如果你想要用太湖这么大的锅炖汤,一小撮盐可能是淡了点。
食用盐主要的成分是氯化钠,这是一种离子晶体,也就是说氯和钠都以离子的形式存在并结合再一起。当盐被加入水中时,这些离子会更倾向于溶解进入水中而不是留在原来的晶体里,也就是所谓的溶解。
25℃的时候,每 100g 水最多能溶解 36g 氯化钠,如果在这个温度下一直给太湖加盐,那么要给太湖倾倒 15.9 亿吨的盐才能让太湖饱和。以全球 2.93 亿吨的年产量,差不多要倒上 5 年半的时间。
人类对盐的敏感度差异是很大的,一般来说,高于 250mg/L 的盐浓度是能够被人感知到的,也就是说,在太湖中倾倒 110 万吨盐就能让太湖尝起来有点不同了。这差不多相当于全地球人两周左右的推荐盐摄入量。这个 250mg/L 的浓度差不多也是氯离子滴定分析法能测量的下限浓度(这不是说你应该用舌头替代滴定分析)
许多元素被激发之后会发光,有的元素(尤其是碱金属和碱土金属,比如钾、钠、钙等)在火焰的激发下就能发光,这样发出来的光具有独一无二的光谱,形成了丰富的焰色反应。这些焰色反应也为我们带来了五颜六色的烟火表演。
利用这种焰色可以测量碱金属,比如钾、钠的浓度,也就是所谓的火焰光度法。利用这种方法测量盐水的浓度,可以测量到浓度只有 0.5mg/L 的盐水。如果你在太湖里倾倒 2 千吨的盐,这种方法就能测出来。
测量火焰发光的问题在于,原子自身发光的强度是有限度的,如果浓度太低,发光就很难被测量到了。其实元素不只是激发之后会发光,当用和他们发射的光相同的光照射他们时,他们会强烈的吸收这些光,肉眼可能难以辨别,但是在光谱仪下就能看到一条条的暗线。太阳的光谱中就出现了这些暗线,德国物理学家夫琅和费(1787 年─1826 年)标记了 570 条这样的暗线,从而在太阳的大气层中确认了钠、铁、镁等一系列元素的存在。
如果用这些元素做成灯,比如钠元素灯、钾元素灯,然后测量高温蒸发的被测物质会吸收多少这些灯的光线,也能够测量对应元素的浓度,这就是原子吸收光谱法。这种方法不使用被测元素发光,而是使用更稳定更亮的元素灯发光,测量物质吸收的光强,测量的灵敏度大大提高。石墨炉原子吸收法可以测量到 60 μg/L 的钠浓度,通过多次进样还能降检测限提高 10-20 倍[1]。也就是说,在太湖里倒入 10-20kg 的盐,还能够测的到。
不同的元素的一个更典型差异是它们单个原子的质量。通过等离子体火焰将被测物质等离子体化,然后送进质谱仪进行测量的方法叫做 ICP-MS,这是一种灵敏度极高,测量范围极广,并且能区分各种不同元素的分析方法。通过 ICP-MS,能够测量到极其微量的元素,通过这种方法,可以测量到只有 0.1ng/L 的盐浓度。同样的,通过浓缩样品或者长时间连续进样,还能将检测限进一步提升。
能进行多大程度的浓缩取决于“一杯”到底是多大。如果按照每天推荐饮水量 1.6L,每天八杯水计算,一杯水就是 200mL。将它浓缩一百倍后送入 ICP-MS 测量,我们可以测量到一整个太湖里,撒入 4g 盐的浓度,差不多是一汤勺的盐。
还能再给力一点吗!!!
ICP-MS 的问题在于,样品气化电离后,只有一小部分被采样锥吸入质谱仪分析,这一小部分中又只有一小部分是可以被分析的离子,实际上大部分都浪费了。为什么不将物质全部电离,都送进质谱进行分析呢。
分子原子都是带正电的原子核和负电的电子通过电场力结合在一起形成的,电离也就是用外界的能量强行将正负电荷分开,需要消耗的能量是非常巨大的。200g 水完全电离消耗的能量差不多相当于 10kg TNT 爆炸产生的能量,约等于中国人一个人 5 天的生活用电量,如果用等离子体来实现完全电离的话,等离子体的温度将高达 100 万摄氏度。商用的质谱仪需要综合考虑成本和应用场景,因此不会真的将样品完全电离进行测量,测量过程中只有很少的部分真的会电离。
如果不计成本,造一台巨大的设施,利用空心阴极或者其他办法将被测的水完全电离,并且保证从设备到采样器都完完全全没有任何钠元素干扰(最难的在这一步),并且使用分辨率极好的质谱仪将钠和其他元素彻底区分开,用特别高的能量加速离子进行倍增测量。那么这台造假数百亿的设备将能够测出一杯水中的一个钠原子。放在整个太湖来看,也就是在一整个太湖里加入 2 纳克的盐。
2 纳克意味着如果你对太湖打了一个喷嚏,把一滴半径 1mm 的口水喷进了太湖,那么你口水中的少量盐分混在整个太湖里还能被测量出来。
标准的牙签直径是 1.6mm。如果用一厘米的牙签头沾水挑盐,盐的厚度 0.2mm,那么一撮盐的质量就是 23mg,如果混在全地球 3500 万立方千米的淡水资源里,平均一杯水里还会有 1.36 个钠离子。通过泊松分布可以知道,接一杯水起来,仍然有 74%的概率能接到一个钠离子。即使混在整个地球 140 亿立方千米的所有水资源里,平均一杯水仍有 0.034 个钠离子,3.3%的概率能接到一个钠离子。
所以只要有一个足够牛逼的质谱仪,和一点点运气,即使一小撮盐混在整个地球的水里,也还是有机会能测出来的。