋、银要多得多，但由于提取铀的难度较大，所以它注定了要比汞这些元素发现的晚得多。

铀矿

锡（Sn）的含量仅有百万分之2.3，在地壳中含量低于铀。这意味着锡纸(不是铝箔，而是真正的锡纸)是由比大多数核反应堆的燃料更稀有的物质制成的。

02

稀有元素铽（Tb）的含量为百万分之1.2，是另一种稀土元素，在最常见的稀土元素中排名第59位。

或者，我们将其称为地球上第35种最稀有的元素。这也是最后一种元素，在地壳中含量超过百万分之一。

这意味着，即使你随机调查了地壳中的100万个原子，也可能找不到铽之后的34种元素中的任何一个。

而银（Ag）就是这些稀有元素中的一员，是最稀有的第26种元素，含量为百万分之0.075。

银在自然界中有单质存在，但绝大部分是以化合态的形式存在于银矿石中。银的理化性质均较为稳定，导热、导电性能很好，质软，富延展性。其反光率极高，可达99%以上，有许多重要用途。

银矿

氦（He）是地壳中第22种最稀有的元素，只以百万分之0.008的含量存在。

在宇宙的其他地方，氦（He））是第二丰富的元素，仅次于氢，由恒星中心的核聚变过程产生，占宇宙质量的24%。

我们之前提到，氢源源不断的从大气上层泄漏到太空中导致其含量减少。

而氦的损失情况比氢更为糟糕。氦作为一种惰性气体，不易与其他元素发生反应形成化合物。由于不能形成更重的化合物，氦一直是一种非常轻的气体，很容易就会消失在太空中。

事实上，氦在地壳中存在的主要方式，就是通过放射性同位素的衰变，比如铀和钍。因此，理论上可以说氦是比银还稀有的。

第20种稀有元素是铂（Pt），第19种是金（Au），含量分别是百万分之0.005和百万分之0.004。

铂的化学性质极稳定 ，不溶于强酸强碱溶液，在空气中不氧化。金的单质在室温下为固体，密度高、柔软、光亮、抗腐蚀，延展性较好。

第21种最稀有元素是氖（Ne）。其含量仅比铂高一点，为百万分之0.0051。

这意味着只要看到霓虹灯（如果里面真的有氖），它的字面上充满了与地球上铂金同样稀有的元素。

03

罕见元素现在我们开始涉足极为罕见的元素。

在地球上最稀有的10种元素中，恰好有10种是放射性的。因为这些元素都没有稳定的同位素，如果有足够的时间，它们都会衰变成更基本的元素。

考虑到地球有40多亿年的历史，所有这些元素都经历了很长时间的衰变。因此，在这些低含量的元素中，只有4个可以被可靠地测量到。

在这些可测量的元素中，氡（Rn）含量最少，仅为百万分之0.00000000004。

也就是说，在地壳中的25个万亿个原子里，只有可能发现一个氡原子。

除了4个能被可靠测量到的元素外，剩下的6个元素比它们更稀有。这些元素丰度之低，只能用衰变为它们的其他元素的已知数量来估计其含量。

钷（Pm）是迄今为止最稀有的所谓稀土元素。这种元素的不同同位素的半衰期从2年到17年不等，这在地质学上是非常短的。

据估计，目前地球上这种物质的含量不足600克，其中大部分是由铀衰变产生的，也许还有一部分铕。

根据目前的资料，地球上最稀有的元素是85号元素——砹（At）。砹的最稳定同位素的半衰期从5个小时到8个小时不等，甚至远不如钷稳定。

但是它的大多数同位素，总共有39种，半衰期只有1秒或更短。这意味着，这1秒存在的砹，下一秒就可能不复存在了。

砹在自然界是如此的不稳定。但科学家们发现使用所谓的α粒子（基本上是氦原子的核）来轰击铋同位素209，可以产生砹。但通常一次能生产的最多的量也仅有86毫微克。

因此，可以说砹依旧是地球上最稀有的元素！

参考资料：

ABUNDANCE OF ELEMENTS IN THE EARTH’S CRUST AND IN THE SEA, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th edition (2016–2017), p. 14-17；

Eric Scerri, The Periodic Table, Its Story and Its Significance, Oxford University Press, 2007

维基百科；YouTube；Atlas Pro.