Χημικό στοιχείο

Χημικό στοιχείο, συχνά αποκαλούμενο απλά στοιχείο, είναι χημική ουσία που αποτελείται αποκλειστικά από άτομα με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων στους πυρήνες τους (ατομικό αριθμό). Για παράδειγμα, η χημική ουσία που αποτελείται μόνο από άτομα με δύο πρωτόνια στους πυρήνες τους, είναι ένα χημικό στοιχείο, το οποίο μάλιστα ονομάζεται ήλιο. Τα χημικά στοιχεία διακρίνονται σε μέταλλα, μεταλλοειδή και αμέταλλα. Τα πιο γνωστά παραδείγματα χημικών στοιχείων είναι ο άνθρακας, το υδρογόνο, το οξυγόνο (αμέταλλα), το πυρίτιο, το αρσενικό (μεταλλοειδή), το αλουμίνιο, ο σίδηρος, ο χαλκός, ο χρυσός, ο υδράργυρος και ο μόλυβδος (μέταλλα).
Τα ελαφρύτερα χημικά στοιχεία, που περιλαμβάνουν το υδρογόνο, το ήλιο, και σε μικρότερες ποσότητες, το λίθιο, το βηρύλλιο και το βόριο, θεωρείται ότι έχουν παραχθεί με διάφορες κοσμικές διεργασίες κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης και το βομβαρδισμό με κοσμικές ακτίνες. Η παραγωγή των βαρύτερων χημικών στοιχείων, από τον άνθρακα ως τα πολύ βαρύτερα χημικά στοιχεία, παράχθηκαν με αστρική πυρηνοσύνθεση, και έγιναν διαθέσιμα για τα μεταγενέστερα ηλιακά συστήματα και το σχηματισμό των πλανητών με πλανητικά νεφελώματα και υπερκαινοφανείς αστέρες, που εκτοξεύουν τέτοια χημικά στοιχεία στο διάστημα. Η υψηλή αφθονία του οξυγόνου, του πυριτίου και του σιδήρου στη Γη αντανακλά τη συνηθισμένη παραγωγή τους σε τέτοια άστρα. Ενώ τα περισσότερα χημικά στοιχεία είναι γενικά «σταθερά», μια μικρή ποσότητα φυσικής μετατροπής του ενός χημικού στοιχείου σε ένα άλλο επίσης συμβαίνει με τη διάσπαση των ραδιενεργών χημικών στοιχείων, καθώς επίσης και με άλλες πυρηνικές διεργασίες που συμβαίνουν στη φύση.
Η ιστορία της ανακάλυψης και της χρήσης των χημικών στοιχείων άρχισε μαζί με τις πρωτόγονες ανθρώπινες κοινωνίες που έβρισκαν κάποια φυσικά χημικά στοιχεία που υπάρχουν στη φύση, όπως ο χαλκός, ο χρυσός και ο συντηγμένος σίδηρος και λἰγα άλλα μέταλλα από τα ορυκτά τους. Αρχικά οι αλχημιστές και οι χημικοί, μεταγενέστερα, ταυτοποίησαν πολλά περισσότερα, με σχεδόν όλα τα φυσικά υπάρχοντα χημικά στοιχεία να είναι ήδη γνωστά μέχρι 1900. Οι ιδιότητες των χημικών στοιχείων συχνά συνοψίστηκαν με τη σταδιακή ανάπτυξη του περιοδικού πίνακα των χημικών στοιχείων, που οργανώνει τα χημικά στοιχεία κατά αύξοντα ατομικό αριθμό σε περιόδους και ομάδες που μοιράζονται ορισμένες «περιοδικές» φυσικές και χημικές ιδιότητες. Με εξαίρεση κάποια ασταθή και βραχύβια ραδιενεργά χημικά στοιχεία, όλα τα υπόλοιπα χημικά στοιχεία είναι (πλέον) διαθέσιμα βιομηχανικά, τα περισσότερα σε υψηλούς βαθμούς καθαρότητας.
Το υδρογόνο και το ήλιο είναι ασυζητητί τα πιο άφθονα χημικά στοιχεία στο σύμπαν. Ωστόσο, ο σίδηρος είναι το πιο άφθονο χημικό στοιχείο (κατά μάζα) στη Γη, ενώ το οξυγόνο είναι το πιο άφθονο χημικό στοιχείο στο γήινο φλοιό. Παρόλο που όλες οι γνωστές χημικές ουσίες αποτελούνται από αυτά τα χημικά στοιχεία, η ίδια η ύλη υποθέτεται ότι αποτελεί μόλις το 15% της συνολικής ποσότητας μάζας του σύμπαντος. Το υπόλοιπο πιστεύεται ότι αποτελείται από σκοτεινή ύλη, ένα εύρος ουσιών με σύνθεση σε μεγάλο βαθμό άγνωστη και μη μη αποτελούμενη από χημικά στοιχεία (τουλάχιστον όπως τα ξέρουμε και τα ορίζουμε ως τώρα), εφόσον δεν περιέχουν πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Η σκοτεινή ύλη μπορεί επίσης να περιλαμβάνει κανονική βαρυονική μάζα και νετρίνα.
Όταν δύο (2) ή περισσότερα διακριτά χημικά στοιχεία ενώνονται χημικά, με τα άτομά τους να συγκρατούνται μαζί με χημικούς δεσμούς, το αποτέλεσμα είναι μια χημική ένωση. Τα 2/3 των χημικών στοιχείων που βρίσκονται με φυσικό τρόπο στη Γη, μπορούν να βρεθούν στη φύση μὀνο με τη μορφή χημικών ενώσεών τους, αλλά και στο υπόλοιπο 1/3, συνήθως είναι πιο συνηθισμένο να βρεθούν και πάλι με τη μορφή χημικών ενώσεών τους. Οι χημικές ενώσεις αποτελούνται από χημικά στοιχεία που συνδυάζονται μόνο σε αναλογίες φυσικών αριθμών, όπως στο νερό, στο μαγειρικό αλάτι και σε ορυκτά, όπως ο χαλαζίας και ο ασβεστίτης. Αυτό επιτρέπει την εξαγωγή χημικών τύπων που αντιπροσωπεύουν αυτές τις χημικές ενώσεις. Ωστόσο, οι χημικοί δεσμοί ανάμεσα σε πολλούς τύπους χημικών στοιχείων έχουν ως αποτέλεσμα σε ορισμένα κρυσταλλικά στερεά και σε ορισμένα μεταλλικά κράματα, οι αναλογίες ατόμων τους να μη δίνουν συγκεκριμένους χημικούς τύπους. Σχετικά καθαρά δείγματα ελεύθερων χημικών στοιχείων είναι ασυνήθιστα στη φύση. Σχετικά καθαρά δείγματα απομονωμένων στοιχείων είναι ασυνήθιστα στη φύση. Ενώ όλα τα 94 φυσικά υπάρχοντα χημικά στοιχεία έχουν ταυτοποιηθεί σε δείγματα ορυκτών προερχόμενα από το γήιινο φλοιό, μόνο μια μικρή μειοψηφία των χημικών στοιχείων είναι αναγνωρίσιμα, ως σχετικά καθαρά χημικά στοιχεία. Ανάμεσα στα πιο συνηθισμένα από αυτά τα «εγγενή στοιχεία» είναι ο χαλκός, ο άργυρος, ο χρυσός, ο άνθρακας (σε τρεις αλλομορφές: γαιάνθρακας, γραφίτης και διαμάντι), το θείο και ο υδράργυρος. Όλα αυτά, εκτός από λίγα από τα πιο αδρανή χημικά στοιχεία, όπως τα ευγενή αέρια και μερικά από τα ευγενή μέταλλα, συνήθως βρίσκονται στη Γη στη μορφή χημικών ενώσεών τους. Ενώ περίπου 32 από τα χημικά στοιχεία υπάρχουν στη Γη σε μορφή (ελεύθερου) χημικού στοιχείου, τα περισσότερα από αυτά βρίσκονται σε μίγματα. Για παράδειγμα, ο ατμοσφαιρικός αέρας (της Γης) αποτελείται κυρίως από ένα μείγμα αζώτου, οξυγόνου και αργού, και τα εγγενή στερεά στοιχεία βρίσκονται σε κράματα, όπως ο σίδηρος με το νικέλιο.
Επί του παρόντος 118 χημικά στοιχεία έχουν ταυτοποιηθεί. Από αυτά τα 118 γνωστά χημικά στοιχεία, μόνο τα πρώτα 94 είναι γνωστό ότι έχουν βρεθεί με φυσικό τρόπο στη Γη. Επίσης, μόνο τα 80 από αυτά είναι σταθερά, ενώ τα άλλα είναι ραδιενεργά, διασπώμενα σε ελαφρύτερα χημικά στοιχεία, με διάφορες ημιζωές, που κυμαίνονται από κλάσματα του δευτερολέπτου ως και δισεκατομμύρια έτη. Τα 24 βαρύτερα χημικά στοιχεία που δεν έχουν βρεθεί με φυσικό τρόπο στη Γη, ταυτοποιήθηκαν αφού παράχθηκαν τεχνητά ως συνθετικά προϊόντα με ανθρωπογενείς πυρηνικές αντιδράσεις.

Περιγραφή

Τα ελαφρύτερα από τα χημικά στοιχεία είναι το υδρογόνο και το ήλιο, που δημιουργήθηκαν από τη Μεγάλη Έκρηξη, με πυρηνοσύνθεση κατά τα πρώτα 20 λεπτά του σύμπαντος σε μια αναλογία 3:1 κατά μάζα (ή 12:1 σε αναλογία αριθμού ατόμων). Σχεδόν όλα τα άλλα χημικά στοιχεία που βρίσκονται στη φύση δημιουργήθηκαν με διάφορες φυσικές μεθόδους πυρηνοσύνθεσης. Στη Γη, μικρές ποσότητες νέων ατόμων παράγονται στη φύση με πυρηνογενικές αντιδράσεις, ή με κοσμογενικές διεργασίες, όπως ο βομβαρδισμός με κοσμικές ακτίνες. Νέα άτομα στη φύση της Γης επίσης παράγονται με ραδιογενή παράγωγα ισότοπα κατά τη διάρκεια των συνεχιζόμενων ραδιενεργών διασπάσεων με διεργασίες όπως η διάσπαση άλφα, η διάσπαση βήτα, η αυθόρμητη σχάση, η διάσπαση συμπλέγματος ή και άλλες σπανιότερες μορφές ραδιενεργών διασπάσεων.

Συμβολισμός χημικών στοιχείων

Για τον συμβολισμό του κάθε στοιχείου, χρησιμοποιείται το αρχικό γράμμα της λατινικής του ονομασίας (με κεφαλαίο). Στις περιπτώσεις που το αρχικό γράμμα είναι ίδιο στα ονόματα δύο ή περισσότερων στοιχείων χρησιμοποιείται και δεύτερο γράμμα του ονόματος του στοιχείου (αναγράφεται με μικρό). Έτσι, το υδρογόνο συμβολίζεται ως Η (αρχικό της λέξης Hydrogenium), το ήλιο ως He (από τη λατινική ονομασία του Helium) και ο υδράργυρος ως Hg (Hydrargyrum).

Αφθονία χημικών στοιχείων

Στο φλοιό της Γης απαντώνται 92 διαφορετικά χημικά στοιχεία. Εξ αυτών την μεγαλύτερη αφθονία παρουσιάζουν κατά σειρά το οξυγόνο, το πυρίτιο, το αργίλιο, ο σίδηρος, το ασβέστιο, το νάτριο, το κάλιο και το μαγνήσιο.
 
Επίσης εκ του συνόλου των 92 στοιχείων, απαραίτητα για τη ζωή κρίνονται μόνο τα 27. Τέσσερα δε από αυτά, ο άνθρακας, το υδρογόνο, το οξυγόνο και το άζωτο αποτελούν το 96% της κατά βάρος σύστασης των έμβιων οργανισμών, παρότι, πλην του οξυγόνου, θεωρούνται αυτά ως σπάνια στοιχεία.
 
Το υπόλοιπο 4% της κατά βάρος σύστασης των οργανισμών καταλαμβάνεται από τα στοιχεία φωσφόρο, νάτριο, κάλιο, ασβέστιο, μαγνήσιο, χλώριο και από κάποια "ίχνη" άλλων στοιχείων, (περίπου το 0,1%) που και εκ του λόγου αυτού καλούνται εν προκειμένω ιχνοστοιχεία των οποίων όμως η παρουσία τους κρίνεται απαραίτητη σε πληθώρα λειτουργιών των οργανισμών.

Ατομικός και μαζικός αριθμός

Σε κάθε άτομο ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων του. Ο αριθμός των πρωτονίων του καθορίζει το είδος του στοιχείου, λέγεται ατομικός αριθμός και συμβολίζεται με "Ζ". Αποτελεί κατά κάποιο τρόπο τον αριθμό ταυτότητας του στοιχείου. Όλα τα άτομα ενός στοιχείου έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό. Το άθροισμα πρωτονίων "Ζ" και νετρονίων "Ν" που υπάρχουν στον πυρήνα ενός ατόμου, δηλαδή ο αριθμός των νουκλεονίων ενός χημικού στοιχείου, λέγεται μαζικός αριθμός και συμβολίζεται με "Α". 
Κάτω από ορισμένες συνθήκες τα άτομα μπορούν να προσλάβουν ή να αποβάλλουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια. Τα φορτισμένα άτομα ονομάζονται ιόντα των στοιχείων. Τα ιόντα με θετικό φορτίο ονομάζονται κατιόντα και με αρνητικό φορτίο ανιόντα.