Химический элемент

Хими́ческий элеме́нт — совокупность атомов с одинаковым зарядом атомных ядер, то есть с одинаковым числом протонов в ядре. Число протонов равно атомному номеру элемента. Число нейтронов в ядрах атомов одного элемента может быть различным; такие разновидности атомов называются изотопами. Каждый химический элемент имеет название и химический символ. Постоянные символы элементов состоят из одной или двух латинских букв и являются международными, тогда как названия элементов в разных языках могут различаться. Названия на английском языке и символы утверждает ИЮПАК; они приводятся, в частности, в Периодической системе элементов Менделеева.

Формой существования химических элементов в свободном виде являются простые вещества (одноэлементные). Необходимо различать химический элемент как вид атомов и соответствующие ему простые вещества, обладающие определёнными физико-химическими свойствами.

По состоянию на сентябрь 2026 года официально признаны 118 химических элементов, из которых 94 встречаются в природе на Земле (некоторые лишь в следовых количествах), а остальные 24 относятся к синтезированным химическим элементам.

История становления понятия

Слово «элемент» (лат. elementum) использовалось ещё в античности (Цицероном, Овидием, Горацием) как часть чего-то (элемент речи, элемент образования и т. п.). Происхождение латинского слова точно не установлено.

Одним из этапов становления понятия химического элемента стала книга Роберта Бойля «Химик-скептик» (1661). Бойль подверг критике учения о четырёх стихиях Аристотеля и трёх принципах алхимиков. Обсуждая элементы как простые тела, не составленные из других тел и входящие в состав сложных веществ, он одновременно ставил под сомнение наличие общего для всех сложных веществ набора таких составных частей.

Условные обозначения элементов и соединений по Дж. Дальтону: 1 — водород; 2 — магний; 3 — кислород; 4 — сера; 5 — аммиак; 6 — диоксид углерода.

В 1789 году Антуан Лоран Лавуазье в «Элементарном курсе химии» привёл список химических элементов (таблицу простых тел), разделённых на несколько типов. Он отнёс к химическим элементам ряд простых веществ (в их числе кислород, азот, водород, сера, фосфор, углерод и все известные к тому времени металлы). В число элементов были включены свет, теплород и «солеобразующие землистые вещества» (трудноразлагаемые оксиды кальция, магния и др.). Данную концепцию элементов называют эмпирико-аналитической: критерием служила невозможность разложить вещество доступными средствами химического анализа. Лавуазье подчёркивал, что дальнейшее развитие анализа может изменить представления о том, какие вещества следует считать простыми.

В начале XIX века Джон Дальтон разработал атомную теорию, рассматривающую химический элемент как отдельный вид атомов и объясняющую различие простых и сложных веществ тем, что они состоят соответственно из атомов одного или разных видов. Дальтон придавал особое значение определению относительных атомных весов. Благодаря усилиям Йёнса Берцелиуса и его последователей были весьма точно определены атомные веса (атомные массы) известных элементов. Середина XIX века ознаменовалась целым рядом открытий новых элементов. На международном съезде химиков в г. Карлсруэ в 1860 году обсуждались определения понятий молекулы и атома, однако общего решения по этим вопросам принято не было.

Ко времени открытия Периодического закона Д. И. Менделеевым (1869) было известно 63 элемента. Именно атомный вес был выделен им как свойство атомов, определяющее периодический характер изменения свойств химических элементов, а также образуемых ими простых и сложных веществ. Менделеев определял химические элементы как «материальные части простых или сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и химических свойств». Открытие Менделеева позволило предвидеть существование, а также свойства ряда неизвестных в то время элементов и послужило научной основой для их классификации.

Однако Менделеев был вынужден сделать несколько перестановок в последовательности элементов, распределённой по возрастающему атомному весу, чтобы соблюсти периодичность химических свойств, а также ввести незаполненные клетки, соответствующие неоткрытым элементам. Позднее (в первые десятилетия XX века) стало ясно, что периодичность химических свойств зависит от атомного номера (числа протонов в атомном ядре), а не от атомной массы элемента. Средняя атомная масса элемента в образце определяется массами его изотопов и их относительным содержанием, а не числом стабильных изотопов. Расположение по возрастающему атомному весу было исторической основой периодической системы; современный периодический закон связывает свойства элементов с их атомными номерами.

С открытием изотопов стало ясно, что различные образцы одного и того же элемента могут иметь различающиеся средние атомные массы. Так, радиогенный гелий характеризуется преобладанием изотопа ⁴He, тогда как повышенная доля лёгкого изотопа ³He в некоторых образцах геотермального гелия уменьшает его среднюю атомную массу.

Современное понимание химического элемента как совокупности атомов с одинаковым зарядовым числом ядра, равным номеру элемента в Периодической таблице, связано с работами Генри Мозли (1913—1914) и экспериментальным определением заряда ядра Джеймсом Чедвиком (1920).

Известные химические элементы

Основная статья: Периодическая система элементов

По состоянию на сентябрь 2026 года официально признаны 118 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 118), из них 94 обнаружены в природе на Земле (некоторые — лишь в следовых количествах), остальные 24 получены искусственно в результате ядерных реакций. Предпринимаются попытки синтеза следующих сверхтяжёлых трансурановых элементов, в частности элементов с атомными номерами 119 и 120. Заявления об открытии элементов с атомными номерами выше 118 не получили официального признания. Информация о ещё не открытых химических элементах доступна в статье Расширенная периодическая таблица элементов.

Один из способов получения трансурановых элементов — захват нейтронов ядрами тяжёлых элементов. Последующие β⁻-распады нейтроноизбыточных ядер приводят к росту атомного номера и появлению дочерних ядер с атомным номером Z > 92. Этот путь используется, например, для получения плутония из урана и америция из плутония в ядерных реакторах. Эйнштейний (Z = 99) и фермий (100) были открыты в продуктах термоядерного взрыва, при котором происходил многократный захват нейтронов.

При этом пути первого получения элементов различались: нептуний (93) был получен при облучении урана нейтронами, плутоний (94) — при облучении урана дейтронами с последующим β⁻-распадом образовавшегося нептуния. Кюрий (96), берклий (97) и калифорний (98) впервые получены при облучении соответственно плутония, америция и кюрия альфа-частицами на ускорителях. Более тяжёлые элементы, начиная с менделевия (101), получают на ускорителях; в зависимости от реакции используют пучки лёгких или тяжёлых ионов и различные ядра-мишени.

Право предложить название новому химическому элементу предоставляется первооткрывателям после признания открытия и установления его приоритета. Название должно удовлетворять определённым правилам. Заявления об открытии оценивают эксперты Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК; англ. International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) и Международного союза теоретической и прикладной физики (ИЮПАП). Предложенное название проходит рассмотрение ИЮПАК и публичное обсуждение, после чего может быть официально утверждено.

К концу 2016 года все 118 известных элементов получили утверждённые ИЮПАК постоянные названия. До утверждения постоянного названия, в том числе для ещё не открытых элементов, может использоваться временное систематическое название, образованное из установленных ИЮПАК числовых корней, соответствующих цифрам атомного номера. Для трёхзначного номера временный символ состоит из трёх букв — первых букв этих корней. Например, 118-й элемент, оганесон, до официального утверждения постоянного названия носил временное название унуноктий и символ Uuo.

Для ещё не открытых или не получивших постоянных названий элементов применяют также обозначения с помощью системы, использованной ещё Менделеевым, — по названию вышестоящего гомолога в периодической таблице, с добавлением префиксов «эка-» или (редко) «дви-», означающих санскритские числительные «один» и «два» (в зависимости от того, на 1 или 2 периода выше находится гомолог). Например, до открытия германий (стоящий в периодической таблице под кремнием и предсказанный Менделеевым) назывался эка-кремнием, оганесон (унуноктий, 118) назывался также эка-радоном, а флеровий (унунквадий, 114) — эка-свинцом.

Классификация

По химическим свойствам выделяют, в частности, следующие частично пересекающиеся группы:

• щелочные металлы;
• щёлочноземельные металлы;
• металлоиды;
• неметаллы;
• галогены;
• благородные газы;
• переходные металлы;
• лантаноиды;
• актиноиды.

По типу заполняемого электронного подуровня атомов различают блоки элементов:

• s-элементы;
• p-элементы;
• d-элементы;
• f-элементы.

Символы химических элементов

Основная статья: Символы химических элементов

Символы химических элементов используются как сокращения для названия элементов. В качестве символа обычно берут начальную букву названия элемента и в случае необходимости добавляют следующую или одну из следующих. Обычно это начальные буквы латинских названий элементов: Cu — медь (cuprum), Ag — серебро (argentum), Fe — железо (ferrum), Au — золото (aurum), Hg — ртуть (hydrargyrum). Такая система химических символов была предложена в 1813—1814 годах шведским химиком Я. Берцелиусом. Временные символы элементов, использующиеся до официального утверждения их постоянных названий и символов, для трёхзначных атомных номеров состоят из первых букв числовых корней, соответствующих цифрам номера (например, унуноктий — 118-й элемент — имел временное обозначение Uuo). Помимо химических символов, используются описанные выше обозначения по вышестоящим гомологам (Eka-Rn, Eka-Pb и т. п.).

Индексами возле символа элемента обозначаются: слева вверху — массовое число, слева внизу — атомный номер, справа вверху — заряд иона, справа внизу — число атомов данного элемента в химической формуле:

массовое число		заряд иона
	Символ элемента
порядковый номер		число атомов в формуле

Примеры:

•  — молекула водорода, состоящая из двух атомов; число атомов указано нижним индексом 2;
•  — ион меди с зарядом 2+;

•  — атом углерода с атомным номером 6 и массовым числом 12;
•  — два атома углерода; число 2 перед символом является коэффициентом.

В Периодической таблице карточка химического элемента обычно включает следующие характеристики:

• 1 — обозначение химического элемента.
• 2 — русское название.
• 3 — порядковый номер химического элемента, равный количеству протонов в атомном ядре.
• 4 — относительная атомная масса элемента, зависящая от масс его изотопов и их относительного содержания. В таблице ИЮПАК для элементов, не имеющих характерного изотопного состава в природных земных образцах, вместо стандартной относительной атомной массы в квадратных скобках приводится массовое число изотопа с наибольшим подтверждённым периодом полураспада.
• 5 — распределение электронов по энергетическим уровням.
• 6 — электронная конфигурация.

Распространённость химических элементов в природе

Основные статьи: Распространённость химических элементов и содержание элементов в земной коре

Распространённость химических элементов в земной коре (% масс.) — кларковые числа

Из химических элементов наиболее распространены в земной коре кислород и кремний. Эти элементы вместе с элементами алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, водород и титан составляют более 99 % массы земной коры, так что на остальные элементы приходится менее 1 %. В морской воде, помимо кислорода и водорода — составных частей самой воды, высокое содержание имеют такие элементы, как хлор, натрий, магний, сера, кальций, калий, бром и углерод. Массовое содержание элемента в земной коре называется кларковым числом или кларком элемента.

Содержание элементов в коре Земли отличается от содержания элементов в Земле, взятой как целое, поскольку химсоставы коры, мантии и ядра Земли различны. Так, ядро состоит в основном из железа и никеля. В свою очередь, содержания элементов в Солнечной системе и в целом во Вселенной также отличаются от земных. Наиболее распространённым элементом во Вселенной является водород, за ним идёт гелий. Исследование относительных распространённостей химических элементов и их изотопов в космосе является важным источником информации о процессах нуклеосинтеза и об эволюции Солнечной системы и небесных тел.

Образование

Большинство химических элементов (94 из известных 118) были найдены в природе (в земной коре), хотя некоторые из них были вначале получены искусственно (а именно: технеций Tc (порядковый номер 43), прометий Pm (61), астат At (85), а также трансурановые нептуний Np (93) и плутоний Pu (94); эти пять элементов после их искусственного создания были в исчезающе малых количествах обнаружены и в природе; их природное присутствие связано с радиоактивным распадом, спонтанным делением тяжёлых ядер, а также захватом нейтронов и последующими бета-распадами). Таким образом, в земной коре наличествуют (в очень разных концентрациях) все первые 94 элемента таблицы Менделеева.

Среди этих 94 химических элементов 83 представлены изотопами, сохранившимися со времени образования Солнечной системы, — первичными, или примордиальными изотопами. Они образовались при первичном нуклеосинтезе и последующих процессах нуклеосинтеза до возникновения Солнечной системы и являются либо стабильными, либо достаточно долгоживущими, чтобы сохраняться в течение примерно 4,6 млрд лет. Остальные 11 природных элементов (технеций, прометий, полоний, астат, радон, франций, радий, актиний, протактиний, нептуний и плутоний) не имеют столь долгоживущих изотопов; их природные количества пополняются в ходе ядерных процессов, включая радиоактивный распад, спонтанное деление и захват нейтронов.

Элементы, следующие после плутония Pu (порядковый номер 94) в периодической системе Д. И. Менделеева, относят к синтезированным элементам. Это не означает их полного отсутствия в земной среде: например, америций-241 обнаруживается в почвах вследствие радиоактивных выпадений антропогенного происхождения. Периоды полураспада всех известных изотопов этих элементов малы по сравнению с временем существования Земли. Поиски гипотетических природных сверхтяжёлых элементов пока не привели к официально признанному открытию новых элементов.

Большинство химических элементов, кроме нескольких самых лёгких, возникли во Вселенной главным образом в ходе звёздного нуклеосинтеза и взрывных ядерных процессов. Многие ядра вплоть до элементов железной группы образуются в результате термоядерного синтеза; значительная часть более тяжёлых ядер — при последовательном захвате нейтронов и последующих бета-распадах, а также в других ядерных реакциях. После первичного нуклеосинтеза в первые минуты после Большого взрыва вещество состояло преимущественно из водорода и гелия с небольшой примесью лития. Существенную роль в образовании лития, бериллия и бора играют реакции расщепления более тяжёлых ядер при взаимодействии с космическими лучами.

Одним из источников тяжёлых элементов во Вселенной являются слияния нейтронных звёзд, сопровождающиеся выбросом вещества, в котором происходит быстрый захват нейтронов (r-процесс). Наблюдения килоновой AT2017gfo, сопровождавшей событие GW170817, подтвердили образование тяжёлых элементов при таком слиянии; в её спектре был идентифицирован стронций.

См. также: Нуклеосинтез и Трансмутация

Химические элементы как составная часть химических веществ

Основные статьи: Простые вещества и Химическое соединение

Химические вещества могут состоять как из одного химического элемента (простое вещество), так и из разных (сложное вещество или химическое соединение).

Способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам, называется аллотропией. В большинстве случаев названия простых веществ совпадают с названием соответствующих элементов (например, цинк, алюминий, хлор), однако в случае существования нескольких аллотропных модификаций названия простого вещества и элемента могут отличаться, например кислород (дикислород, O₂) и озон (трикислород, O₃); алмаз, графит и ряд других аллотропных модификаций углерода существуют наряду с аморфными формами углерода.

При 20 °C и нормальном атмосферном давлении 11 элементов существуют в виде газообразных простых веществ (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, Kr, Xe, Rn), 2 — жидкости (Br и Hg), остальные элементы с экспериментально установленным агрегатным состоянием образуют твёрдые тела. Для ряда сверхтяжёлых элементов агрегатное состояние в этих условиях экспериментально не установлено.

См. также

• Список химических элементов
• Хронология открытия химических элементов
• Периодическая система химических элементов
• Нуклид
• Изотоп
• Элементарная частица
• Система частиц

Ссылки

• Химия и Жизнь (Солтеровская химия). Ч. 1. Понятия химии.— М.: Изд-во РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1997.
• Азимов А. Краткая история химии. — СПб.: Амфора, 2002.
• Бедняков В. А. О происхождении химических элементов // ЭЧАЯ. — 2002. Т. 33. — Ч. 4. — С. 914—963.

Литература

• Аншиц А. Г., Грачёва Е. В., Клусс О. К., Салькова Е. А. Химия. Версия 1.0. — Красноярск: Издательско-полиграфический комплекс Сибирского федерального университета, 2008. — 224 с. — (Электронный учебно-методический комплекс). — ISBN 978-5-7638-1438-5.
• Верховский В. Н. Неорганическая химия. — Учпедгиз, 1940. — 428 с.
• Глинка Н. Л. Общая химия. — Издание стереотипное. — М.: КноРус, 2021. — 748 с. — ISBN 978-5-406-07956-0.
• Ельяшевич М. А. Атом (рус.) // Большая Российская энциклопедия. — Большая Российская энциклопедия, 2005. — Т. 2. — С. 466—470.
• Кедров Б. М. Развитие понятия элемента от Менделеева до наших дней. — М.—Л.: Гостехиздат, 1948. — 248 с.
• Кедров Б. М. Эволюция понятия элемента в химии. — М.: Изд-во Академии педагогических наук РСФСР, 1956. — 360 с.
• Менделеев Д. И. Элементы химические // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Раков Э. Г. Химические элементы (рус.) // Большая Российская энциклопедия. — Большая Российская энциклопедия, 2017. — Т. 34. — С. 63.
• Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия. 8 класс. — 4-е изд. — М.: Просвещение, 2016. — 208 с. — ISBN 978-5-09-037746-1.
• Ходаков Ю. В. Общая и неорганическая химия. Пособие для учителей. — М.: Учпедгиз, 1959. — 736 с.
• Чернобельская Г. М. Методика обучения химии в средней школе. — М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2000. — 336 с. — ISBN 5-691-00492-1.