Химические элементы: состав, свойства и открытие.

Химические элементы: основные понятия. Что такое атомный номер, из чего состоят атомы и чем элементы отличаются от соединений и смесей. ⚛️🔬

32 мин чтения

100%

Источник: Chemical element — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Химическое вещество, не состоящее из более простых веществ.

Химический элемент – это химическое вещество, которое нельзя разложить на другие вещества посредством химических реакций. Основной частицей, составляющей химический элемент, является атом. Химические элементы идентифицируются по количеству протонов в ядрах их атомов, известному как атомный номер элемента. Например, атомный номер кислорода равен 8, что означает, что в ядре каждого атома кислорода содержится 8 протонов. Два или более атомов одного и того же элемента могут объединяться в молекулы, в отличие от химических соединений или смесей, которые содержат атомы разных элементов. Атомы могут превращаться в другие элементы в ядерных реакциях, изменяющих атомный номер атома. Почти вся барионная материя Вселенной состоит из химических элементов (за редким исключением, например, нейтронных звезд). При протекании химических реакций между различными элементами атомы перегруппировываются в новые соединения, связанные химическими связями. Лишь немногие элементы, такие как серебро и золото, встречаются в природе в несвязанном виде в виде относительно чистых самородных минералов. Почти все остальные природные элементы на Земле встречаются в виде соединений или смесей. Воздух в основном представляет собой смесь молекулярного азота и кислорода, хотя он также содержит соединения, включая углекислый газ и воду, а также атомарный аргон – благородный газ, химически инертный и поэтому не вступающий в химические реакции. История открытия и использования элементов началась с первобытных человеческих обществ, которые обнаружили самородные минералы, такие как углерод, сера, медь и золото (хотя концепция химического элемента еще не была сформулирована). Попытки классифицировать подобные материалы привели к возникновению представлений о классических элементах, алхимии и различным аналогичным теориям на протяжении всей истории человечества. Современное понимание элементов во многом сформировалось благодаря работам Дмитрия Менделеева, русского химика, опубликовавшего первую узнаваемую периодическую таблицу в 1869 году. Эта таблица организует элементы в порядке возрастания атомного номера в ряды («периоды»), в которых столбцы («группы») обладают повторяющимися («периодическими») физическими и химическими свойствами. Периодическая таблица обобщает различные свойства элементов, позволяя химикам устанавливать взаимосвязи между ними и делать прогнозы о соединениях и потенциально новых веществах. По состоянию на ноябрь 2016 года Международный союз теоретической и прикладной химии признал в общей сложности 118 элементов. Первые 94 элемента встречаются в природе на Земле, а остальные 24 – синтетические элементы, полученные в ядерных реакциях. За исключением нестабильных радиоактивных элементов (радионуклидов), которые быстро распадаются, почти все элементы доступны в промышленности в различных количествах. Открытие и синтез новых элементов – это продолжающаяся область научных исследований.

A chemical element is a chemical substance that cannot be broken down into other substances by chemical reactions. The basic particle that constitutes a chemical element is the atom. Chemical elements are identified by the number of protons in the nuclei of their atoms, known as the element's atomic number. For example, oxygen has an atomic number of 8, meaning that each oxygen atom has 8 protons in its nucleus. Two or more atoms of the same element can combine to form molecules, in contrast to chemical compounds or mixtures, which contain atoms of different elements. Atoms can be transformed into different elements in nuclear reactions, which change an atom's atomic number. Almost all of the baryonic matter of the universe is composed of chemical elements (among rare exceptions are neutron stars). When different elements undergo chemical reactions, atoms are rearranged into new compounds held together by chemical bonds. Only a few elements, such as silver and gold, are found uncombined as relatively pure native element minerals. Nearly all other naturally occurring elements occur in the Earth as compounds or mixtures. Air is primarily a mixture of molecular nitrogen and oxygen, though it does contain compounds including carbon dioxide and water, as well as atomic argon, a noble gas which is chemically inert and therefore does not undergo chemical reactions. The history of the discovery and use of the elements began with primitive human societies that discovered native minerals like carbon, sulfur, copper and gold (though the concept of a chemical element was not yet understood). Attempts to classify materials such as these resulted in the concepts of classical elements, alchemy, and various similar theories throughout human history. Much of the modern understanding of elements developed from the work of Dmitri Mendeleev, a Russian chemist who published the first recognizable periodic table in 1869. This table organizes the elements by increasing atomic number into rows ("periods") in which the columns ("groups") share recurring ("periodic") physical and chemical properties. The periodic table summarizes various properties of the elements, allowing chemists to derive relationships between them and to make predictions about compounds and potential new ones. By November 2016, the International Union of Pure and Applied Chemistry had recognized a total of 118 elements. The first 94 occur naturally on Earth, and the remaining 24 are synthetic elements produced in nuclear reactions. Save for unstable radioactive elements (radionuclides) which decay quickly, nearly all of the elements are available industrially in varying amounts. The discovery and synthesis of further new elements is an ongoing area of scientific study.

Описание

Самые легкие химические элементы — водород и гелий, оба образованные нуклеосинтезом Большого взрыва в течение первых 20 минут существования Вселенной в соотношении около 3:1 по массе (или 12:1 по числу атомов), вместе с незначительными количествами следующих двух элементов — лития и бериллия. Почти все остальные элементы, встречающиеся в природе, образовались различными естественными методами нуклеосинтеза. На Земле небольшое количество новых атомов естественным образом образуется в нуклеогенных реакциях или в космогенных процессах, таких как расщепление космических лучей. Новые атомы также образуются на Земле естественным путем как радиогенные дочерние изотопы текущих процессов радиоактивного распада, таких как альфа-распад, бета-распад, спонтанное деление, кластерный распад и другие, более редкие типы распада. Из 94 природных элементов каждый имеет по крайней мере один стабильный изотоп (за исключением технеция, элемента 43, и прометия, элемента 61, у которых нет стабильных изотопов). Стабильными считаются изотопы, для которых радиоактивный распад пока не наблюдался. Элементы с атомными номерами 83–94 настолько нестабильны, что радиоактивный распад всех их изотопов может быть обнаружен. Некоторые из этих элементов, в частности висмут (атомный номер 83), торий (атомный номер 90) и уран (атомный номер 92), имеют один или несколько изотопов с периодом полураспада, достаточно длительным, чтобы сохраниться как остатки взрывного звездного нуклеосинтеза, который создал тяжелые металлы до формирования нашей Солнечной системы. Период полураспада висмута-209 (атомный номер 83) составляет более 1,9 года, что более чем в миллиард раз превышает предполагаемый текущий возраст Вселенной, и это самый длительный известный период полураспада альфа-распада среди природных элементов, поэтому его часто приравнивают к 80 стабильным элементам. Самые тяжелые элементы (за пределами плутония, элемента 94) подвергаются радиоактивному распаду с настолько коротким периодом полураспада, что не встречаются в природе и должны быть синтезированы. На сегодняшний день известно 118 элементов. В данном контексте «известный» означает достаточно хорошо изученный, даже по немногим продуктам распада, чтобы его можно было отличить от других элементов. Недавно, в октябре 2006 года, было сообщено о синтезе элемента 118 (оганессон), а в апреле 2010 года — элемента 117 (теннессин). Из этих 118 элементов 94 встречаются в природе на Земле. Шесть из них встречаются в крайне малых количествах: технеций (атомный номер 43), прометий (номер 61), астатин (номер 85), франций (номер 87), нептуний (номер 93) и плутоний (номер 94). Эти 94 элемента были обнаружены во Вселенной в целом, в спектрах звезд и сверхновых, где образуются короткоживущие радиоактивные элементы. Первые 94 элемента были обнаружены непосредственно на Земле в виде первичных нуклидов, присутствующих с момента формирования Солнечной системы, или как продукты естественного деления или трансмутации урана и тория. Оставшиеся 24 более тяжелых элемента, которые сегодня не встречаются ни на Земле, ни в астрономических спектрах, были получены искусственным путем: все они радиоактивны и имеют очень короткий период полураспада. Если какие-либо атомы этих элементов присутствовали при образовании Земли, то они, скорее всего, уже распались, а если они присутствуют в новых звездах, то в количествах, слишком малых для обнаружения. Технеций был первым элементом, который предположительно не встречается в природе и был синтезирован в 1937 году, хотя следовые количества технеция впоследствии были обнаружены в природе (а также существует вероятность, что элемент был открыт естественным путем в 1925 году). Эта закономерность искусственного производства и последующего естественного открытия повторилась с несколькими другими редкими радиоактивными элементами, встречающимися в природе. Список элементов доступен по названию, атомному номеру, плотности, температуре плавления, температуре кипения и символу, а также по энергиям ионизации. Нуклиды стабильных и радиоактивных элементов также доступны в виде списка нуклидов, отсортированного по периоду полураспада для неустойчивых. Одним из наиболее удобных и, безусловно, традиционных способов представления элементов является периодическая таблица, которая объединяет элементы с похожими химическими свойствами (и обычно также с похожей электронной структурой).

The lightest chemical elements are hydrogen and helium, both created by Big Bang nucleosynthesis during the first 20 minutes of the universe in a ratio of around 3:1 by mass (or 12:1 by number of atoms), along with tiny traces of the next two elements, lithium and beryllium. Almost all other elements found in nature were made by various natural methods of nucleosynthesis. On Earth, small amounts of new atoms are naturally produced in nucleogenic reactions, or in cosmogenic processes, such as cosmic ray spallation. New atoms are also naturally produced on Earth as radiogenic daughter isotopes of ongoing radioactive decay processes such as alpha decay, beta decay, spontaneous fission, cluster decay, and other rarer modes of decay. Of the 94 naturally occurring elements, those with atomic numbers 1 through 82 each have at least one stable isotope (except for technetium, element 43 and promethium, element 61, which have no stable isotopes). Isotopes considered stable are those for which no radioactive decay has yet been observed. Elements with atomic numbers 83 through 94 are unstable to the point that radioactive decay of all isotopes can be detected. Some of these elements, notably bismuth (atomic number 83), thorium (atomic number 90), and uranium (atomic number 92), have one or more isotopes with half lives long enough to survive as remnants of the explosive stellar nucleosynthesis that produced the heavy metals before the formation of our Solar System. At over 1.9 years, over a billion times longer than the current estimated age of the universe, bismuth 209 (atomic number 83) has the longest known alpha decay half life of any naturally occurring element, and is almost always considered on par with the 80 stable elements. The very heaviest elements (those beyond plutonium, element 94) undergo radioactive decay with half lives so short that they are not found in nature and must be synthesized. There are now 118 known elements. In this context, "known" means observed well enough, even from just a few decay products, to have been differentiated from other elements. Most recently, the synthesis of element 118 (since named oganesson) was reported in October 2006, and the synthesis of element 117 (tennessine) was reported in April 2010. Of these 118 elements, 94 occur naturally on Earth. Six of these occur in extreme trace quantities: technetium, atomic number 43; promethium, number 61; astatine, number 85; francium, number 87; neptunium, number 93; and plutonium, number 94. These 94 elements have been detected in the universe at large, in the spectra of stars and also supernovae, where short lived radioactive elements are newly being made. The first 94 elements have been detected directly on Earth as primordial nuclides present from the formation of the Solar System, or as naturally occurring fission or transmutation products of uranium and thorium. The remaining 24 heavier elements, not found today either on Earth or in astronomical spectra, have been produced artificially: these are all radioactive, with very short half lives; if any atoms of these elements were present at the formation of Earth, they are extremely likely, to the point of certainty, to have already decayed, and if present in novae have been in quantities too small to have been noted. Technetium was the first purportedly non naturally occurring element synthesized, in 1937, although trace amounts of technetium have since been found in nature (and also the element may have been discovered naturally in 1925). This pattern of artificial production and later natural discovery has been repeated with several other radioactive naturally occurring rare elements. List of the elements are available by name, atomic number, density, melting point, boiling point and by symbol, as well as ionization energies of the elements. The nuclides of stable and radioactive elements are also available as a list of nuclides, sorted by length of half life for those that are unstable. One of the most convenient, and certainly the most traditional presentation of the elements, is in the form of the periodic table, which groups together elements with similar chemical properties (and usually also similar electronic structures).

Атомный номер

Атомный номер элемента равен числу протонов в каждом атоме и определяет этот элемент. Например, все атомы углерода содержат 6 протонов в своем атомном ядре, поэтому атомный номер углерода равен 6. Атомы углерода могут иметь разное количество нейтронов; атомы одного и того же элемента, различающиеся числом нейтронов, называются изотопами этого элемента. Число протонов в атомном ядре также определяет его электрический заряд, который, в свою очередь, определяет количество электронов атома в его неионизированном состоянии. Электроны располагаются на атомных орбиталях, которые определяют различные химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре обычно оказывает незначительное влияние на химические свойства элемента (за исключением водорода и дейтерия). Таким образом, все изотопы углерода обладают практически идентичными химическими свойствами, поскольку все они имеют шесть протонов и шесть электронов, хотя атомы углерода могут содержать, например, 6 или 8 нейтронов. Именно поэтому атомный номер, а не массовое число или атомный вес, считается определяющей характеристикой химического элемента. Обозначение атомного номера – Z.

Изотопы

Изотопы — это атомы одного и того же элемента (то есть с одинаковым количеством протонов в атомном ядре), но с разным количеством нейтронов. Так, например, у углерода три основных изотопа. Все атомы углерода имеют 6 протонов в ядре, но могут содержать 6, 7 или 8 нейтронов. Поскольку их массовые числа равны 12, 13 и 14 соответственно, эти три изотопа углерода известны как углерод-12, углерод-13 и углерод-14, часто обозначаемые как 12C, 13C и 14C. Углерод в повседневной жизни и в химии представляет собой смесь 12C (около 98,9%), 13C (около 1,1%) и примерно 1 атом на триллион 14C. Большинство (66 из 94) природных элементов имеют более одного стабильного изотопа. За исключением изотопов водорода (которые значительно различаются по относительной массе, что достаточно для вызова химических эффектов), изотопы данного элемента химически практически неразличимы. Все элементы имеют некоторые изотопы, являющиеся радиоактивными (радиоизотопами), хотя не все эти радиоизотопы встречаются в природе. Радиоизотопы обычно распадаются на другие элементы, испуская альфа- или бета-частицу. Изотопы, не являющиеся радиоактивными, называются «стабильными» изотопами. Все известные стабильные изотопы встречаются в природе (см. первичный изотоп). Многие радиоизотопы, не встречающиеся в природе, были охарактеризованы после искусственного получения. Некоторые элементы не имеют стабильных изотопов и состоят исключительно из радиоактивных изотопов: в частности, к ним относятся технеций (атомный номер 43), прометий (атомный номер 61) и все известные элементы с атомными номерами больше 82. Из 80 элементов, имеющих хотя бы один стабильный изотоп, 26 имеют только один стабильный изотоп. Среднее количество стабильных изотопов на 80 стабильных элементов составляет 3,1 стабильного изотопа на элемент. Максимальное количество стабильных изотопов, наблюдаемое для одного элемента, равно 10 (для олова, элемент 50).

Изотопная масса и атомная масса

Массовое число элемента, А, – это количество нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Различные изотопы данного элемента различаются по своим массовым числам, которые принято записывать в виде верхнего индекса слева от атомного символа (например, 238U). Массовое число всегда является целым числом и измеряется в "нуклонах". Например, магний-24 (24 – это массовое число) – это атом, содержащий 24 нуклона (12 протонов и 12 нейтронов). В то время как массовое число просто подсчитывает общее количество нейтронов и протонов и, следовательно, является натуральным (или целым) числом, атомная масса конкретного изотопа (или "нуклида") элемента – это масса одного атома этого изотопа, которая обычно выражается в далтонах (символ: Da) или универсальных атомных единицах массы (символ: u). Его относительная атомная масса – это безразмерная величина, равная атомной массе, деленной на постоянную атомной массы, которая равна 1 Да. В общем случае, массовое число данного нуклида незначительно отличается по значению от его относительной атомной массы, поскольку масса каждого протона и нейтрона не равна точно 1 Да; поскольку вклад электронов в атомную массу уменьшается с увеличением числа нейтронов по сравнению с числом протонов; и из-за энергии ядерного связывания и энергии связи электронов. Например, атомная масса хлора-35 с точностью до пяти значащих цифр составляет 34,969 Да, а атомная масса хлора-37 – 36,966 Да. Однако относительная атомная масса каждого изотопа довольно близка к его массовому числу (всегда в пределах 1%). Единственный изотоп, атомная масса которого является точно натуральным числом, – это 12C, который имеет массу 12 Да, поскольку далтон определяется как 1/12 массы свободного нейтрального атома углерода-12 в основном состоянии. Стандартный атомный вес (обычно называемый "атомной массой") элемента – это среднее значение атомных масс всех изотопов химического элемента, встречающихся в определенной среде, взвешенное по изотопному составу относительно единицы атомной массы. Это значение может быть дробным и существенно отличаться от целого числа. Например, относительная атомная масса хлора равна 35,453 u, что значительно отличается от целого числа, поскольку представляет собой среднее значение примерно 76% хлора-35 и 24% хлора-37. Всякий раз, когда относительная атомная масса отличается более чем на 1% от целого числа, это обусловлено эффектом усреднения, поскольку в образце этого элемента присутствует значительное количество более одного изотопа.

The mass number of an element, A, is the number of nucleons (protons and neutrons) in the atomic nucleus. Different isotopes of a given element are distinguished by their mass numbers, which are conventionally written as a superscript on the left hand side of the atomic symbol (e. g. 238U). The mass number is always a whole number and has units of "nucleons". For example, magnesium 24 (24 is the mass number) is an atom with 24 nucleons (12 protons and 12 neutrons). Whereas the mass number simply counts the total number of neutrons and protons and is thus a natural (or whole) number, the atomic mass of a particular isotope (or "nuclide") of the element is the mass of a single atom of that isotope, and is typically expressed in daltons (symbol: Da), or universal atomic mass units (symbol: u). Its relative atomic mass is a dimensionless number equal to the atomic mass divided by the atomic mass constant, which equals 1 Da. In general, the mass number of a given nuclide differs in value slightly from its relative atomic mass, since the mass of each proton and neutron is not exactly 1 Da; since the electrons contribute a lesser share to the atomic mass as neutron number exceeds proton number; and because of the nuclear binding energy and the electron binding energy. For example, the atomic mass of chlorine 35 to five significant digits is 34.969 Da and that of chlorine 37 is 36.966 Da. However, the relative atomic mass of each isotope is quite close to its mass number (always within 1%). The only isotope whose atomic mass is exactly a natural number is 12C, which has a mass of 12 Da because the dalton is defined as 1/12 of the mass of a free neutral carbon 12 atom in the ground state. The standard atomic weight (commonly called "atomic weight") of an element is the average of the atomic masses of all the chemical element's isotopes as found in a particular environment, weighted by isotopic abundance, relative to the atomic mass unit. This number may be a fraction that is not close to a whole number. For example, the relative atomic mass of chlorine is 35.453 u, which differs greatly from a whole number as it is an average of about 76% chlorine 35 and 24% chlorine 37. Whenever a relative atomic mass value differs by more than 1% from a whole number, it is due to this averaging effect, as significant amounts of more than one isotope are naturally present in a sample of that element.

Химически чистые и изотопно чистые

У химиков и ученых-ядерщиков разные определения чистого элемента. В химии чистый элемент означает вещество, атомы которого все (или, на практике, почти все) имеют одинаковое атомное число, то есть количество протонов. Однако ученые-ядерщики определяют чистый элемент как состоящий только из одного стабильного изотопа. Например, медный провод считается химически чистым на 99,99%, если 99,99% его атомов – это медь, каждый атом которой содержит 29 протонов. Однако он не является изотопно чистым, поскольку обычная медь состоит из двух стабильных изотопов: 69% ⁶³Cu и 31% ⁶⁵Cu, различающихся числом нейтронов. В то же время, слиток чистого золота был бы одновременно и химически, и изотопно чистым, так как обычное золото состоит только из одного изотопа – ¹⁹⁷Au.

Аллотропы

Атомы химически чистых элементов могут химически связываться друг с другом более чем одним способом, позволяя чистым элементам существовать в нескольких химических структурах (пространственных расположениях атомов), известных как аллотропные модификации, которые различаются по своим свойствам. Например, углерод встречается в виде алмаза, имеющего тетраэдрическую структуру вокруг каждого атома углерода; графита, состоящего из слоев атомов углерода с гексагональной структурой, уложенных друг на друга; графена, представляющего собой один слой графита, обладающий высокой прочностью; фуллеренов, имеющих почти сферическую форму; и углеродных нанотрубок, являющихся трубками с гексагональной структурой (при этом даже они могут различаться по электрическим свойствам). Способность элемента существовать в одной из множества структурных форм называется аллотропией. Эталонное состояние элемента определяется условно, как правило, как термодинамически наиболее стабильная аллотропная модификация и физическое состояние при давлении 1 бар и заданной температуре (обычно 298,15 К). Однако для фосфора эталонным состоянием является белый фосфор, несмотря на то, что он не является наиболее стабильной аллотропной модификацией. В термохимии элемент определяется как имеющий нулевую энтальпию образования в своем эталонном состоянии. Например, эталонным состоянием углерода является графит, поскольку его структура более стабильна, чем у других аллотропных модификаций.

Свойства

Несколько видов описательных классификаций могут быть широко применены к элементам, включая рассмотрение их общих физических и химических свойств, агрегатных состояний при обычных условиях, температур плавления и кипения, плотности, кристаллической структуры в твердом состоянии и их происхождения.

Общие свойства

Для характеристики общих физических и химических свойств химических элементов обычно используется несколько терминов. Первое различие проводится между металлами, которые легко проводят электричество, неметаллами, которые этого не делают, и небольшой группой (металлоидами), обладающими промежуточными свойствами и часто проявляющими себя как полупроводники. Более детализированная классификация часто представлена в цветных вариантах периодической таблицы. Эта система ограничивает использование терминов "металл" и "неметалл" лишь некоторыми из более общо определенных металлов и неметаллов, добавляя дополнительные термины для определенных групп металлов и неметаллов, рассматриваемых в более широком смысле. Версия этой классификации, используемая в представленных здесь периодических таблицах, включает в себя: актиниды, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, галогены, лантаноиды, переходные металлы, постпереходные металлы, металлоиды, реакционноспособные неметаллы и благородные газы. В этой системе щелочные металлы, щелочноземельные металлы и переходные металлы, а также лантаноиды и актиниды, являются особыми группами металлов в более широком понимании. Аналогично, реакционноспособные неметаллы и благородные газы являются неметаллами в более широком понимании. В некоторых представлениях галогены не выделяются, астат относят к металлоидам, а остальные – к неметаллам.

Состояния материи

Еще одно общеупотребительное основное различие между элементами — это их агрегатное состояние (фаза), будь то твердое, жидкое или газообразное, при выбранной стандартной температуре и давлении (STP). Большинство элементов находятся в твердом состоянии при обычных температурах и атмосферном давлении, в то время как некоторые являются газами. Только бром и ртуть являются жидкостями при 0 градусах Цельсия (32 градуса по Фаренгейту) и нормальном атмосферном давлении; цезий и галлий являются твердыми при этой температуре, но плавятся при 28,4 °C (83,2 °F) и 29,8 °C (85,6 °F) соответственно.

Точки плавления и кипения

Точки плавления и кипения, как правило, выражаются в градусах Цельсия при давлении в одну атмосферу и широко используются для характеристики различных элементов. Хотя эти значения известны для большинства элементов, одно или оба измерения остаются неопределенными для некоторых радиоактивных элементов, доступных лишь в незначительных количествах. Поскольку гелий остается в жидком состоянии даже при абсолютном нуле при атмосферном давлении, у него есть только точка кипения, но отсутствует точка плавления в общепринятых представлениях.

Плотность

Плотность при выбранной стандартной температуре и давлении (STP) часто используется для характеристики элементов. Плотность обычно выражается в граммах на кубический сантиметр (г/см³). Поскольку ряд элементов находятся в газообразном состоянии при обычных температурах, их плотности обычно приводятся для газообразных форм; при переходе в жидкое или твердое состояние плотность этих элементов становится сопоставимой с плотностью других элементов. Если элемент имеет аллотропные модификации с разной плотностью, в обзорах обычно указывается плотность одной типичной модификации, а плотности для каждой модификации приводятся при более детальном описании. Например, три известные аллотропные модификации углерода (аморфный углерод, графит и алмаз) имеют плотности 1,8–2,1, 2,267 и 3,515 г/см³ соответственно.

Кристальные структуры

Элементы, изученные на сегодняшний день в виде твердых образцов, обладают восемью типами кристаллических структур: кубической, гранецентрированной кубической, объёмноцентрированной кубической, гексагональной, моноклинной, орторомбической, ромбоэдрической и тетрагональной. Для некоторых синтезированных трансурановых элементов доступные образцы были слишком малы для определения их кристаллических структур.

Возникновение и происхождение на Земле

Химические элементы также могут быть классифицированы по их происхождению на Земле, причём первые 94 считаются природными, а элементы с атомными номерами больше 94 были получены искусственно как синтетические продукты ядерных реакций, вызванных человеком. Из 94 природных элементов 83 считаются первичными и являются либо стабильными, либо слабо радиоактивными. Оставшиеся 11 природных элементов имеют период полураспада, слишком короткий для того, чтобы присутствовать на заре Солнечной системы, и поэтому считаются преходящими. Из этих 11 преходящих элементов 5 (полоний, радон, радий, актиний и протактиний) являются относительно распространёнными продуктами распада тория и урана. Оставшиеся 6 преходящих элементов (технеций, прометий, астатин, франций, нептуний и плутоний) встречаются лишь изредка, как продукты редких видов распада или ядерных реакций с участием урана или других тяжёлых элементов. Радиоактивный распад не наблюдался для элементов с атомными номерами от 1 до 82, за исключением 43 (технеций) и 61 (прометий). Однако, наблюдательно стабильные изотопы некоторых элементов (таких как вольфрам и свинец) предположительно обладают слабой радиоактивностью с очень длительным периодом полураспада: например, предсказанный период полураспада для наблюдательно стабильных изотопов свинца варьируется от 1035 до 10189 лет. Элементы с атомными номерами 43, 61 и от 83 до 94 достаточно нестабильны, чтобы их радиоактивный распад можно было легко обнаружить. Три из этих элементов – висмут (элемент 83), торий (элемент 90) и уран (элемент 92) – имеют один или несколько изотопов с периодом полураспада, достаточно длительным, чтобы сохраниться как остатки взрывного звёздного нуклеосинтеза, который создал тяжёлые элементы до формирования Солнечной системы. Например, период полураспада висмута-209 составляет более 1,9 года, что более чем в миллиард раз превышает текущую оценку возраста Вселенной, и это самый длительный известный период полураспада альфа-распада среди природных элементов. Самые тяжёлые 24 элемента (за пределами плутония, элемента 94) подвергаются радиоактивному распаду с коротким периодом полураспада и не могут образовываться как продукты распада более долгоживущих элементов, поэтому они вообще не встречаются в природе.

Chemical elements may also be categorized by their origin on Earth, with the first 94 considered naturally occurring, while those with atomic numbers beyond 94 have only been produced artificially as the synthetic products of human made nuclear reactions. Of the 94 naturally occurring elements, 83 are considered primordial and either stable or weakly radioactive. The remaining 11 naturally occurring elements possess half lives too short for them to have been present at the beginning of the Solar System, and are therefore considered transient elements. Of these 11 transient elements, 5 (polonium, radon, radium, actinium, and protactinium) are relatively common decay products of thorium and uranium. The remaining 6 transient elements (technetium, promethium, astatine, francium, neptunium, and plutonium) occur only rarely, as products of rare decay modes or nuclear reaction processes involving uranium or other heavy elements. No radioactive decay has been observed for elements with atomic numbers 1 through 82, except 43 (technetium) and 61 (promethium). Observationally stable isotopes of some elements (such as tungsten and lead), however, are predicted to be slightly radioactive with very long half lives: for example, the half lives predicted for the observationally stable lead isotopes range from 1035 to 10189 years. Elements with atomic numbers 43, 61, and 83 through 94 are unstable enough that their radioactive decay can readily be detected. Three of these elements, bismuth (element 83), thorium (element 90), and uranium (element 92) have one or more isotopes with half lives long enough to survive as remnants of the explosive stellar nucleosynthesis that produced the heavy elements before the formation of the Solar System. For example, at over 1.9 years, over a billion times longer than the current estimated age of the universe, bismuth 209 has the longest known alpha decay half life of any naturally occurring element. The very heaviest 24 elements (those beyond plutonium, element 94) undergo radioactive decay with short half lives and cannot be produced as daughters of longer lived elements, and thus are not known to occur in nature at all.

Периодическая таблица

Свойства химических элементов часто обобщаются с помощью периодической таблицы, которая мощно и элегантно организует элементы в порядке возрастания атомного номера в ряды ("периоды"), в столбцах которых ("группах") проявляются повторяющиеся ("периодические") физические и химические свойства. Современная стандартная таблица содержит 118 подтвержденных элементов по состоянию на 2021 год. Хотя более ранние прототипы этой системы существовали, ее изобретение обычно приписывают русскому химику Дмитрию Менделееву в 1869 году, который задумывал таблицу как иллюстрацию закономерностей в свойствах элементов. Структура таблицы совершенствовалась и расширялась по мере открытия новых элементов и разработки новых теоретических моделей для объяснения химического поведения. Использование периодической таблицы стало повсеместным в академической химии, предоставляя чрезвычайно полезную основу для классификации, систематизации и сравнения различных проявлений химического поведения. Таблица также широко применяется в физике, геологии, биологии, материаловедении, инженерии, сельском хозяйстве, медицине, диетологии, охране окружающей среды и астрономии. Ее принципы особенно важны в химической инженерии.

Номенклатура и символы

Различные химические элементы однозначно идентифицируются по их уникальным атомным номерам, общепринятым названиям и символам.

Атомные числа

Известные элементы имеют атомные номера от 1 до 118, обычно представленные арабскими цифрами. Поскольку элементы могут быть однозначно упорядочены по атомному номеру, как правило, от наименьшего к наибольшему (как в периодической таблице), наборы элементов иногда указываются обозначениями типа "вплоть до", "после" или "от… до", например, "вплоть до железа", "после урана" или "от лантана до лютеция". Термины "легкий" и "тяжелый" иногда также используются в неформальном контексте для обозначения относительных атомных номеров (а не плотности), например, "легче углерода" или "тяжелее свинца", хотя строго говоря масса атомов элемента (их атомный вес или атомная масса) не всегда монотонно возрастает с увеличением атомного номера.

Названия элементов

Название различных веществ, теперь известных как элементы, предшествует атомной теории материи, поскольку названия давались местно различными культурами различным минералам, металлам, соединениям, сплавам, смесям и другим материалам, хотя в то время не было известно, какие химические вещества являются элементами, а какие – соединениями. По мере их идентификации в качестве элементов, существующие названия для давно известных элементов (например, золото, ртуть, железо) сохранялись в большинстве стран. Национальные различия возникали в названиях элементов из-за удобства, лингвистических нюансов или национализма. Вот несколько примеров: немецкоязычные используют "Wasserstoff" (водное вещество) для обозначения "водорода", "Sauerstoff" (кислотное вещество) для "кислорода" и "Stickstoff" (удушающее вещество) для "азота", в то время как в английском и некоторых романских языках используется "sodium" для "натрия" и "potassium" для "калия", а французы, итальянцы, греки, португальцы и поляки предпочитают "azote/azot/azoto" (от корней, означающих "без жизни") для "азота". Для целей международного общения и торговли официальные названия химических элементов, как древних, так и недавно открытых, определяет Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC), который выработал своего рода международный английский язык, опираясь на традиционные английские названия, даже когда химический символ элемента основан на латинском или другом традиционном слове, например, приняв "gold" вместо "aurum" для 79-го элемента (Au). IUPAC предпочитает британское написание "aluminium" и "caesium" американскому "aluminum" и "cesium", а американское "sulfur" британскому "sulphur". Однако элементы, которые целесообразно продавать оптом во многих странах, часто по-прежнему имеют местные национальные названия, а страны, чей национальный язык не использует латинский алфавит, скорее всего, будут использовать названия элементов, установленные IUPAC. Согласно IUPAC, химические элементы не являются именами собственными в английском языке; следовательно, полное название элемента обычно не пишется с заглавной буквы, даже если оно происходит от имени собственного, как в случае с калифорнием и эйнштейнием. Названия изотопов химических элементов также не пишутся с заглавной буквы, если они записаны словами, например, углерод-12 или уран-235. Символы химических элементов (например, Cf для калифорния и Es для эйнштейния) всегда пишутся с заглавной буквы (см. ниже). Во второй половине двадцатого века физические лаборатории получили возможность создавать ядра химических элементов с периодом полураспада, слишком коротким для существенного количества этих элементов в любой момент времени. Они также получают названия от IUPAC, который обычно принимает название, предложенное первооткрывателем. Эта практика может приводить к спорному вопросу о том, какая исследовательская группа на самом деле открыла элемент, что задержало присвоение названий элементам с атомными номерами 104 и выше на значительный срок. (См. статью о спорах по поводу наименований элементов). Предшественниками подобных споров были националистические названия элементов в конце XIX века. Например, лютеций был назван в честь Парижа, Франция. Немцы не желали уступать французам право на присвоение названия, часто называя его кассиопеем. Аналогично, британский исследователь ниобия первоначально назвал его колумбием, в честь Нового Света. Это название широко использовалось в американских публикациях до международной стандартизации (в 1950 году).

The naming of various substances now known as elements precedes the atomic theory of matter, as names were given locally by various cultures to various minerals, metals, compounds, alloys, mixtures, and other materials, although at the time it was not known which chemicals were elements and which compounds. As they were identified as elements, the existing names for anciently known elements (e. g., gold, mercury, iron) were kept in most countries. National differences emerged over the names of elements either for convenience, linguistic niceties, or nationalism. For a few illustrative examples: German speakers use "Wasserstoff" (water substance) for "hydrogen", "Sauerstoff" (acid substance) for "oxygen" and "Stickstoff" (smothering substance) for "nitrogen", while English and some romance languages use "sodium" for "natrium" and "potassium" for "kalium", and the French, Italians, Greeks, Portuguese and Poles prefer "azote/azot/azoto" (from roots meaning "no life") for "nitrogen". For purposes of international communication and trade, the official names of the chemical elements both ancient and more recently recognized are decided by the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), which has decided on a sort of international English language, drawing on traditional English names even when an element's chemical symbol is based on a Latin or other traditional word, for example adopting "gold" rather than "aurum" as the name for the 79th element (Au). IUPAC prefers the British spellings "aluminium" and "caesium" over the U. S. spellings "aluminum" and "cesium", and the U. S. "sulfur" over the British "sulphur". However, elements that are practical to sell in bulk in many countries often still have locally used national names, and countries whose national language does not use the Latin alphabet are likely to use the IUPAC element names. According to IUPAC, chemical elements are not proper nouns in English; consequently, the full name of an element is not routinely capitalized in English, even if derived from a proper noun, as in californium and einsteinium. Isotope names of chemical elements are also uncapitalized if written out, e. g., carbon 12 or uranium 235. Chemical element symbols (such as Cf for californium and Es for einsteinium), are always capitalized (see below). In the second half of the twentieth century, physics laboratories became able to produce nuclei of chemical elements with half lives too short for an appreciable amount of them to exist at any time. These are also named by IUPAC, which generally adopts the name chosen by the discoverer. This practice can lead to the controversial question of which research group actually discovered an element, a question that delayed the naming of elements with atomic number of 104 and higher for a considerable amount of time. (See element naming controversy). Precursors of such controversies involved the nationalistic namings of elements in the late 19th century. For example, lutetium was named in reference to Paris, France. The Germans were reluctant to relinquish naming rights to the French, often calling it cassiopeium. Similarly, the British discoverer of niobium originally named it columbium, in reference to the New World. It was used extensively as such by American publications before the international standardization (in 1950).

Специфические химические элементы

До того, как химия стала наукой, алхимики разработали таинственные символы как для металлов, так и для обычных соединений. Однако они использовались как сокращения в схемах или процедурах; не было представления о том, что атомы объединяются, образуя молекулы. Благодаря своим достижениям в атомной теории материи, Джон Дальтон разработал собственные более простые символы, основанные на кругах, для изображения молекул. Современная система химической нотации была изобретена Йёнсом Якобом Берцелиусом в 1814 году. В этой типографской системе химические символы – это не просто сокращения, хотя каждый из них состоит из букв латинского алфавита. Они предназначены как универсальные символы для людей всех языков и алфавитов. Поскольку латынь была общим языком науки во времена Берцелиуса, его символы были сокращениями, основанными на латинских названиях элементов (это могли быть классические латинские названия элементарных веществ, известных с античности, или неологизмы новолатинского происхождения для более поздних элементов). Символы не заканчиваются точкой, как сокращения. В большинстве случаев латинские названия элементов, использованные Берцелиусом, имеют те же корни, что и современные английские названия. Например, у водорода химический символ "H" происходит от новолатинского hydrogenium, имеющего те же древнегреческие корни, что и английское hydrogen. Однако в одиннадцати случаях латинские (в варианте Берцелиуса) и английские названия элементов имеют разные корни. Восемь из них – это семь металлов античности и металлоид, также известный с древних времён: "Fe" (лат. ferrum) для железа, "Hg" (лат. hydrargyrum) для ртути, "Sn" (лат. stannum) для олова, "Au" (лат. aurum) для золота, "Ag" (лат. argentum) для серебра, "Pb" (лат. plumbum) для свинца, "Cu" (лат. cuprum) для меди и "Sb" (лат. stibium) для сурьмы. Три других расхождения между новолатинскими (в варианте Берцелиуса) и английскими названиями – это "Na" (новолатинское natrium) для натрия, "K" (новолатинское kalium) для калия и "W" (новолатинское wolframium) для вольфрама. Эти расхождения возникли из-за различных предложений по наименованию элементов в Новое время. Первоначально Берцелиус предложил "So" и "Po" для натрия и калия, но позже в том же году он изменил символы на "Na" и "K". Элементам, открытым после 1814 года, также присваивались уникальные химические символы, основанные на названии элемента. Использование латыни как универсального языка науки постепенно уходило в прошлое, но химические названия вновь открытых элементов стали заимствоваться из языка в язык без изменений или с незначительными модификациями. Символы элементов, открытых после 1814 года, соответствуют их названиям на английском, французском (не учитывая острое ударение) и немецком языках (хотя в немецком языке во многих случаях допускается альтернативное написание с или вместо : например, название цезия может быть написано Caesium, Cäsium или Zäsium на немецком языке, но его символ всегда "Cs"). Другие языки иногда изменяют написание названий элементов: испанское iterbio (иттербий), итальянское afnio (гафний), шведское moskovium (московий); но эти изменения не влияют на химические символы: "Yb", "Hf", "Mc". Химические символы понятны на международном уровне, когда названия элементов могут требовать перевода. В прошлом случались разногласия. Например, немцы в прошлом использовали "J" (для альтернативного названия Jod) для йода, но теперь используют "I" и Iod. Первая буква химического символа всегда пишется с заглавной буквы, как в предыдущих примерах, а последующие буквы, если они есть, всегда строчными. Таким образом, символы для калифорния и эйнштейния – Cf и Es.

Before chemistry became a science, alchemists had designed arcane symbols for both metals and common compounds. These were however used as abbreviations in diagrams or procedures; there was no concept of atoms combining to form molecules. With his advances in the atomic theory of matter, John Dalton devised his own simpler symbols, based on circles, to depict molecules. The current system of chemical notation was invented by Jöns Jakob Berzelius in 1814. In this typographical system, chemical symbols are not mere abbreviations—though each consists of letters of the Latin alphabet. They are intended as universal symbols for people of all languages and alphabets. Since Latin was the common language of science at Berzelius's time, his symbols were abbreviations based on the Latin names of elements (they may be Classical Latin names of elementary substances known since antiquity or Neo Latin coinages for later elements). The symbols are not followed by a period (full stop) as with abbreviations. In most cases, Latin names of elements as used by Berzelius have the same roots as modern English names. For example, hydrogen has the chemical symbol "H" after the Neo Latin hydrogenium, which has the same Ancient Greek roots as English hydrogen. However, in eleven cases Latin (as used by Berzelius) and English names of elements have different roots. Eight of them are the seven metals of antiquity and a metalloid also known since antiquity: "Fe" (Latin ferrum) for iron, "Hg" (Latin hydrargyrum) for mercury, "Sn" (Latin stannum) for tin, "Au" (Latin aurum) for gold, "Ag" (Latin argentum) for silver, "Pb" (Latin plumbum) for lead, "Cu" (Latin cuprum) for copper, and "Sb" (Latin stibium) for antimony. The three other mismatches between Neo Latin (as used by Berzelius) and English names are "Na" (Neo Latin natrium) for sodium, "K" (Neo Latin kalium) for potassium, and "W" (Neo Latin wolframium) for tungsten. These mismatches came from different suggestings of naming the elements in the Modern era. Initially Berzelius suggested "So" and "Po" for sodium and potassium, but he changed the symbols to "Na" and "K" later in the same year. Elements discovered after 1814 were also assigned unique chemical symbols, based on the name of the element. The use of Latin as the universal language of science was fading, but chemical names of newly discovered elements came to be borrowed from language to language without or with little modifications. Symbols of elements discovered after 1814 match their names in English, French (ignoring the acute accent on ), and German (although German in many cases allows alternative spellings with or instead of : e. g., the name of caesium may be spelled Caesium, Cäsium, or Zäsium in German, but its symbol is always "Cs"). Other languages sometimes modify element name spellings: Spanish iterbio (ytterbium), Italian afnio (hafnium), Swedish moskovium (moscovium); but those modifications do not affect chemical symbols: "Yb", "Hf", "Mc". Chemical symbols are understood internationally when element names might require translation. There have sometimes been differences in the past. For example, Germans in the past have used "J" (for the alternate name Jod) for iodine, but now use "I" and Iod. The first letter of a chemical symbol is always capitalized, as in the preceding examples, and the subsequent letters, if any, are always lower case (small letters). Thus, the symbols for californium and einsteinium are Cf and Es.

Общие химические символы

Также в химических уравнениях используются символы для групп химических элементов, например, в сравнительных формулах. Обычно это одна заглавная буква, и эти буквы зарезервированы и не используются для обозначения конкретных элементов. Например, "X" обозначает переменную группу (чаще всего галоген) в классе соединений, а "R" – радикал, то есть структурный фрагмент соединения, например, углеводородная цепь. Буква "Q" зарезервирована для обозначения "теплоты" в химической реакции. "Y" также часто используется как общий химический символ, хотя он также является символом иттрия. "Z" также часто используется для обозначения общей переменной группы. В органической химии "E" используется для обозначения электроноакцепторной группы или электрофила; аналогично, "Nu" обозначает нуклеофил. "L" используется для обозначения общего лиганда в неорганической и органометаллической химии. "M" часто используется вместо обозначения общего металла. Кроме того, в неформальной практике используются как минимум два дополнительных двухбуквенных символа для обозначения групп элементов: "Ln" – для любого лантаноида и "An" – для любого актинида. Символ "Rg" ранее использовался для обозначения любого редкого газа, но группа редких газов теперь называется благородными газами, а символ "Rg" присвоен элементу роентгению.

Символы изотопов

Изотопы различаются по массовому числу (общему числу протонов и нейтронов) для конкретного изотопа элемента, при этом это число сочетается с символом соответствующего элемента. IUPAC рекомендует, когда это возможно, записывать символы изотопов в виде верхнего индекса, например 12C и 235U. Однако также используются и другие обозначения, такие как углерод-12 и уран-235, или C-12 и U-235. В качестве особого случая три природных изотопа водорода часто обозначаются как H для 1H (протий), D для 2H (дейтерий) и T для 3H (тритий). Это обозначение упрощает использование в химических уравнениях, избавляя от необходимости указывать массовое число для каждого атома. Например, формула тяжелой воды может быть записана как D2O вместо 2H2O.

Происхождение элементов

Только около 4% от общей массы Вселенной состоит из атомов или ионов и, следовательно, представлена химическими элементами. Эта доля составляет около 15% от общего количества материи, а остальная часть материи (85%) – это темная материя. Природа темной материи неизвестна, но она не состоит из атомов химических элементов, поскольку не содержит протонов, нейтронов или электронов. (Оставшаяся, не являющаяся материей, часть массы Вселенной состоит из еще менее понятной темной энергии). 94 химических элемента, встречающихся в природе, образовались в результате как минимум четырех классов астрофизических процессов. Большая часть водорода, гелия и очень небольшое количество лития образовались в первые несколько минут Большого взрыва. Этот первичный нуклеосинтез произошел лишь однажды; остальные процессы продолжаются. Ядерный синтез внутри звезд производит элементы посредством звездного нуклеосинтеза, включая все элементы от углерода до железа по атомному номеру. Элементы с атомным номером выше железа, включая тяжелые элементы, такие как уран и плутоний, образуются различными формами взрывного нуклеосинтеза в сверхновых и при слияниях нейтронных звезд. Легкие элементы – литий, бериллий и бор – образуются главным образом в результате спалляции космических лучей (фрагментации, вызванной космическими лучами) углерода, азота и кислорода. На ранних этапах Большого взрыва нуклеосинтез ядер водорода привел к образованию водорода-1 (протия, 1H) и гелия-4 (4He), а также меньшего количества дейтерия (2H) и очень незначительных количеств (порядка 10−10) лития и бериллия. Возможно, в Большом взрыве образовалось еще меньшее количество бора, поскольку он был обнаружен в некоторых очень старых звездах, в то время как углерод – нет. В Большом взрыве не образовалось элементов тяжелее бора. В результате первоначальное содержание атомов (или ионов) составляло примерно 75% 1H, 25% 4He и 0,01% дейтерия, с незначительными следами лития, бериллия и, возможно, бора. Последующее обогащение галактических гало произошло за счет звездного нуклеосинтеза и нуклеосинтеза сверхновых. Однако содержание элементов в межгалактическом пространстве все еще может быть близко к первоначальному, если оно не было обогащено каким-либо образом. На Земле (и в других местах) следовые количества различных элементов продолжают образовываться из других элементов как продукты процессов ядерной трансмутации. К ним относятся некоторые, образующиеся под воздействием космических лучей или других ядерных реакций (см. космогенные и нуклеогенные нуклиды), а также другие, образующиеся в результате распада долгоживущих первичных нуклидов. Например, следовые (но обнаруживаемые) количества углерода-14 (14C) постоянно образуются в атмосфере под воздействием космических лучей на атомы азота, а аргон-40 (40Ar) постоянно образуется при распаде первичного, но нестабильного калия-40 (40K). Кроме того, три первичных, но радиоактивных актинида – торий, уран и плутоний – распадаются через ряд периодически образующихся, но нестабильных радиоактивных элементов, таких как радий и радон, которые временно присутствуют в любом образце этих металлов или их руд или соединений. Три других радиоактивных элемента – технеций, прометий и нептуний – встречаются в природных материалах лишь случайно, образуясь в виде отдельных атомов в результате ядерного деления ядер различных тяжелых элементов или в других редких ядерных процессах. Помимо 94 природных элементов, несколько искусственных элементов были созданы с помощью ядерных технологий. По состоянию на 2021 год в ходе этих экспериментов были получены все элементы до атомного номера 118.

Only about 4% of the total mass of the universe is made of atoms or ions, and thus represented by chemical elements. This fraction is about 15% of the total matter, with the remainder of the matter (85%) being dark matter. The nature of dark matter is unknown, but it is not composed of atoms of chemical elements because it contains no protons, neutrons, or electrons. (The remaining non matter part of the mass of the universe is composed of the even less well understood dark energy). The 94 naturally occurring chemical elements were produced by at least four classes of astrophysical process. Most of the hydrogen, helium and a very small quantity of lithium were produced in the first few minutes of the Big Bang. This Big Bang nucleosynthesis happened only once; the other processes are ongoing. Nuclear fusion inside stars produces elements through stellar nucleosynthesis, including all elements from carbon to iron in atomic number. Elements higher in atomic number than iron, including heavy elements like uranium and plutonium, are produced by various forms of explosive nucleosynthesis in supernovae and neutron star mergers. The light elements lithium, beryllium and boron are produced mostly through cosmic ray spallation (fragmentation induced by cosmic rays) of carbon, nitrogen, and oxygen. During the early phases of the Big Bang, nucleosynthesis of hydrogen nuclei resulted in the production of hydrogen 1 (protium, 1H) and helium 4 (4He), as well as a smaller amount of deuterium (2H) and very minuscule amounts (on the order of 10−10) of lithium and beryllium. Even smaller amounts of boron may have been produced in the Big Bang, since it has been observed in some very old stars, while carbon has not. No elements heavier than boron were produced in the Big Bang. As a result, the primordial abundance of atoms (or ions) consisted of roughly 75% 1H, 25% 4He, and 0.01% deuterium, with only tiny traces of lithium, beryllium, and perhaps boron. Subsequent enrichment of galactic halos occurred due to stellar nucleosynthesis and supernova nucleosynthesis. However, the element abundance in intergalactic space can still closely resemble primordial conditions, unless it has been enriched by some means. On Earth (and elsewhere), trace amounts of various elements continue to be produced from other elements as products of nuclear transmutation processes. These include some produced by cosmic rays or other nuclear reactions (see cosmogenic and nucleogenic nuclides), and others produced as decay products of long lived primordial nuclides. For example, trace (but detectable) amounts of carbon 14 (14C) are continually produced in the atmosphere by cosmic rays impacting nitrogen atoms, and argon 40 (40Ar) is continually produced by the decay of primordially occurring but unstable potassium 40 (40K). Also, three primordially occurring but radioactive actinides, thorium, uranium, and plutonium, decay through a series of recurrently produced but unstable radioactive elements such as radium and radon, which are transiently present in any sample of these metals or their ores or compounds. Three other radioactive elements, technetium, promethium, and neptunium, occur only incidentally in natural materials, produced as individual atoms by nuclear fission of the nuclei of various heavy elements or in other rare nuclear processes. In addition to the 94 naturally occurring elements, several artificial elements have been produced by human nuclear physics technology. as of 2021, these experiments have produced all elements up to atomic number 118.

Развитие определений

Понятие "элемента" как неделимого вещества прошло через три основных исторических этапа: классические представления (например, у древних греков), химические определения и атомные определения.

Классические определения

Древняя философия постулировала набор классических элементов для объяснения наблюдаемых закономерностей в природе. Эти элементы изначально относились к земле, воде, воздуху и огню, а не к химическим элементам современной науки. Термин «элементы» (stoicheia) впервые использовал греческий философ Платон около 360 года до н.э. в своем диалоге «Тимей», который включает обсуждение состава неорганических и органических тел и является спекулятивным трактатом по химии. Платон полагал, что элементы, предложенные Эмпедоклом столетие ранее, состоят из небольших многогранников: тетраэдра (огонь), октаэдра (воздух), икосаэдра (вода) и куба (земля). Аристотель, ок. 350 г. до н.э., также использовал термин stoicheia и добавил пятый элемент, называемый эфиром, из которого состоят небеса. Аристотель определял элемент как:

Элемент – одно из тех тел, на которые другие тела могут быть разложены, и которое само по себе не может быть разделено на составные части.

Роберт Бойл

В 1661 году в книге «Скептический химик» Роберт Бойл предложил свою теорию корпускуляризма, которая склонялась к анализу материи как состоящей из неразложимых единиц материи (атомов). Отказавшись поддерживать как взгляд Аристотеля на четыре элемента, так и точку зрения Парацельса на три основополагающих элемента, Бойл оставил открытым вопрос о количестве элементов. Он возражал против предопределенного числа элементов – напрямую против трех принципов Парацельса (серы, ртути и соли), косвенно против «аристотелевских» элементов (земли, воды, воздуха и огня), поскольку Бойл считал, что аргументы против первых были по крайней мере столь же убедительны против последних. Затем Бойл изложил свою точку зрения в четырех положениях. В первом и втором он предположил, что материя состоит из частиц, но эти частицы могут быть трудно разделить. Бойл использовал понятие «корпускул» – или «атомов», как он их также называл – чтобы объяснить, как ограниченное число элементов может объединяться в огромное количество соединений. Бойл объяснил, что золото реагирует с царской водкой, а ртуть – с азотной, серной кислотами и серой, образуя различные «соединения», из которых можно было бы извлечь элементы, как и следовало ожидать. Однако Бойл не считал золото, ртуть или свинец элементами, а скорее – вместе с вином – «совершенно смешанными телами». Несмотря на то, что Бойля в основном считают первым современным химиком, «Скептический химик» все еще содержит устаревшие представления об элементах, чуждые современной точке зрения. Например, сера – это не только знакомый желтый неметалл, но и легковоспламеняющийся «дух».

Исаак Уоттс

В 1724 году английский священник и логик Исаак Уоттс перечислил элементы, известные химикам в то время, в своей книге "Логика". В список элементов Уоттса входили два принципа Парацельса (сера и соль) и два классических элемента (земля и вода), а также "дух". Однако Уоттс отметил отсутствие единого мнения среди химиков. text=Элементы – это вещества, которые нельзя разложить или свести к двум или более веществам различного рода. Последователи Аристотеля считали огонь, воздух, землю и воду четырьмя элементами, из которых состоят все земные вещи; они полагали, что небеса состоят из квинтэссенции, или пятого типа материи, отличного от всех этих. Но, поскольку экспериментальная философия стала лучше понятна, это учение было полностью опровергнуто. Химики считают дух, соль, серу, воду и землю своими пятью элементами, поскольку они могут свести все земные вещи к этим пяти: хотя они и не все согласны.

Антуан Лавуазье, Йонс Якоб Берзелиус и Дмитрий Менделеев

Первый современный список химических элементов был представлен в книге Антуана Лавуазье "Элементы химии", опубликованной в 1789 году, и содержал тридцать три элемента, включая свет и теплоту. К 1818 году Йёнс Якоб Берцелиус определил атомные массы для сорока пяти из сорока девяти элементов, признанных на тот момент. В периодической таблице 1869 года, созданной Дмитрием Менделеевым, было шестьдесят три элемента. От Бойля и до начала XX века элемент определялся как чистое вещество, которое нельзя разложить на более простые вещества. Иными словами, химический элемент нельзя превратить в другие химические элементы посредством химических реакций. В этот период элементы обычно различали по их атомным массам – свойству, которое можно было достаточно точно измерить доступными аналитическими методами.

Атомные определения

Открытие, сделанное английским физиком Генри Мозли в 1913 году, о том, что ядерный заряд является физической основой атомного номера атома, было уточнено по мере понимания природы протонов и нейтронов и в конечном итоге привело к современному определению элемента, основанному на атомном номере (количестве протонов в атомном ядре). Использование атомных номеров, а не атомных масс, для идентификации элементов обладает большей предсказательной силой (поскольку это целые числа) и устраняет некоторые неоднозначности, возникающие в химическом подходе из-за различных свойств изотопов и аллотропов одного и того же элемента. В настоящее время IUPAC определяет элемент как существующий, если у него есть изотопы с периодом полураспада, превышающим 10−14 секунд, необходимых для формирования электронного облака вокруг ядра. К 1914 году было известно восемьдесят семь элементов, все из которых встречались в природе (см. Хронологию открытий химических элементов). Остальные природные элементы были открыты или выделены в последующие десятилетия, а также синтезировано множество дополнительных элементов, значительная часть работы по которым была начата Гленном Т. Сиборгом. В 1955 году был открыт элемент 101 и назван менделевием в честь Д. И. Менделеева, впервые систематизировавшего элементы в периодическом порядке.

Недавно обнаруженные элементы

Первым трансурановым элементом (элементом с атомным номером больше 92) был открыт нептуний в 1940 году. С 1999 года заявления об открытии новых элементов рассматриваются совместной рабочей группой IUPAC/IUPAP. По состоянию на январь 2016 года все 118 элементов были подтверждены IUPAC как открытые. Открытие элемента 112 было признано в 2009 году, и для него были предложены название коперниций и атомный символ Cn. Название и символ были официально утверждены IUPAC 19 февраля 2010 года. Самый тяжелый элемент, который, как считается, был синтезирован на сегодняшний день, – это элемент 118, оганесон, 9 октября 2006 года в Лаборатории ядерных реакций им. Флерова в Дубне, Россия. Теннессин, элемент 117, был последним элементом, открытие которого было заявлено в 2009 году. 28 ноября 2016 года ученые IUPAC официально признали названия четырех новых химических элементов с атомными номерами 113, 115, 117 и 118.

Список 118 известных химических элементов

В следующей отсортированной таблице представлены 118 известных химических элементов. Атомный номер, элемент и символ являются независимыми уникальными идентификаторами. Названия элементов соответствуют принятым IUPAC. Блок указывает на принадлежность элемента к блоку периодической таблицы: красный – s-блок, желтый – p-блок, синий – d-блок, зеленый – f-блок. Группа и период указывают положение элемента в периодической таблице. Номера групп приведены в современной нумерации; для устаревших систем нумерации см. статью «Группа (периодическая таблица)».