化學元素

概览

化学元素中最轻的两个元素分别是氢和氦，都是在宇宙形成的前20分钟由太初核合成所产生的，一开始的质量比率为3:1（原子数比例则为12:1），当时也产生了极微量的锂及铍。几乎其他自然存在的元素都是经由自然的核合成而产生的。地球上有少量的新元素是由核生成反应产生，或是宇宙生成（cosmogenic）反应（例如宇宙射线散裂）所产生。地球上的新元素也都可能是放射性的衰变产物，衰变过程是一些放射性过程，例如α衰变、β衰变、自发裂变、簇衰变等，也有些较少见的衰变过程。
在自然界存在的94种化学元素中，原子序1至82的元素几乎有至少一个稳定同位素（只有原子序43的锝以及原子序61的钷例外）。对于某一个同位素，若始终没有观测到它的核衰变反应，即视为稳定同位素。原子序83至94的元素是放射性同位素，其中所有的同位素都有核衰变反应。其中有些元素，例如原子序83的铋、原子序90的钍及原子序92的铀有一个或多个半衰期很长的同位素，因此目前的同位素有可能是在太阳系形成之前，恒星核合成时产生的重金属。铋209的α衰变半衰期超过1.9×10¹⁹年，是目前估期宇宙寿命的十亿倍，是自然存在元素中，半衰期最长的元素，几乎可以视为是稳定同位素。超重元素（在钚以后，原子序大于94的元素）其核衰变的半衰期非常短，因此不可能于自然界稳定存在，属于人工合成元素。
到2010年为止，有118有已知的元素（此处的“已知”是对元素已有部分的资讯，从只是知道其部分衰变产物，到已将此元素从和其他元素中分离出来。）。在118个元素中，自然界存在的有94个，而其中有六个在自然界是极微量存在：原子序数43的锝、原子序数61的钷、原子序数85的砹、原子序数87的钫、原子序数93的镎以及原子序数94的钚。在宇宙中有侦测到这94种元素的存在，在恒星及超新星的光谱中也不例外，而恒星及超新星的光谱也会侦测到半衰期短的放射性元素。前94种元素是地球上可侦测到的原始核素，可能是太阳系形成时就生成，也可能是天然存在的铀或钍裂变（或嬗变）产物。
剩下的24个元素现今不存在在地球上，也没有出现在宇宙光谱中，这些元素都是人工产生的，这些元素都是半衰期很短的放射性元素。若在地球形成时曾经有这些元素存在，他们几乎确定已经衰变成其他元素了。锝是在1937年以人工的方式制备，曾认为是第一个人工合成，自然界不存在的元素，不过后来发现自然界有极微量的锝（而且可能在1925年就已经发现自然界存在的锝）。其他一些有放射性，但自然界极微量存在的元素发现情形也和锝类似：先由人工的方式制备，后来才发现也存在在自然界中。

质量数

质量数是指中性原子的原子核内，质子数量和中子数量的和，质量数的数值都是整数。如氧-16中性原子的原子核内质子数和中子数皆为8，故其质量数为16。有时会将质量数和原子序数（Z，质子数）分别标示在元素的左上角及左下角，如即为质量数为16，原子序数为8的氧原子。

同位素

同位素是指原子具有相同数目的电子和质子，但却有不同数目的中子的元素。例如氕、氘和氚，它们原子核中都有1个质子，但是它们的原子核中分别有0个中子，1个中子及2个中子，所以它们互为同位素。
其中，氘几乎比氕重一倍，而氚则几乎比氕重二倍。

原子量

质量数是原子中，质子数量和中子数量的和，而单一原子的原子量为表示该原子质量的实数，其单位为原子质量单位（amu或简称u）。一般而言，原子量和质量数会有些差异，不会完全相同，因为每个中子和每个质子的质量不是恰好都是1u，而原子量也会受到电子及核结合能的影响。例如氯-35的原子量若精确到五位小数，会是34.969u，而氯-37的原子量若精确到五位小数，会是36.966u。不过原子量以u为单位时的数值，和质量数的误差会在1%以内。唯一原子量是整数，和质量数完全相同的元素是碳12，因为依照原子质量单位的定义就是碳12原子在基态时质量的1/12，因此碳12的原子量就是12u。
相对原子量以往也称为原子量，是在特定环境下找到同一元素同位素，以丰度加权后的原子量平均值，再除以原子质量单位（u）所得的值。数值可能是一个分数，例如氯的相对原子量为35.453，不太接近整数，原因是这个数值是76%的氯35及24%的氯37平均后的结果。

化学的纯元素及核子物理的的纯元素

化学家和核子物理学家对于“纯元素”会有不同的定义。在化学上，纯元素是指物质中全部（或是几乎是全部）的原子都有相同的原子序，或是质子个数相同。不过在核子物理上，纯元素是指物质中只有一种稳定的同位素
例如，铜缆中若99.99%的成分都是有29个质子的铜原子，以化学层面来看，即为有99.99%纯度的铜。不过一般的铜包括了二种同位素，69%的及31%的，两者中子数不同。相对的，金块在化学上或是在核子物理都是纯元素，因为一般的金只由一种同位素组成。

同素异形体

化学上的纯元素，其原子之间结合的方式可能不只一种，因此纯元素也会存在多种化学结构，也就是原子在空间中会有不同的排列方式，这些称为同素异形体，其性质也有所变化。例如碳的同素异形体中，钻石是在每个碳原子的周围都有以四面体结构互相连接的碳，而石墨是由碳原子组成的六角状层状结构，石墨烯只有单一层的石墨，但强度非常高，富勒烯的几何外形几近于球体，碳纳米管是由六角形结构组成的细管，但其电气特性又和其他的同素异形体不同。
元素的一般条件（也称为参考状态）是指元素在压力一巴、指定温度（一般会是298.15K）下其热力学稳定度最高的状态。在热化学中，会定义元素在一般条件下的标准摩尔生成焓为零。例如，碳的一般条件是石墨，因为石墨的结构比其他同素异形体都要稳定。

元素性质

有许多种描述性的分类可以应用在元素上，包括考虑其常见的物理及化学性质、在常见条件下的物态、熔点及沸点、密度、固体时的晶体结构以及其来源等。

一般性质

有些词常用来描述元素的一般物理性质及化学性质。第一种分类方式是将元素分为可以导电的金属、无法导电的非金属，以及在金属和非金属之间的一些类金属，其性质介于金属和非金属之间，而且多半会有半导体的特性。
在周期表上有更细的元素分类，除了金属及非金属的大略分类外，还会有颜色标示一些比较细的分类，例如碱金属、碱土金属、卤素、镧系元素、锕系元素、过渡金属、贫金属、类金属、双原子非金属、多原子非金属及稀有气体。在上述系统中，碱金属、碱土金属、过渡金属、镧系元素及锕系元素属于金属，而双原子非金属、多原子非金属及稀有气体属于非金属。有些周期表中不会特殊将卤素分为一类，会将砹视为是类金属，其他则分为非金属。

物质状态

另一种常见的分类是在特定的温度及压力（标准状况）下，利用元素本身的物质状态是固态、液态或气态来区分。大部分的元素在标准状况下是固态，也有一些是气态。在0 ℃及正常大气压力下会是液态的元素只有溴及汞，而铯及镓在上述条件下是固态，但分别会在28.4 °C及29.8 °C融化为液态。

熔点及沸点

在一大气压力下的熔点及沸点（一般会用摄氏温度表示）也常用来作为元素的分类。大部分元素的熔点及沸点都已知道，不过有些放射性元素只能非常少量的制备，而且其半衰期短，因此可能还无法量测其熔点或沸点。因为氦在一大气压力下的绝对零度时也是液态，因此依传统的表示方式，氦只有沸点，没有熔点。

密度

元素在特定温度及压力（标准状况）下的密度常用来作为元素分类的依据。密度会以g/cm³为其单位。因为有些元素在标准状况下为气态，这些元素的密度会以其气态下的密度来表示。
若元素有不同密度的同素异形体，一般会一一列出常见的同素异形体及其密度，另一种作法是列出最常见的同素异形体，并标示其密度。例如碳的同素异形体中，最常见的是无定形碳、石墨及钻石，其密度分别是1.8–2.1, 2.267, and 3.515 g/cm³。

晶体结构

目前为止，已发现的固态元素其晶体结构可分为八种：立方晶系、体心立方晶系, 面心立方晶系, 六方晶系, 单斜晶系, 正交晶系, 菱形晶系及四方晶系。有些人工合成的元素因为可分析的原子太少，还无法判断其晶体结构。

命名法及符号

元素命名的决定不断变化，混杂了人类各种语言、文化、及对化学知识的理解。化学元素的名称随着历史演进有不同来源，有从古代就有名称的、有采用炼金术师时代名称的、有采用神话的、有采用颜色的、有按地理名称取的、有按元素性质取名的、也有按人名取名的。在现代慢慢接受发现者有权命名，然而国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC），对于元素命名和符号有最终决定权。
从1947年起IUPAC负起批淮元素名称的责任，并为每一个元素决定国际通用的单一符号，在此之前有不少元素有多个名字，如元素41铌的名字在欧洲和美洲间存有争议150年，至1949IUPAC决定采欧洲使用的名称。截至2015年，IUPAC治理全球化学知识，成为化学元素新发现及命名权的最终裁决法院，创立了国际认可的标准术语，这是在19世纪所明显没有的。在语言参与方面，由于历史和世界大战的政治因素，德文曾被数个包括IUPAC的国际科学组织抵制，其后在1929年的IUPAC，德文和意大利文才被授予IUPAC附属语言的地位。
根据中华人民共和国全国科学技术名词审定委员会的说法，元素英文名称的国际定名是透过IUPAC讨论决定的，该会化学名词审定分委员会于1998年召开的无机化学名词组扩大会议，根据IUPAC对101至109号的元素名称重新命名，审定对应的中文命名。
IUPAC对101-11号元素重新命名后，两岸化学专家经研讨对中文定名达成一致，截至2014年100号之后的化学元素，两岸名称是完全一致的。

元素符号

从古代就有名称的金属元素和天体相连结而有了符号，如金和太阳、银和月亮、铁和火星等等。18世纪化学知识的快速发展使符号的使用更为迫要，有许多提案是采旧案外加额外的几何图形。瑞典化学家贝采利乌斯于1813年发展出一套简单提案：让元素名称的第一个字母作为符号，这元素名称可能是旧拉丁文、希腊文、或现代名称，若有多个元素使用同样的字母，那么就取第一个及第二个（或著是取第一个及第三个）字母，大小写方面第一个字母需大写而第二个字母需小写。
贝采利乌斯所提的新符号系统很快在欧洲和美洲受到采纳，新元素的符号大多按此案原则定义，唯有铌的命名从该元素发现后在美洲及欧洲的争议不止，现今IUPAC于1949及1960年的决议已将元素41采用niobium和符号Nb。
元素符号令人满意的成果是，不管国家语言是什么，全世界通用一套相同的化学元素符号语言。。和欧美语言系统完全不同的国家如俄罗斯，中国，日本等等，用的也是以拉丁字母书写的元素符号。

中文命名法

古中国对部分元素有特别名称，如铁、金等早已被命名。1850年代开始，西方化学传入中国，中国人开始对其他元素命名。清末时，中国有至少两套元素命名方法，分别是同文馆和徐寿提出。
辛亥革命后，中国开始着手统一和改革元素名称，如21号元素由鉰改为钪。1949年后，两岸三地对元素的命名有些不同，如95号元素，中国大陆和香港命名为镅，台湾命名为鋂。
IUPAC对101-11号元素重新命名后，两岸化学专家经研讨对中文定名达成一致，截至2014年100号之后的两岸化学元素名称是完全一致的。
中国大陆1955年制定的《化学命名原则》包括了102个元素名称，1980年重新制定后包括了105个元素名称，1998年中国大陆和台湾共同确定了101-109号元素的名称。

蕴藏量

蕴藏量即是地球中，所含元素数量，若依质量来排序现时地壳中含量最丰富的元素，前八个分别是氧（46.6%）、硅（27.7%）、铝（8.1%）、铁（5.0%）、钙（3.6%）、钠（2.8%）、钾（2.6%）、镁（2.1%）。
若考虑包括地幔及地核的整个地球，含量最丰富的元素，前八个分别是铁（32.1%）、氧（30.1%）、硅（15.1%）、镁（13.9%）、硫（2.9%）、镍（1.8%）、钙（1.5%）及铝（1.4%）。

定义的演变

化学元素的概念基本上是指无法再进一步分解的物质（严格来说，是用化学反应无法再进一步分解的物质），在历史上分为三个不同阶段的定义：早期的定义（类似古希腊时的定义）、化学上的定义及原子的定义。

化学定义及原子定义

1661年，爱尔兰自然哲学家罗伯特·波义耳发现不止以往古人认为只有四个古典元素。1789年出现了第一个现代化的化学元素列表，其中包含33个元素，并有元素的基本资料。1818年，已发现元素增加至四十多种。门捷列夫于1869年发表的元素周期表中，有66种元素。
直到20世纪初，元素被定义为不能被分解成更简单的物质。换句话说，一种化学元素不能转化成其他化学元素。1913年，亨利·莫塞莱发现原子中的核电荷是原子的原子序，介定了目前原子的基础定义。1919年，有72个已知的元素。1955年，为了纪念门捷列夫，于是把第101种发现的元素命名为钔。现今，共发现了118种元素，参见元素周期表。

近来发现的元素

第一个超铀元素（原子序大于92的元素）镎是在1940年发现。到2016年1月份为止，国际纯化学和应用化学联合会已经认可了118种元素的发现。112号元素的发现是在2009年认可的，建议取名为鿔（copernicium），元素符号Cn，名称及符号是在2010年2月19日由IUPAC所认可。目前已合成的最重的元素应该是118号元素Og，在2006年10月9日在俄罗斯杜布纳杜布纳联合原子核研究所的核反应器中制备。117号元素Ts是目前最晚发现的元素，在2009年发现。IUPAC已在2011年6月正式认可了𫓧及𫟷二个元素，原子序分别是114及116，并且在2012年5月认可其名称。IUPAC在2015年12月认可了第113、115、117及118号元素，在2016年6月8日宣布其预计要使用的名称，这些元素名称分别是nihonium（113, Nh）、moscovium（115, Mc）、tennessine（117, Ts）及oganesson（118, Og），名称在2016年11月28日正式获得认可。。
2017年1月15日，中华人民共和国全国科学技术名词审定委员会联合国家语言文字工作委员会组织化学、物理学、语言学界专家召开了113号、115号、117号、118号元素中文定名会。5月9日，中国科学院、国家语言文字工作委员会、全国科学技术名词审定委员会在北京联合召开发布会，向社会发布113号、115号、117号、118号元素中文名称分别为鿭、镆、鿬、鿫。