化學元素

概覽

化學元素中最輕的兩個元素分別是氫和氦，都是在宇宙形成的前20分鐘由太初核合成所產生的，一開始的質量比率為3:1（原子數比例則為12:1），當時也產生了極微量的鋰及鈹。幾乎其他自然存在的元素都是經由自然的核合成而產生的。地球上有少量的新元素是由核生成反應產生，或是宇宙生成（cosmogenic）反應（例如宇宙射線散裂）所產生。地球上的新元素也都可能是放射性的衰變產物，衰變過程是一些放射性過程，例如α衰變、β衰變、自發裂變、簇衰變等，也有些較少見的衰變過程。
在自然界存在的94種化學元素中，原子序1至82的元素幾乎有至少一個穩定同位素（只有原子序43的鎝以及原子序61的鉕例外）。對於某一個同位素，若始終沒有觀測到它的核衰變反應，即視為穩定同位素。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變反應。其中有些元素，例如原子序83的鉍、原子序90的釷及原子序92的鈾有一個或多個半衰期很長的同位素，因此目前的同位素有可能是在太陽系形成之前，恆星核合成時產生的重金屬。鉍209的α衰變半衰期超過1.9×10¹⁹年，是目前估期宇宙壽命的十億倍，是自然存在元素中，半衰期最長的元素，幾乎可以視為是穩定同位素。超重元素（在鈽以後，原子序大於94的元素）其核衰變的半衰期非常短，因此不可能於自然界穩定存在，屬於人工合成元素。
到2010年為止，有118有已知的元素（此處的「已知」是對元素已有部份的資訊，從只是知道其部份衰變產物，到已將此元素從和其他元素中分離出來。）。在118個元素中，自然界存在的有94個，而其中有六個在自然界是極微量存在：原子序數43的鎝、原子序數61的鉕、原子序數85的砈、原子序數87的鍅、原子序數93的錼以及原子序數94的鈽。在宇宙中有偵測到這94種元素的存在，在恆星及超新星的光譜中也不例外，而恆星及超新星的光譜也會偵測到半衰期短的放射性元素。前94種元素是地球上可偵測到的原始核素，可能是太陽系形成時就生成，也可能是天然存在的鈾或釷裂變（或嬗變）產物。
剩下的24個元素現今不存在在地球上，也沒有出現在宇宙光譜中，這些元素都是人工產生的，這些元素都是半衰期很短的放射性元素。若在地球形成時曾經有這些元素存在，他們幾乎確定已經衰變成其他元素了。鎝是在1937年以人工的方式製備，曾認為是第一個人工合成，自然界不存在的元素，不過後來發現自然界有極微量的鎝（而且可能在1925年就已經發現自然界存在的鎝）。其他一些有放射性，但自然界極微量存在的元素發現情形也和鎝類似：先由人工的方式製備，後來才發現也存在在自然界中。

質量數

質量數是指中性原子的原子核內，質子數量和中子數量的和，質量數的數值都是整數。如氧-16中性原子的原子核內質子數和中子數皆為8，故其質量數為16。有時會將質量數和原子序數（Z，質子數）分別標示在元素的左上角及左下角，如即為質量數為16，原子序數為8的氧原子。

同位素

同位素是指原子具有相同數目的電子和質子，但卻有不同數目的中子的元素。例如氕、氘和氚，它們原子核中都有1個質子，但是它們的原子核中分別有0個中子，1個中子及2個中子，所以它們互為同位素。
其中，氘幾乎比氕重一倍，而氚則幾乎比氕重二倍。

原子量

質量數是原子中，質子數量和中子數量的和，而單一原子的原子量為表示該原子質量的實數，其單位為原子質量單位（amu或簡稱u）。一般而言，原子量和質量數會有些差異，不會完全相同，因為每個中子和每個質子的質量不是恰好都是1u，而原子量也會受到電子及核結合能的影響。例如氯-35的原子量若精確到五位小數，會是34.969u，而氯-37的原子量若精確到五位小數，會是36.966u。不過原子量以u為單位時的數值，和質量數的誤差會在1%以內。唯一原子量是整數，和質量數完全相同的元素是碳12，因為依照原子質量單位的定義就是碳12原子在基態時質量的1/12，因此碳12的原子量就是12u。
相對原子量以往也稱為原子量，是在特定環境下找到同一元素同位素，以豐度加權後的原子量平均值，再除以原子質量單位（u）所得的值。數值可能是一個分數，例如氯的相對原子量為35.453，不太接近整數，原因是這個數值是76%的氯35及24%的氯37平均後的結果。

化學的純元素及核子物理的的純元素

化學家和核子物理學家對於「純元素」會有不同的定義。在化學上，純元素是指物質中全部（或是幾乎是全部）的原子都有相同的原子序，或是質子個數相同。不過在核子物理上，純元素是指物質中只有一種穩定的同位素
例如，銅纜中若99.99%的成份都是有29個質子的銅原子，以化學層面來看，即為有99.99%純度的銅。不過一般的銅包括了二種同位素，69%的及31%的，兩者中子數不同。相對的，金塊在化學上或是在核子物理都是純元素，因為一般的金只由一種同位素組成。

同素異形體

化學上的純元素，其原子之間結合的方式可能不只一種，因此純元素也會存在多種化學結構，也就是原子在空間中會有不同的排列方式，這些稱為同素異形體，其性質也有所變化。例如碳的同素異形體中，鑽石是在每個碳原子的周圍都有以四面體結構互相連接的碳，而石墨是由碳原子組成的六角狀層狀結構，石墨烯只有單一層的石墨，但強度非常高，富勒烯的幾何外形幾近於球體，碳納米管是由六角形結構組成的細管，但其電氣特性又和其他的同素異形體不同。
元素的一般條件（也稱為參考狀態）是指元素在壓力一巴、指定溫度（一般會是298.15K）下其熱力學穩定度最高的狀態。在熱化學中，會定義元素在一般條件下的標準莫耳生成焓為零。例如，碳的一般條件是石墨，因為石墨的結構比其他同素異形體都要穩定。

元素性質

有許多種描述性的分類可以應用在元素上，包括考慮其常見的物理及化學性質、在常見條件下的物態、熔點及沸點、密度、固體時的晶體結構以及其來源等。

一般性質

有些詞常用來描述元素的一般物理性質及化學性質。第一種分類方式是將元素分為可以導電的金屬、無法導電的非金屬，以及在金屬和非金屬之間的一些類金屬，其性質介於金屬和非金屬之間，而且多半會有半導體的特性。
在週期表上有更細的元素分類，除了金屬及非金屬的大略分類外，還會有顏色標示一些比較細的分類，例如鹼金屬、鹼土金屬、鹵素、鑭系元素、錒系元素、過渡金屬、貧金屬、類金屬、雙原子非金屬、多原子非金屬及稀有氣體。在上述系統中，鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、鑭系元素及錒系元素屬於金屬，而雙原子非金屬、多原子非金屬及稀有氣體屬於非金屬。有些週期表中不會特殊將鹵素分為一類，會將砈視為是類金屬，其他則分為非金屬。

物質狀態

另一種常見的分類是在特定的溫度及壓力（標準狀況）下，利用元素本身的物質狀態是固態、液態或氣態來區分。大部份的元素在標準狀況下是固態，也有一些是氣態。在0 ℃及正常大氣壓力下會是液態的元素只有溴及汞，而銫及鎵在上述條件下是固態，但分別會在28.4 °C及29.8 °C融化為液態。

熔點及沸點

在一大氣壓力下的熔點及沸點（一般會用攝氏溫度表示）也常用來作為元素的分類。大部份元素的熔點及沸點都已知道，不過有些放射性元素只能非常少量的製備，而且其半衰期短，因此可能還無法量測其熔點或沸點。因為氦在一大氣壓力下的絕對零度時也是液態，因此依傳統的表示方式，氦只有沸點，沒有熔點。

密度

元素在特定溫度及壓力（標準狀況）下的密度常用來作為元素分類的依據。密度會以g/cm³為其單位。因為有些元素在標準狀況下為氣態，這些元素的密度會以其氣態下的密度來表示。
若元素有不同密度的同素異形體，一般會一一列出常見的同素異形體及其密度，另一種作法是列出最常見的同素異形體，並標示其密度。例如碳的同素異形體中，最常見的是無定形碳、石墨及鑽石，其密度分別是1.8–2.1, 2.267, and 3.515 g/cm³。

晶體結構

目前為止，已發現的固態元素其晶體結構可分為八種：立方晶系、體心立方晶系, 面心立方晶系, 六方晶系, 單斜晶系, 正交晶系, 菱形晶系及四方晶系。有些人工合成的元素因為可分析的原子太少，還無法判斷其晶體結構。

命名法及符號

元素命名的決定不斷變化，混雜了人類各種語言、文化、及對化學知識的理解。化學元素的名稱隨著歷史演進有不同來源，有從古代就有名稱的、有採用鍊金術師時代名稱的、有採用神話的、有採用顏色的、有按地理名稱取的、有按元素性質取名的、也有按人名取名的。在現代慢慢接受發現者有權命名，然而國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC），對於元素命名和符號有最終決定權。
從1947年起IUPAC負起批淮元素名稱的責任，並為每一個元素決定國際通用的單一符號，在此之前有不少元素有多個名字，如元素41鈮的名字在歐洲和美洲間存有爭議150年，至1949IUPAC決定採歐洲使用的名稱。截至2015年，IUPAC治理全球化學知識，成為化學元素新發現及命名權的最終裁決法院，創立了國際認可的標準術語，這是在19世紀所明顯沒有的。在語言參與方面，由於歷史和世界大戰的政治因素，德文曾被數個包括IUPAC的國際科學組織抵制，其後在1929年的IUPAC，德文和義大利文才被授予IUPAC附屬語言的地位。
根據中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會的說法，元素英文名稱的國際定名是透過IUPAC討論決定的，該會化學名詞審定分委員會於1998年召開的無機化學名詞組擴大會議，根據IUPAC對101至109號的元素名稱重新命名，審定對應的中文命名。
IUPAC對101-11號元素重新命名後，兩岸化學專家經研討對中文定名達成一致，截至2014年100號之後的化學元素，兩岸名稱是完全一致的。

元素符號

從古代就有名稱的金屬元素和天體相連結而有了符號，如金和太陽、銀和月亮、鐵和火星等等。18世紀化學知識的快速發展使符號的使用更為迫要，有許多提案是採舊案外加額外的幾何圖形。瑞典化學家貝采利烏斯於1813年發展出一套簡單提案：讓元素名稱的第一個字母作為符號，這元素名稱可能是舊拉丁文、希臘文、或現代名稱，若有多個元素使用同樣的字母，那麼就取第一個及第二個（或著是取第一個及第三個）字母，大小寫方面第一個字母需大寫而第二個字母需小寫。
貝采利烏斯所提的新符號系統很快在歐洲和美洲受到採納，新元素的符號大多按此案原則定義，唯有鈮的命名從該元素發現後在美洲及歐洲的爭議不止，現今IUPAC於1949及1960年的決議已將元素41採用niobium和符號Nb。
元素符號令人滿意的成果是，不管國家語言是什麼，全世界通用一套相同的化學元素符號語言。。和歐美語言系統完全不同的國家如俄羅斯，中國，日本等等，用的也是以拉丁字母書寫的元素符號。

中文命名法

古中國對部分元素有特別名稱，如鐵、金等早已被命名。1850年代開始，西方化學傳入中國，中國人開始對其他元素命名。清末時，中國有至少兩套元素命名方法，分別是同文館和徐壽提出。
辛亥革命後，中國開始著手統一和改革元素名稱，如21號元素由鉰改為鈧。1949年後，兩岸三地對元素的命名有些不同，如95號元素，中國大陸和香港命名為鎇，台灣命名為鋂。
IUPAC對101-11號元素重新命名後，兩岸化學專家經研討對中文定名達成一致，截至2014年100號之後的兩岸化學元素名稱是完全一致的。
中國大陸1955年制定的《化學命名原則》包括了102個元素名稱，1980年重新制定後包括了105個元素名稱，1998年中國大陸和台灣共同確定了101-109號元素的名稱。

蘊藏量

蘊藏量即是地球中，所含元素數量，若依質量來排序現時地殼中含量最豐富的元素，前八個分別是氧（46.6%）、矽（27.7%）、鋁（8.1%）、鐵（5.0%）、鈣（3.6%）、鈉（2.8%）、鉀（2.6%）、鎂（2.1%）。
若考慮包括地函及地核的整個地球，含量最豐富的元素，前八個分別是鐵（32.1%）、氧（30.1%）、矽（15.1%）、鎂（13.9%）、硫（2.9%）、鎳（1.8%）、鈣（1.5%）及鋁（1.4%）。

定義的演變

化學元素的概念基本上是指無法再進一步分解的物質（嚴格來說，是用化學反應無法再進一步分解的物質），在歷史上分為三個不同階段的定義：早期的定義（類似古希臘時的定義）、化學上的定義及原子的定義。

化學定義及原子定義

1661年，愛爾蘭自然哲學家羅伯特·波義耳發現不止以往古人認為只有四個古典元素。1789年出現了第一個現代化的化學元素列表，其中包含33個元素，並有元素的基本資料。1818年，已發現元素增加至四十多種。門得列夫於1869年發表的元素週期表中，有66種元素。
直到20世紀初，元素被定義為不能被分解成更簡單的物質。換句話說，一種化學元素不能轉化成其他化學元素。1913年，亨利·莫塞萊發現原子中的核電荷是原子的原子序，介定了目前原子的基礎定義。1919年，有72個已知的元素。1955年，為了紀念門得列夫，於是把第101種發現的元素命名為鍆。現今，共發現了118種元素，參見元素週期表。

近來發現的元素

第一個超鈾元素（原子序大於92的元素）錼是在1940年發現。到2016年1月份為止，國際純化學和應用化學聯合會已經認可了118種元素的發現。112號元素的發現是在2009年認可的，建議取名為鎶（copernicium），元素符號Cn，名稱及符號是在2010年2月19日由IUPAC所認可。目前已合成的最重的元素應該是118號元素Og，在2006年10月9日在俄羅斯杜布納杜布納聯合原子核研究所的核反應器中製備。117號元素Ts是目前最晚發現的元素，在2009年發現。IUPAC已在2011年6月正式認可了鈇及鉝二個元素，原子序分別是114及116，並且在2012年5月認可其名稱。IUPAC在2015年12月認可了第113、115、117及118號元素，在2016年6月8日宣布其預計要使用的名稱，這些元素名稱分別是nihonium（113, Nh）、moscovium（115, Mc）、tennessine（117, Ts）及oganesson（118, Og），名稱在2016年11月28日正式獲得認可。。
2017年1月15日，中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會聯合國家語言文字工作委員會組織化學、物理學、語言學界專家召開了113號、115號、117號、118號元素中文定名會。5月9日，中國科學院、國家語言文字工作委員會、全國科學技術名詞審定委員會在北京聯合召開發布會，向社會發布113號、115號、117號、118號元素中文名稱分別為鉨、鏌、鿬、鿫。