地球化学研究所在大气汞被卤素原子氧化产生的同位素分馏方面取得重大进展

 汞（Hg）是一种可通过大气进行长距离传输的全球性污染物。汞具有球状对称结构(Hg⁰,6s¹S₀)，不存在未成对的电子，因此汞是唯一以单原子形态存在于大气中的重金属元素。汞在大气中的化学转化在汞的全球生物地球化学循环中扮演重要的角色。大量研究表明，在地球极地地区，以及对流层-平流层交界面大气中存在较高浓度的活性汞（Hg^II），表明以上地区是大气汞氧化的重要场所。卤素元素（如Br、Cl等）被认为是大气汞的重要氧化剂。因此，研究大气汞的氧化过程对认识全球汞地球化学循环，以及全球大气汞模型的构建，具有重要科学意义。 

 汞同位素地球化学是示踪环境中汞污染来源及其地球化学转换过程的重要手段。近期中国科学院中科院地球化学研究所冯新斌研究员课题组对大气汞氧化过程的动力学及其汞同位素分馏效应开展系统研究，并得出如下重要成果： 

1、获得了单质汞被卤素Br/Cl原子的反应的动力学参数。 在常压室温下的反应速率K_(Cl+Hg)和K_(Br+Hg)分别是(1.8±0.5) × 10^-11 和 (1.6±0.8) × 10^-12  cm³ molecule^-1 s^-1

2、首次实验发现了大气汞的氧化过程中可产生汞同位素质量分馏和奇数汞同位素非质量分馏。单质汞与氯原子和溴原子的氧化过程中，汞同位素质量分馏因子 分别为0.99941± 0.00006（2σ）和1.00074±0.00014（2σ）。单质汞与氯原子的反应，奇数汞同位素非质量分馏∆¹⁹⁹Hg可达~1.2‰ 和∆²⁰¹Hg可达~0.6‰；单质汞与溴原子的反应中，奇数汞同位素分馏相对较小，∆¹⁹⁹Hg为~0.4‰。在Br、Cl与Hg⁰的氧化过程中， ∆¹⁹⁹Hg/∆²⁰¹Hg的比值（图1）分别为1.64 ± 0.30 (2σ)和1.89 ± 0.18 (2σ)，表明氧化过程中主要受到核体积效应驱动。 

　　图1 单质汞与卤素原子氧化反应，产物HgII (filled squares)和反应物Hg0 (filled circles)中汞同位素非质量分馏 ∆¹⁹⁹Hg/∆²⁰¹Hg 的拟合线 

 3、首次通过实验观测到偶数汞同位素Hg²⁰⁰的非质量分馏效应（图2），系统给出了自然界Hg²⁰⁰分馏的理论解释。 

 研究成果" Mass-Dependent and -Independent Fractionation of Mercury Isotope during Gas-Phase Oxidation of Elemental Mercury Vapor by Atomic Cl and Br "发表在国际环境科学顶级杂志《Environmental Science & Technology》上。文章链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.6b01668。 (冯新斌课题组供稿)

　　图2 汞在主要的生物地球化学循环过程中的同位素特征