地球上元素的丰度

化学元素丰度（英语：Abundance of the chemical elements）是在测量上与所有元素相比较所得到含量多寡的比值。丰度可以是质量的比值或是莫耳数(气体的原子数量比值或是分子数量比值)，或是容积上的比值。在混合的气体中测量气体容积上的比值是最常用于表示丰度的方法，对混合的理想气体（相对于是低密度和低压的气体）这与莫耳数是相当一致的。例如，氧在水中的质量比是89%，因为这是水的质量和氧的质量的比值，但是氧在水中的莫耳比值只有33%，因为在水的莫耳数中只有三分之一是氧原子。在整个宇宙中，和在如同木星这样的巨大的气体行星中，氢和氦在质量上的丰度比值分别相对是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%。在本文中所提到的丰度，多数都是质量百分比的丰度。元素 –通常都称为 (重子的)物质：由质子和中子组成(包含电子)，在宇宙中的质量仅占极小的部分。观测的宇宙建议宇宙的组成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被了解。许多标准的重子物质被以原子或等离子的形式被发现，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。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在地球上很罕见，并且仅出现在核聚变的研究中，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进行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%，宇宙中剩余很小的百分比(丰度)是重元素，但剩余的"重元素"对天文现象有很大的影响，银河系的盘面中只有2%是由重元素组成的(质量比)。其他的元素来自恒星内部的程序。在天文学，所谓的"金属"是任何一种比氢和氦更重的元素，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聚变活动产生的元素。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。地球与太阳都在同一个星云中形成，但是在太阳系的形成和演化的过程中行星得到不同的组成。地球的历史导致这颗行星的部分元素有不同的集中程度。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)：注意有两个不稳定元素锝(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。氧和硅是非常的普遍，它们形成多种常见的无机硅化物。“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 – 就占有总数的80%至99%。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。在地球大气层中元素的容积比率依照顺序是氮(78.1%)、氧(20.9%)、氩(0.96%)，因为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，因此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显然是更低的。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。依据质量，人体的细胞包含65%~90%的水(H2O)，另一个重要的部分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。Chang, Raymond. Chemistry, Ninth Edition. McGraw-Hill. 2007: p. 52. ISBN 0-07-110595-6.  引文格式1维护：冗余文本 (link)