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化学元素とは、陽子の数によって定義される原子の一種です。陽子の数をその元素の原子番号と呼びます。例えば、酸素の原子番号は8です。酸素原子1個は原子核に8個の陽子を持っています。同じ元素の原子でも、原子核内のニュートロンの数が異なる場合があり、これらは同位体と呼ばれます。ある元素の原子は、原子番号が変化する核反応によって、別の元素の原子に変換されることがあります。宇宙のほとんどすべてのバリオン物質は元素で構成されています（まれな例外として中性子星があります）。
「化学元素」という用語は、単一の元素からなる純粋な化学物質を意味する場合にも広く用いられます。例えば、酸素ガスは酸素原子のみから構成されています。
歴史的に、「化学元素」という用語は、化学反応によって構成物質に分解できない物質を意味しており、実際的な目的においては、この定義は今でも有効です。1920年代には、同位体が化学的に分離できる場合、それらを別の元素として認識するに値するかどうかについて、多少の論争がありました。[ 1 ] 2016年11月までに、国際純正・応用化学連合（IUPAC）は合計118の元素を認定しました。最初の94は地球上に自然に存在し、残りの24は核反応で生成される合成元素です。急速に崩壊する不安定な放射性元素（放射性元素）を除いて、ほぼすべての元素はさまざまな量で工業的に入手可能です。さらなる新しい元素の発見と合成は、科学研究の継続的な分野です。
元素の発見と利用の歴史は、炭素、硫黄、銅、金などの天然鉱物を発見した初期の人類社会に始まります（ただし、現代の元素の概念はまだ理解されていませんでした）。このような物質を分類しようとする試みは、歴史を通じて古典的な元素の概念、錬金術、および同様の理論を生み出しました。元素に関する現代の理解の多くは、1869年に最初の周期表を発表したロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフの研究から発展しました。この周期表は、原子番号の増加順に元素を行（「周期」）に整理し、列（「族」）は周期的な物理的および化学的性質を共有しています。周期表は元素のさまざまな性質をまとめており、化学者は元素間の関係を導き出し、まだ観測されていない極めて不安定な核種や、これらの未知の元素が形成する可能性のある化合物について予測することができます。
「（化学）元素」という用語は、2つの異なるが密接に関連した意味で使用されます。[ 2 ] 1 は、1 種類の原子（自由元素）からなる化学物質を意味する場合と、さまざまな化学物質の構成要素としてのその種類の原子を意味する場合があります。たとえば、水（H 2 O）は、水素（H）と酸素（O）の元素から構成されていますが、H 2 O 分子は H 2 分子や O 2 分子とは異なるため、化学物質である水素（H 2）と酸素（O 2）は含まれていません。 「1 種類の原子からなる化学物質」という意味では、「素物質」と「単純物質」という用語が提案されていますが、英語の化学文献ではあまり受け入れられていません。一方、他の言語では、それらの同等の用語が広く使用されています。たとえば、フランス語では、élément chimique（原子の種類）とcorps simple（1 種類の原子からなる化学物質）を区別しています。ロシア語ではхимический элементとпростое веществоが区別されます。
化学元素は、名称、化学記号、および性質（原子または物質として）によって分類できます。原子の種類としての化学元素の性質には、原子番号、原子量、同位体、自然界における存在量、イオン化エネルギー、電子親和力、酸化状態、電気陰性度などがあります。[ 3 ]放射性核種は、半減期の長さによって分類できます。 [ 4 ]物質としての化学元素の性質には、密度、融点、沸点、電気伝導率、熱伝導率などがあります。[ 5 ]
元素の最も便利な、そして間違いなく最も伝統的な表現方法の1つは周期表の形であり、周期表は類似した化学的性質（そして通常は類似した電子構造）を持つ元素をグループ化します。[ 6 ]化学元素は地球上での起源によって分類することができ、最初の94は自然に存在すると考えられ、原子番号が94を超えるものは人工核反応によってのみ人工的に生成されています。[ 7 ]
最も軽い元素は水素とヘリウムで、どちらも宇宙の最初の 20 分にビッグバン核合成によって生成され[ 8 ]、質量比で約 3:1 (または原子数で 12:1) [ 9 ] [ 10 ] 、次の 2 つの元素であるリチウムとベリリウムが微量に存在します。自然界で見つかる他のほとんどすべての元素は、さまざまな自然の核合成法によって生成されました。[ 11 ]地球上では、少量の新しい原子が核生成反応[ 12 ]または宇宙線破砕などの宇宙生成プロセスで自然に生成されます。[ 13 ]また、新しい原子は、アルファ崩壊、ベータ崩壊、自発核分裂、クラスター崩壊、その他のまれな崩壊モードなどの進行中の放射性崩壊プロセスの放射性娘同位体として地球上で自然に生成されます。[ 14 ]
現在、118 種類の元素が知られています。ここで「知られている」とは、ほんのわずかな崩壊生成物からでも十分に観測され、他の元素と区別できることを意味します。[ 15 ] [ 16 ]最近では、2006 年 10 月に元素 118 (後にオガネソンと命名) の合成が報告され、2010 年 4 月に元素 117 (テネシン)の合成が報告されました。[ 17 ] [ 18 ]これらの 118 種類の元素のうち、最初の 94 種類の元素は、太陽系の形成時に存在した原始核種として、またはウランとトリウムの自然発生的な核分裂または核変換生成物として、地球上で直接検出されています。[ 19 ] [ 7 ]これらのうち 6 種類は極めて微量で存在します。テクネチウム(原子番号 43)、プロメチウム(原子番号 61)、アスタチン (原子番号 85)、フランシウム(原子番号 87)、ネプツニウム（番号93）、プルトニウム（番号94） 。 [ 20 ]これらの6つの元素は、宇宙全体、恒星のスペクトル、中性子星の合体、超新星爆発などで検出されており、これらの場所では短寿命の放射性元素が新たに生成されている。[ 21 ] [ 22 ]
2 つ以上の原子が結合して分子を形成できます。一部の元素は、その元素の原子のみからなる分子を形成します。たとえば、水素 (H) の原子は二原子分子(H 2 ) を形成します。化学化合物は、異なる元素の原子からなる物質です。分子構造または非分子構造を持つことができます。混合物は、異なる化学物質を含む物質です。つまり、(分子物質の場合) 異なる種類の分子が含まれています。異なる元素が化学反応を起こすと、原子は化学結合によって結合された新しい化合物に再配列されます。[ 23 ]金、白金、鉄族金属を含む 20 未満の元素は、比較的純粋な天然元素鉱物として、結合していない状態で見つかることがあります。[ 24 ]他のほとんどすべての天然元素は、地球上で化合物または混合物として存在します。[ 23 ]空気は主に分子窒素と酸素の混合物ですが、二酸化炭素や水などの化合物、および化学的に不活性で化学反応を起こさない希ガスである原子状アルゴンも含まれています。[ 25 ]： 258
原子の標準モデルは、電荷を帯びた陽子と電気的に中性のニュートロンからなる高密度の原子核が、低質量で負電荷を帯びた電子の電気的に結合した雲に囲まれているというものである。陽子間の相互反発力にもかかわらず、原子核は粒子間の短距離の強い核力によって結合されている。中性子と陽子の比率が原子核の安定性を決定し、中性子の適切なバランスが陽子間の相互反発力を打ち消す。[ 26 ]
核種、または原子核種とは、陽子の数Z、中性子の数N、および核エネルギー状態によって特徴付けられる原子のクラスです。[ 27 ] 1 1 H （単独の陽子）以外の原子核は、陽子と中性子が残留強い力によって結合し、陽子間の電気的反発を克服して構成されています。そのため、陽子同士を結合させるには中性子が必要であり、陽子の数が増えるにつれて、安定性に必要な中性子と陽子の比率も増加します。[ 28 ]例えば、酸素までの軽元素は陽子と同じ数の中性子を持つ安定な核種を持ちますが、鉛は陽子 2 個に対して中性子が約 3 個必要です。[ 29 ]
元素の原子番号は各原子の陽子の数に等しく、その元素を定義します。[ 30 ]例えば、すべての炭素原子は原子核に6個の陽子を含んでいるため、炭素の原子番号は6です。[ 31 ]原子核の陽子の数はその電荷を決定し、それが非イオン化状態の原子の束縛電子の数を決定します。電子は原子軌道を占有し、それが原子の化学的性質を決定します。[ 32 ]
同位体とは、同じ元素の原子（つまり、原子核内の陽子の数が同じ）だが、中性子の数が異なる原子のことである。[ 33 ]例えば、炭素には主に3つの同位体がある。すべての炭素原子は6個の陽子を持つが、中性子の数は6個、7個、または8個のいずれかである。これらの質量数はそれぞれ12、13、14であるため、上記の3つの同位体は炭素12、炭素13、炭素14（12C、13C、14C）として知られている。天然の炭素は、12C（約98.9%）、13C（約1.1%）、および1兆分の1原子程度の14Cの混合物である。原子核内の中性子の数は、通常、元素の化学的性質にほとんど影響を与えない。[ 32 ]例外は水素で、運動学的同位体効果が顕著です。[ 34 ]したがって、炭素同位体はすべて6個の電子を持つため、中性子の数は6個から8個まで異なる場合でも、化学的性質はほぼ同じです。そのため、質量数や原子量ではなく、原子番号が元素の識別特性とみなされます。[ 32 ]
すべての元素には放射性同位体（放射性同位体）が存在しますが、[ 35 ]これらの放射性同位体の多くは半減期が短いため自然界には存在しません。放射性同位体は通常、アルファ崩壊、ベータ崩壊、または逆ベータ崩壊によって他の元素に崩壊します。最も重い元素の一部の同位体は自発核分裂も起こします。放射性でない同位体は「安定」同位体と呼ばれます。陽子の数、中性子の数、またはその両方が偶数である同位体は、同じ粒子がペアになることができるため、より安定する傾向があります。[ 36 ] [ 37 ]このペアリング効果により、同一の粒子が反対のスピンで整列し、結合エネルギーが増加します。[ 38 ]
天然に存在する元素のほとんど（94個中54個）は、複数の安定同位体を持っています。安定同位体が1つだけである単一同位体元素は26個だけで、これらは陽子の原子番号が奇数ですが、中性子の数が奇数であるベリリウム9だけは例外です。 [ 39 ] [ 40 ] 80個の安定元素の平均安定同位体数は、元素あたり3.1個です。1つの元素の安定同位体の最大数は10個（元素番号50のスズ）です。[ 37 ]
原子番号1から82までの元素はそれぞれ少なくとも1つの安定同位体を持つ（ただし、安定同位体を持たない元素43のテクネチウムと元素61のプロメチウムを除く）。しかし、一部の元素（タングステン[ 41 ]や鉛など）の観測的に安定な同位体は、非常に長い半減期を持つわずかに放射性であると予測されている[ 42 ]。例えば、観測的に安定な鉛同位体の予測半減期は10³⁵年から10¹⁸⁹年である[ 43 ] 。同位体は、理論的には不安定であるが放射性崩壊がまだ観測されていない場合に、観測的に安定である。安定と呼ばれる250以上の核種のうち[ 44 ] 、理論的に安定であると考えられるのはわずか90であり、これは既知の崩壊モードがないことを意味する[ 45 ] 。
原子番号 83 から 94 の元素は、すべての同位体の放射性崩壊が検出できるほど不安定です。 [ 46 ]これらの元素の中には、特にビスマス(原子番号 83)、トリウム(原子番号 90)、ウラン(原子番号 92) のように、太陽系が形成される前から存在し続けるのに十分な半減期を持つ同位体が 1 つ以上あります。[ 47 ]残りの最も寿命の長い同位体は、太陽系の始まりには存在できなかったほど半減期が短く、そのため「一時的元素」と呼ばれています。これらの 11 の一時的元素のうち、5 つ (ポロニウム、ラドン、ラジウム、アクチニウム、プロトアクチニウム) は、トリウムとウランの比較的一般的な崩壊生成物です。[ 48 ]残りの6つの過渡的元素（テクネチウム、プロメチウム、アスタチン、フランシウム、ネプツニウム、プルトニウム）は、ウランや他の重元素が関与するまれな崩壊モードや核反応プロセスの生成物として、ごくまれにしか存在しない。[ 49 ]
残りの24の最も重い元素（ 94番目の元素プルトニウムより重い元素）は放射性で、半減期が非常に短いため地球上には存在せず、合成する必要がある。[ 50 ] 5つは、95番目の元素（アメリシウム）から99番目の元素（アインスタイニウム）まで、プリジビルスキ星のスペクトルで発見されている。これらはウランとトリウムの中性子捕獲生成物であると考えられている。[ 51 ] 24のより重い元素はすべて放射性で、半減期が短い。これらの元素のいずれかが地球の形成時に存在していたとしても、完全に崩壊していることは確実であり、新星に存在していたとしても、検出するには量が少なすぎる。テクネチウムは、1937年に合成されたとされる最初の非天然元素であるが、その後テクネチウムの痕跡が自然界で発見されている（また、この元素は1925年に自然に発見された可能性もある）。[ 52 ]この人工的な生成とその後の自然発見のパターンは、他のいくつかの放射性天然希少元素でも繰り返されている。[ 53 ]
最も軽い放射性同位体はトリチウムであり、半減期12.3年でベータ崩壊を起こす 。[ 54 ] 2 × 10ビスマス209は、宇宙の推定年齢の10⁹倍以上にあたる19年間、既知の核種の中で最も長いアルファ崩壊半減期を持ち、80の安定元素とほぼ同等とみなされている。 [ 55 ] [ 56 ]同位体テルル128は、 2.25 × 10⁻⁶年の半減期で二重ベータ崩壊によって核変換する。24年、ビスマス209の10万倍以上。 [ 57 ]人体における同位体崩壊による放射線被ばくの主な原因は炭素14とカリウム40の摂取であり、年間実効線量は0.17 mSv 。[ 58 ]
元素の質量数Aは、原子核内の核子（陽子と中性子）の数です。ある元素の異なる同位体は、化学記号の左側に上付き文字として書かれる質量数によって区別されます（例： 238 U）。質量数は常に整数であり、「核子」を単位とします。[ 59 ]したがって、マグネシウム-24（質量数は 24）は、24 個の核子（陽子 12 個と中性子 12 個）を持つ原子です。
質量数は中性子と陽子の総数を単純に数えるため整数ですが、元素の特定の同位体（または「核種」）の原子質量は、その同位体の単一原子の質量であり、通常はダルトン（記号：Da）、別名普遍原子質量単位（記号：u）で表されます。相対原子質量は、原子質量を原子質量定数で割った無次元数であり、原子質量定数は 1 Da に等しくなります。[ 61 ]一般に、特定の核種の質量数は、相対原子質量とわずかに異なります。この質量不足は、主に核結合エネルギーによるものです。[ 59 ]例えば、塩素-35 の原子質量は、有効数字 5 桁で 34.969 Da であり、塩素-37 の原子質量は 36.966 Da です。[ 62 ]しかし、各同位体の相対原子質量は質量数に非常に近い（常に1%以内）。原子質量がちょうど自然数である唯一の同位体は12Cで、その質量は12Daである 。これは、ダルトンが基底状態の自由な中性炭素12原子の質量の1/12として定義されているためである。[ 63 ]
水素などの低質量原子の核融合では、質量とエネルギーの等価関係によって決定されるように、質量不足の正味の変化がエネルギーとして放出されます。水素原子をヘリウムに融合させるこのプロセスが、太陽のエネルギー出力の原動力となっています。時間の経過とともに、恒星の中心部でヘリウムの濃度が増加します。太陽よりもはるかに質量の大きい恒星の進化の過程では、鉄52に達するまで、アルファ過程と呼ばれるタイプの融合によって、ますます質量の大きい原子核が形成されます。 [ 64 ]原子核の結合エネルギーは、鉄とニッケルの同位体でピーク値に達します。[ 60 ]したがって、その点を超えると、さらなる融合によって結合エネルギーが低下し、エネルギーが放出されるのではなく吸収されます。その結果、恒星のエネルギー出力に寄与しない不活性な鉄の核が形成されます。[ 64 ]
核分裂過程では、生成された粒子はより高い正味結合エネルギーを持つ。この正味質量不足の変化は、再びエネルギーの放出につながる。したがって、ウラン235のような高放射性元素は、エネルギー生産の有用な源となり得る。[ 65 ]
元素の標準原子量（一般に「原子量」と呼ばれる）は、特定の環境に存在するその化学元素のすべての同位体の原子質量を、原子質量単位に対する同位体存在比で重み付けした平均値です。 [ 61 ]この数値は、整数に近くない分数になる場合があります。たとえば、塩素の相対原子質量は 35.453 u ですが、これは約 76% の塩素 35 と 24% の塩素 37 の平均であるため、整数とは大きく異なります。[ 62 ]相対原子質量の値が整数から 1% 以上異なる場合は、その元素のサンプルには複数の同位体が自然に相当量存在するため、この平均化効果によるものです。
化学者と原子核科学者は、純粋な元素の定義が異なります。化学では、純粋な元素とは、原子がすべて（実際にはほとんどすべて）同じ原子番号、つまり陽子の数を持つ物質を意味します。しかし、原子核科学者は、純粋な元素を1つの同位体のみから構成されるものと定義しています。[ 66 ]
例えば、銅線は、原子の99.99%が銅で、それぞれ29個の陽子を持つ場合、化学的に99.99%純粋である。しかし、天然の銅は中性子の数が異なる2つの安定同位体、69%の63Cuと31%の65Cuから構成されているため、同位体的に純粋ではない[ 67 ] 。一方、純金は、通常の金が197Auという1つの同位体のみから構成されているため、化学的にも同位体的にも純粋である[ 66 ] 。
量子力学によって、束縛された電子は層状の殻に組織化される。各殻には、対になった軌道を占める電子の数が固定されている。これらの殻の電子配置は、隣接する原子との相互作用を媒介し、原子の化学的性質を決定する。殻の配置は周期表の構造を決定する。
原子内に閉じ込められた電子は、特定の離散的なエネルギー準位しか取ることができません。この制限は量子化として知られており、粒子とエネルギーの最小スケールでの波動的な振る舞いを予測する量子力学理論の基本的な側面です。原子の場合、これらのエネルギー準位は電子副殻によって表され、電子の波動は特定の波長を持つ定常波の一種として保持されます。波長の整数倍ごとに1つ以上の原子軌道が生成され、それぞれの軌道はそのエネルギー準位における電子の電荷分布を表します。すべての軌道には電子対を収容できます。原子の軌道における電子の配置は、電子配置と呼ばれます。
これらの軌道とその副殻は殻にまとめられており、各殻にはエネルギー準位を示す主量子数があります。各殻には固定数の電子しか存在できず、その数は次の式で表されます。、 どこは 1、2、3、4 などです。したがって、各殻が収容できる電子の数は 2、8、18、32 などです。殻は周期表の行で表されます。[ 68 ]
最も単純な原子は、1 つの陽子と 1 つの電子からなる通常の水素です。その最小エネルギー基底状態では、電子は最初の殻（Kと表記）を占めます。この殻には 1s と表記される 1 つの副殻があります。2 番目の元素であるヘリウムは、2 つの陽子、2 つの電子、そして通常は 2 つの中性子を持っています。2 番目の電子は最初の電子と同じ軌道を占め、スピン対電子で殻を完成させます。リチウムには 3 つの電子があるため、1 つの電子は、2 番目の殻（Lと表記）の軌道を占める必要があります。アウフバウの原理に従って、3 番目の電子は次に利用可能な最も低いエネルギーの副殻である 2s を占めます。このプロセスは続き、次の利用可能な最も低いエネルギーの軌道に連続する電子が配置されます。[ 69 ]
化学元素の一般的な物理的および化学的性質を特徴づけるために、いくつかの用語が一般的に使用されています。最初の区別は、電気を容易に伝導する金属、電気を伝導しない非金属、および中間的な性質を持ち、しばしば半導体として振る舞う少数の半金属です。[ 70 ]
物質としての物理的性質が異なるだけでなく、金属元素と非金属元素は原子の種類として化学的性質も異なります。金属元素は単純な陽イオンを形成するのに対し、非金属元素（および弱金属）は単純な陰イオンとオキソ陰イオンを形成します。[ 71 ]例外は希ガスで、単純な陰イオンは形成しませんが、キセノンではオキソ陰イオンが知られています。[ 72 ]ただし、より高い酸化状態にある一部の金属元素もオキソ陰イオンを形成します。非金属元素の原子も共有結合で化合物を形成します。[ 73 ]
より広義の金属と非金属の特定のセットには、区別する用語が使用されます。これらのセットには、アクチニド、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、ランタニド、遷移金属、後遷移金属、メタロイド、反応性非金属、および希ガスが含まれます。このシステムでは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ランタニド、アクチニドは、より広い意味で見た金属の特別なグループです。同様に、反応性非金属と希ガスは、より広い意味で見た非金属です。[ 70 ]一部の表現では、ハロゲンは区別されず、アスタチンはメタロイドとして識別され、その他は非金属として識別されます。
より洗練された分類は、周期表のカラー表示でよく示されます。元素の性質は、物理的および化学的性質によって元素を強力かつ優雅に整理するこの形式で要約できます。各行は、同じ数の電子殻を持つ元素の周期を形成します。番号付きのグループは18 あり、それぞれが最外殻電子の軌道位置によって化学的性質が支配される元素の列を形成します。ブロックは、価電子または空孔が占める原子軌道を共有する元素の集合です。[ 74 ]
周期表の使用は今や化学において広く普及しており、さまざまな化学挙動を分類、体系化、比較するための非常に有用な枠組みを提供している。周期表は物理学[ 6 ] 、地質学[ 75 ] 、生物学[ 76 ] 、材料科学、工学、農業、医学[ 77 ] 、栄養学[ 78 ] 、環境衛生、天文学[ 79 ]にも幅広く応用されている。その原理は特に化学工学において重要である。
元素を区別する一般的な基本的な方法は、標準温度圧力(STP)における物質の状態(相)、すなわち固体、液体、気体のいずれであるかである。ほとんどの元素は STP では固体であるが、いくつかは気体である。臭素と水銀だけが 0 度 ℃ (32 度 °F) および 1 気圧で液体である。[ 81 ]セシウムとガリウムはその温度では固体であるが、それぞれ28.4 °C (83.1 °F)と29.8 °C (85.6 °F)で融解する。[ 82 ]
融点と沸点は、通常1気圧における摂氏度で表され、さまざまな元素の特性を表すのに一般的に使用されます。2,000 Cを超えるものは難揮発性物質と呼ばれ、[ 83 ]容易に気化するものは揮発性物質と呼ばれます。融点と沸点の範囲が最も広い元素はガリウムで、2,204 °C (3,999 °F)で沸騰します。[ 84 ]ほとんどの元素についてはこれらの測定値が知られていますが、ごく少量しか存在しない放射性元素については、これらの測定値のいずれか、または両方がまだ決定されていません。[ 85 ]ヘリウムは絶対零度でも大気圧下で液体のままなので、通常の表現では融点ではなく沸点のみを持ちます。[ 86 ]
同じ元素の原子は、複数の方法で化学的に結合することができ、純粋な元素が性質の異なる複数の化学構造（原子の空間配置）で存在することを可能にする。元素が多くの構造形態のうちの1つに多形する能力は「同素体」として知られている。 [ 87 ]多形性で知られる非金属元素には、炭素、硫黄、リン、酸素、窒素などがある。[ 88 ]
例えば、炭素は、各炭素原子の周りに四面体構造を持つダイヤモンド、六角形構造の炭素原子の層が積み重なったグラファイト、非常に強い単層のグラファイトであるグラフェン、ほぼ球形の形状をしたフラーレン、六角形構造のチューブであるカーボンナノチューブとして存在します（これらでさえ、電気的特性は互いに異なる場合があります）。[ 89 ]
元素の基準状態は慣例により定義され、通常は1 barの圧力と特定の温度 (典型的には298.15 K ）。ただし、リンの場合、最も安定な同素体ではないにもかかわらず、基準状態は白リンであり、炭素の場合、グラファイトの構造が他の同素体よりも安定しているため、基準状態はグラファイトです。熱化学では、元素は基準状態での生成エンタルピーがゼロであると定義されます。 [ 90 ]
安定平衡状態では、固体元素は結晶構造を形成し、各元素は独自の構造を持つ。[ 87 ]これらは、立方晶（体心立方晶と面心立方晶を含む）、三斜晶、六方晶、単斜晶、斜方晶、菱面体晶、正方晶の7つの結晶構造ファミリーに属する。[ 91 ] 30以上の元素が立方晶で結晶化する。元素の40%は、面心立方晶または六方最密充填構造のいずれかの最密充填結晶を形成する。[ 92 ]合成的に生成された超ウラン元素の一部については、結晶構造を決定するには入手可能なサンプルが小さすぎた。
惑星内部に見られる高圧条件下では、元素は新しい結晶形で出現し、同素体を形成することがある。[ 93 ]例えば、7種類の高密度シリコン結晶は、以下の圧力で出現する可能性がある。1 MPaから 室温条件下では100 GPaである。 [ 94 ]炭素を豊富に含む白色矮星内部の極限状態では、ダイヤモンドのような非晶質ガラスが形成される可能性がある。[ 95 ]
選択された標準温度圧力(STP)における密度は、元素の特性を表す際によく用いられます。元素の質量密度は、原子核の質量と、結合電子によって生じる原子間の距離に依存します。密度はキログラム毎立方メートル (kg/m³) で表されますが、グラム毎立方センチメートル (g/ cm³ )で表されることもあります。いくつかの元素は、一般的に見られる温度では気体であるため、その密度は通常、気体状態で示されます。液化または固化すると、気体元素の密度は他の元素の密度と類似します。一般的な傾向として、原子番号が増加するにつれて密度は増加します。密度が低い元素は、希ガスとアルカリ金属です。密度が高い元素は、より多くの共有結合を形成できるため、周期表の列の中央に位置し、原子同士がより接近します。[ 96 ]
原子には固定された半径はなく、その寸法は電子雲の電荷分布によって決まります。測定されたサイズは、この雲と測定に使用される装置との相互作用に依存します。したがって、さまざまな方法では、似ているがわずかに異なる結果が得られます。[ 97 ]周期表の各行に沿って、半径はアルカリ金属の列から希ガスに向かって減少する傾向があります。これは、殻が満たされるにつれて、原子核の電荷の引力が電子の相互反発力を上回ることによって生じます。半径が小さいということは、価電子が原子核に近づくため、原子の化学反応性が低いことを意味します。[ 98 ]化学結合の種類に応じて、原子半径は結晶内の原子間隔、したがって質量密度を決定します。[ 99 ]
元素に密度が異なる同素体が存在する場合、概要説明では通常、代表的な同素体が1つ選ばれますが、[ 100 ]より詳細な説明がある場合は、各同素体の密度を記載することができます。たとえば、炭素の3つのよく知られた同素体（非晶質炭素、グラファイト、ダイヤモンド）の密度は、それぞれ1.8～2.1、2.267、3.515 g/cm³です。[ 101 ]
様々な化学元素は、固有の原子番号、認められた名称、および化学記号によって正式に識別される。
既知の元素の原子番号は 1 から 118 までで、慣習的にアラビア数字で表されます。元素は原子番号によって一意に配列でき、慣習的に最小から最大まで (周期表のように) 並べられるため、元素のセットは「～まで」、「～を超えて」、「～から～まで」などの表記で指定されることがあります。例えば、「鉄まで」、「ウランを超えて」、「ランタンからルテチウムまで」などです。「軽い」と「重い」という用語は、原子番号 (密度ではなく) の相対的な値を示すために非公式に使用されることもあります。例えば、「炭素より軽い」または「鉛より重い」などですが、元素の原子量は必ずしも原子番号とともに単調に増加するわけではありません。例えば、原子番号 18 のアルゴンの原子量は 39.95 ですが、原子番号 19 のカリウムの原子量は 39.098 です。[ 61 ]
現在元素として知られる様々な物質の命名は、物質の原子論よりも前に始まっており、当時はどの化学物質が元素でどの化学物質が化合物なのかは分からなかったものの、様々な文化圏で鉱物、金属、化合物、合金、混合物、その他の物質に地域ごとに名前が付けられていた。それらが元素として認識されるようになると、古くから知られていた元素（例えば、金、水銀、鉄）の既存の名称は、ほとんどの国でそのまま使われ続けた。
元素名に関して、便宜上、言語上の細かな点、あるいはナショナリズムのために、国によって違いが生じた。[ 102 ]例えば、ドイツ語話者は「水素」を「Wasserstoff」（水）、「酸素」を「Sauerstoff」（酸性のもの）、「窒素」を「Stickstoff」（窒息させるもの）と呼び、英語やその他の言語では「ナトリウム」を「ナトリウム」、「カリウム」を「カリウム」と呼び、フランス語、イタリア語、ギリシャ語、ポルトガル語、ポーランド語では「窒素」を「azote/azot/azoto」（「生命がない」という意味の語根から）と呼ぶことを好む。
過去には、新しい元素の名前は伝統的に発見者によって決定されていました。[ 102 ]これは1947年に国際純正・応用化学連合（IUPAC）の会議で、新しい元素の名前と記号はIUPACによって決定されることが決定されたことで変わりました。新しい元素の発見者は名前を提案する権利がありましたが、国際的なコミュニケーションと貿易の目的のために、古代から認識されているものも最近認識されているものも含め、化学元素の正式名称はIUPACによって決定されます。[ 103 ]
IUPAC組織は、リンガフランカとして国際英語のスタイルを決定し、元素の化学記号がラテン語やその他の伝統的な単語に基づいている場合でも、伝統的な英語名を採用しています。たとえば、79番目の元素（Au）の名前として「aurum」ではなく「gold」を採用しています。IUPACは、米国綴りの「 aluminum」と「cesium」よりも英国綴りの「aluminium」と「caesium」を好み、英国綴りの「sulphur」よりも米国綴りの「sulfur」を好みます。[ 104 ]ただし、多くの国で大量販売が可能な元素には、依然として現地で使用されている国名が残っていることが多く、ラテン文字を使用しない国では、IUPACの元素名が使用される可能性が高いです。
新しい元素は、その性質、抽出された鉱物、発見された場所、神話上の人物、天体、または著名な科学者にちなんで命名されています。[ 103 ] [ 102 ] IUPACによると、元素名は固有名詞ではないため、カリホルニウムやアインスタイニウムのように固有名詞から派生した場合でも、英語では元素の正式名称は大文字で始まりません。同位体名も、炭素12やウラン235のように、小文字で表記されます。化学元素記号（カリホルニウムのCfやアインスタイニウムのEsなど）は常に大文字で始まります。
20世紀後半、物理学研究所は、半減期が短すぎて一度にかなりの量が存在することができない元素を生成できるようになった。これらの元素はIUPACによって命名され、一般的には発見者が選んだ名前が採用される。この慣習は、実際にどの研究グループが元素を発見したのかという論争の的となる問題につながる可能性があり、この問題は原子番号104以上の元素の命名をかなりの期間遅らせた。[ 105 ]
こうした論争の先駆けとなったのは、19世紀後半の元素の国家主義的な命名である。例えば、ルテチウムはフランスのパリにちなんで名付けられた。ドイツ人はフランスに命名権を譲ることを渋り、しばしばカシオペイウムと呼んだ。[ 106 ]同様に、ニオブのイギリス人発見者は当初、新世界にちなんでコロンビウムと名付けた。[ 102 ]国際標準化（1950年）以前は、アメリカの出版物で広くそのように使用されていた。[ 106 ]
化学が科学となる以前、錬金術師たちは金属と一般的な化合物の両方に難解な記号を考案しました。しかし、これらは図や手順の略語として使われており、[ 107 ]原子が結合して分子を形成するという概念はありませんでした。物質の原子論の進歩に伴い、ジョン・ドルトンは円を基にした独自のより単純な記号を考案し、原子と分子を描写しました。[ 108 ]
現在の化学表記法は、 1814年にイェンス・ヤコブ・ベルセリウスによって考案されました。この表記法では、化学記号は単なる略語ではなく、それぞれがラテン文字で構成されています。これらは、あらゆる言語と文字体系の人々にとって普遍的な記号となることを意図しています。[ 108 ]
ベルセリウスの時代にはラテン語が科学の共通語であったため、彼の記号は元素のラテン語名に基づく略語でした（古代から知られている元素の古典ラテン語名、あるいは後世の元素の新ラテン語名である可能性があります）。略語のように、記号の後にピリオド（終止符）は付きません。ほとんどの場合、ベルセリウスが使用した元素のラテン語名は、現代の英語名と同じ語源を持っています。たとえば、水素の記号「H」は新ラテン語のhydrogeniumに由来し、英語のhydrogenと同じギリシャ語の語源を持っています。しかし、11の例では、ラテン語（ベルセリウスが使用）と英語の元素名が異なる語源を持っています。そのうち 8 つは、古代から知られている 7 つの金属と、同じく古代から知られている半金属です。鉄は「Fe」（ラテン語ferrum）、水銀は「Hg」（ラテン語hydrargyrum） 、錫は「Sn」（ラテン語stannum）、金は「Au」（ラテン語aurum ）、銀は「Ag」（ラテン語 argentum）、鉛は「Pb 」（ラテン語 plumbum）、銅は「Cu」（ラテン語cuprum） 、アンチモンは「Sb」（ラテン語stibium）です。ベルセリウスが使用した新ラテン語と英語名の間のその他の 3 つの不一致は、ナトリウムは「Na」（新ラテン語natrium） 、カリウムは「K」（新ラテン語kalium） 、タングステンは「W」（新ラテン語wolframium）です。[ 109 ]これらの不一致は、近代における元素の命名に関するさまざまな提案から生じた。当初、ベルセリウスはナトリウムとカリウムに「So」と「Po」を提案したが、同年後半に記号を「Na」と「K」に変更した。
1814 年以降に発見された元素にも、元素名に基づいて独自の化学記号が割り当てられました。科学の共通語としてのラテン語の使用は衰退しつつありましたが、新しく発見された元素の化学名は、ほとんどまたは全く変更されることなく、言語から言語へと借用されるようになりました。1814 年以降に発見された元素の記号は、英語、フランス語 ( ⟨é⟩ の鋭アクセントを無視)、およびドイツ語 (ただし、ドイツ語では ⟨c⟩ の代わりに ⟨k⟩ または ⟨z⟩ を使用した別の綴りがしばしば許可されます。たとえば、カルシウムの名前はドイツ語ではCalciumまたはKalziumと綴られることがありますが、その記号は常に「Ca」です) で、その名前と一致します。他の言語では、元素名の綴りが変更されることがあります。スペイン語ではiterbio (ytterbium)、イタリア語ではafnio (hafnium)、スウェーデン語ではmoskovium (moscovium) ですが、これらの変更は化学記号には影響しません。Yb、Hf、Mc。
元素名に翻訳が必要な場合でも、化学記号は国際的に通用します。過去には多少の違いがありました。例えば、ドイツではかつてヨウ素を表すのに「J」（Jodの略）を使用していましたが、現在は「I」とIod を使用しています。
化学記号の最初の文字は常に大文字で、それ以降の文字がある場合は常に小文字です。前述の例を参照してください。
化学式には、例えば比較式のように、元素のグループを表す記号もあります。これらは多くの場合、1文字の大文字で、特定の元素の名前には使用されず、予約されています。たとえば、「X」は化合物のクラス内の可変グループ（通常はハロゲン）を示し、「R」はラジカル、つまり炭化水素鎖などの化合物構造を意味します。文字「Q」は化学反応における「熱」のために予約されています。[ 110 ]「Y 」は、イットリウムとチロシンの記号でもありますが、一般的な化学記号としてもよく使用されます。[ 110 ]「Z」も一般的な可変グループとしてよく使用されます。「E 」は、有機化学で電子吸引基または求電子剤を示すために使用されます。同様に、「Nu 」は求核剤を示します。[ 110 ]「L 」は、無機化学および有機金属化学で一般的な配位子を表すために使用されます。「M」は、一般的な金属の代わりによく使用されます。
少なくとも他に2文字の一般的な化学記号が非公式に使用されており、ランタノイドには「 Ln 」、アクチノイドには「An」が用いられる。「Rg 」は以前は希ガス元素全般に使用されていたが、希ガスのグループは現在「貴ガス」と改名され、「Rg 」はレントゲニウムを指すようになった。
元素の同位体は質量数（陽子と中性子の合計）によって区別され、この数値は元素記号と組み合わされます。IUPACは、可能な限り同位体記号を上付き文字表記で書くことを推奨しています。例えば、12 C と235 U などです。 [ 111 ]ただし、炭素-12 とウラン-235、または C-12 と U-235 などの他の表記も使用されます。[ 112 ]
特殊なケースとして、水素の天然に存在する 3 つの同位体は、1 H (プロチウム)をH 、 2 H (重水素)をD、3 H (三重水素)をTと表記されることが多い。[ 111 ]この表記法は化学式で使いやすく、毎回質量数を書き出す必要がなくなる。そのため、重水の式は2 H 2 Oの代わりにD 2 Oと表記されることがある。
宇宙の全質量の約4.6%だけが、元素で表される原子やイオン、ニュートリノや光子を含む通常の物質で構成されています。残りの質量（63%）は、陽子、中性子、電子を含まないため、元素の原子で構成されていない未知の暗黒物質です。宇宙の質量の残りの非物質部分は、さらに理解が進んでいない暗黒エネルギーで構成されています。[ 113 ]
94種類の天然元素は、少なくとも4種類の天体物理学的プロセスによって生成されました。水素、ヘリウム、そしてごく少量のリチウムの大部分は、ビッグバンの最初の数分間に生成されました。このビッグバン核合成は一度しか起こりませんでした。他のプロセスは継続中です。[ 114 ] 恒星内部での核融合は、恒星核合成によって元素を生成し、これには原子番号で炭素から鉄までのすべての元素が含まれます。ウランやプルトニウムなどの重元素を含む、鉄よりも原子番号の大きい元素は、超新星や中性子星の合体におけるさまざまな形態の爆発的核合成によって生成されます。軽元素のリチウム、ベリリウム、ホウ素は、主に炭素、窒素、酸素の宇宙線による核破砕（宇宙線によって誘発される断片化）によって生成されます。 [ 115 ]
ビッグバンの初期段階では、水素の核合成により、水素-1（プロチウム、1 H）とヘリウム-4（4 He）が生成され、さらに少量の重水素（2 H）とごく微量の（10 −10オーダーの）リチウムとベリリウムが生成されました。炭素は検出されていないのに対し、ホウ素は非常に古い星で観測されているため、ビッグバンではさらに微量のホウ素が生成された可能性があります。[ 116 ]ビッグバンでは、ホウ素より重い元素は生成されませんでした。その結果、原子（またはイオン）の原始存在量は、約75%の1 H、25%の4 He、0.01%の重水素で構成され、リチウム、ベリリウム、そしておそらくホウ素はごく微量でした。[ 117 ]その後、恒星核合成と超新星核合成により銀河ハローの元素組成が濃縮された。[ 118 ]しかし、銀河風やその他の手段によって濃縮されない限り、銀河間空間の元素存在量は依然として原始的な状態に非常に近い可能性がある。 [ 119 ]
地球上（および他の場所）では、さまざまな元素の微量が核変換プロセスの生成物として他の元素から生成され続けています。これらには、宇宙線や他の核反応によって生成されるもの（宇宙線生成核種および核生成核種を参照）と、長寿命の原始核種の崩壊生成物として生成されるものが含まれます。 [ 120 ]例えば、微量（ただし検出可能）の炭素14（14C）は、窒素原子に衝突する宇宙線によって空気中で継続的に生成され、[ 121 ]アルゴン40（40Ar ）は、原始的に存在したが不安定なカリウム40（ 40K ）の崩壊によって継続的に生成されます。[ 122 ]
原始的に存在する放射性アクチニド元素であるトリウム、ウラン、プルトニウムは、ラジウムやラドンなどの繰り返し生成される不安定な元素を経て崩壊し、これらの元素はこれらの金属を含むあらゆる試料に一時的に存在します。[ 123 ]他の3つの放射性元素であるテクネチウム、プロメチウム、ネプツニウムは、天然物質中に偶発的にのみ存在し、さまざまな重元素の原子核の核分裂またはその他のまれな核プロセスによって個々の原子として生成されます。[ 124 ] [ 125 ]
94種類の天然元素に加え、原子核物理技術によっていくつかの人工元素が作られてきた。2016年までに、これらの実験によって原子番号118までのすべての元素が作られた。2021年現在核変換によって1000種類以上の同位体が生成されており、そのうち900種類は自然界には存在しない。[ 126 ]
太陽系における元素の豊富さは、ビッグバン核合成と多数の前駆超新星の起源と一致している。非常に豊富な水素とヘリウムはビッグバンの産物であるが、次の3つの元素はビッグバンで形成される時間が短く、恒星で作られないため希少である。しかし、宇宙線が衝突した結果、星間塵中のより重い元素が分解されることで、少量生成される。[ 114 ]
炭素から始まり、元素はアルファ粒子（ヘリウム原子核）の蓄積によって恒星で生成され、より安定な偶数原子番号の元素の存在量が交互に増加します。一般に、鉄ピークまでの元素は、超新星になる過程で大質量星で生成されます。[ 115 ]鉄56は、アルファ粒子から容易に生成できる最も安定な核種であり、放射性ニッケル56の崩壊生成物であり、最終的には14個のヘリウム原子核から作られるため、特に一般的です。[ 128 ]鉄より重くビスマスまでの元素は、質量の小さい恒星で中性子捕獲プロセスで生成され、[ 115 ]宇宙（および地球）でのそれらの存在量は、一般的に原子番号とともに減少します。
天の川銀河と同様の進化を遂げた近傍の銀河は、水素やヘリウムよりも重い元素が相応に豊富に存在している。より遠方の銀河は過去の姿で観測されているため、元素の存在量は原始的な混合物により近いように見える。[ 130 ]しかし、物理法則やプロセスは可視宇宙全体で共通しているように見えるため、[ 131 ]科学者たちはこれらの銀河も同様の存在量の元素を進化させてきたと予想している。
地球上の化学元素の存在量は、大気から地殻、海洋、そしてさまざまな生命体で異なります。地球の地殻における元素の存在量は、太陽系（太陽や木星のような巨大惑星に見られる）における存在量とは異なり、主に太陽系形成初期の太陽加熱の結果として、最も軽い元素（水素とヘリウム）と揮発性のネオン、炭素（炭化水素として）、窒素、硫黄が選択的に失われています。[ 132 ]地球全体で質量的に最も豊富な元素である酸素[ 133 ]は、ケイ素、マグネシウム、鉄と結合して地球上に保持されています。[ 132 ]質量比で8%のアルミニウムは、太陽における存在量と比較して地殻ではより一般的ですが、アルミニウムの代わりにマグネシウムと鉄が存在するマントルでは質量比でわずか2%です。鉄の表面存在量が少ないのは、惑星分化の過程で鉄が地球の核に移動したためである。[ 134 ]
一方、人体の組成は海水組成により近い。ただし、人体にはタンパク質や核酸を形成するために必要な炭素と窒素が追加で蓄えられており、さらに核酸中のリンや、すべての生物の細胞に存在するエネルギー伝達分子であるアデノシン三リン酸（ATP）も存在する。地球上の生命体の大部分は、CHNOPSという頭字語で表される6つの元素、すなわち炭素、水素、窒素、酸素、リン、硫黄から構成されている。[ 78 ]特定の種類の生物は、例えば緑色植物のクロロフィル中のマグネシウム、軟体動物の殻中のカルシウム、脊椎動物の赤血球中のヘモグロビン中の鉄など、特定の追加元素を必要とする。[ 135 ]
分割不可能な物質としての「元素」の概念は、古典的な定義（古代ギリシャ人の定義など）、化学的な定義、原子論的な定義という3つの主要な歴史的段階を経て発展してきた。
古代哲学は、自然界で観察されるパターンを説明するために、一連の古典的な要素を提唱した。これらの要素は、もともとは現代科学の化学元素ではなく、土、水、空気、火を指していた。[ 140 ]
「元素」（ stoicheia）という用語は、紀元前360年頃、ギリシャの哲学者プラトン が対話篇『ティマイオス』の中で初めて使用しました。この対話篇には無機物と有機物の構成についての議論が含まれており、化学に関する思弁的な論文です。プラトンは、1世紀前にエンペドクレスによって導入された元素は、小さな多面体の形、すなわち四面体（火）、八面体（空気）、二十面体（水）、立方体（土）で構成されていると考えていました。[ 141 ] [ 142 ]
紀元前350年頃のアリストテレスもストイケイアという用語を用い、天を構成する第5の要素であるエーテルを加えた。アリストテレスは元素を次のように定義した。
元素 ― 他の物体が分解してできる物体の 1 つであり、それ自体は他の物体に分割することができない。[ 143 ]
1661年、『懐疑的な化学者』の中で、ロバート・ボイルは粒子説を提唱した。これは、物質は還元不可能な単位（原子）から構成されているという分析を支持するものであった。ボイルは、あらかじめ決められた数の元素を定めることに反対した。これは、アリストテレスの四元素説や、パラケルススの硫黄、水銀、塩という三つの化学原理説とは対照的であった。
私がこれから述べることの多くは、逍遥学派の四元素と化学の三つの原理に等しく適用できるかもしれないが、化学仮説は他の仮説よりも経験によってはるかに裏付けられているように見えるので、主にその反証を主張するのが適切であろう。特に、それに対して用いられる議論のほとんどは、少し変更を加えることで、少なくともそれほど説得力のないアリストテレス理論に対しても同じように強力に主張できるからである。[ 144 ]
ボイルは自身の見解を4つの命題で述べた。最初の2つの命題では、物質は粒子から構成されているが、これらの粒子を分離するのは難しいかもしれないと示唆している。ボイルは「微粒子」、あるいは彼が「原子」とも呼んだ概念[ 145 ]を用いて、限られた数の元素がどのようにして膨大な数の化合物に結合できるかを説明した。
命題 I. ... 混合体の最初の生成において、それらを構成する普遍的な物質は、実際に小さな粒子に分割されました。[ 146 ] ... 物体の生成と消滅、混合体の化学的分解、およびそれらに対する火の作用は、それらが非常に微細な部分から構成されていることを示しています。 エピクロスは、ご存知のように、すべての物体は無限の真空の中で自らを往復する原子によって生成されると想定しています。[ 147 ] ...命題II. ... これらの微細な粒子は、それらを構成する粒子に容易に消散しない微細なクラスターに結合しました。[ 148 ] ...各元素を構成する微粒子に固有の大きさや形を割り当てるとすれば、そのような微粒子はさまざまな割合で混ざり合い、さまざまな方法で結合されるため、信じられないほど多くのコンクリートがそれらから構成される可能性がある。[ 149 ]
ボイルは、金は王水と反応し、水銀は硝酸、硫酸、硫黄と反応してさまざまな「化合物」を生成し、元素の場合と同様に、それらの化合物から回収できると説明した。しかし、ボイルは金[ 150 ] 、水銀[ 151 ]、鉛[ 150 ]を元素とは考えず、むしろワイン[ 152 ]とともに「完全に混合した物体」とみなした。
水銀は、強水と混ぜると白い粉末になり、硫黄と混ぜると血のように赤いシナバーになります。しかし、これらすべての異質な化合物から、まさに同じ流動水銀を回収することができます。[ 153 ] ...命題 III. ... このような混合物のほとんどから、火の助けを借りて、実際に一定数（3、4、5、またはそれ以下またはそれ以上）の物質を得ることができます。 化学者は、混合物の成分を、アリストテレス人が元素と呼ぶように、原理と呼ぶのが一般的です。...原理は、それ以上の基本的な物体で構成されていないため、また、すべての混合物がそれらで構成されていることを考慮して、元素と呼ばれます。 [ 154 ]
ボイルは主に最初の近代化学者と見なされているが、 『懐疑的な化学者』には、現代の視点とはかけ離れた元素に関する古い考え方が依然として含まれている。例えば、硫黄は馴染みのある黄色の非金属元素であるだけでなく、可燃性の「精霊」でもあるとされている。[ 152 ]
1724年、イギリスの牧師で論理学者のアイザック・ワッツは著書『論理学』の中で、当時化学者によって認識されていた元素を列挙した。ワッツの元素リストには、パラケルススの原理のうち2つ（硫黄と塩）と古典的な元素2つ（土と水）に加え、「精神」が含まれていた。しかしワッツは、化学者の間で意見の一致が見られないことを指摘した。[ 155 ]
元素とは、異なる種類の二つ以上の物質に分解または還元できない物質のことである。…アリストテレスの信奉者たちは、火、空気、土、水を四元素とし、地上のあらゆるものはこれらから構成されていると考え、天はこれらとは全く異なる第五の種類の物体、すなわち精髄であると想定した 。しかし、実験哲学がよりよく理解されるようになって以来、この教義は十分に反駁されている。化学者たちは、霊、塩、硫黄、水、土を五元素としている。なぜなら、地上のあらゆるものをこれら五つに還元できるからである 。…ただし、全員が同意しているわけではない。
元素の最初の近代的なリストは、アントワーヌ・ラヴォアジエの1789年の『化学の原論』に掲載されており、光や熱量を含む33の元素が含まれていました。[ 156 ] [ 157 ] 1818年までに、イェンス・ヤコブ・ベルセリウスは、当時認められていた49の元素のうち45の原子量を決定しました。[ 158 ]ロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフは、1869年の周期表に63の元素を掲載しました。この表の以前の前身は存在しますが、その発明は一般的にメンデレーエフによるものとされており、彼はこの表で元素の性質における繰り返される傾向を示すことを意図していました。[ 159 ]新しい元素が発見され、化学的挙動を説明する新しい理論モデルが開発されるにつれて、この表のレイアウトは時間の経過とともに改良され、拡張されてきました。
ボイルの時代から20世紀初頭まで、元素は、より単純な物質に分解できず、化学反応によって他の元素に変化することもできない純物質として定義されていた。当時の元素は一般的に原子量によって区別されており、原子量は当時の分析技術で比較的高い精度で測定可能な性質であった。
1913年にイギリスの物理学者ヘンリー・モーズリーが原子番号の物理的基礎は原子核電荷であることを発見し、陽子と中性子の性質が理解されるにつれてさらに洗練され、最終的に原子番号（陽子の数）に基づく元素の現在の定義につながった。[ 160 ]原子量ではなく原子番号を使用して元素を区別すると、予測値が高く（これらの数値は整数であるため）、同じ元素内の同位体や同素体の性質が異なるため、化学に基づく見解の曖昧さも解消される。現在、IUPACは、原子核が電子雲を形成するのにかかる10⁻¹⁴秒よりも長い寿命を持つ同位体を持つ元素が存在すると定義している。[ 161 ]
1914年までに、87の元素が知られており、すべて天然に存在するものでした（化学元素の発見を参照）。残りの天然元素はその後数十年の間に発見または分離され、さまざまな追加元素も合成的に生成されました。その研究の多くはグレン・T・シーボーグによって開拓されました。[ 162 ]最後の天然放射性元素であるフランシウムは、1939年にマルグリット・ペレイによって発見されました。[ 163 ] 1955年には、元素101が発見され、元素を周期的に配列した最初の人物であるD・I・メンデレーエフにちなんでメンデレビウムと名付けられました。 [ 164 ]
先史時代のさまざまな文化に馴染みのある 11 種類の物質が、現在では元素であることが知られています。アンチモン、炭素、銅、金、鉄、鉛、水銀、銀、硫黄、錫、亜鉛です。[ 165 ]現在では元素として認められているヒ素とビスマスの2 つの物質は、西暦 1500 年以前には別の物質として認識されていました。[ 166 ]プラチナはコロンブス以前のアメリカで知られていました。新元素の最初の記録された発見は、1669 年にドイツの錬金術師ヘニッヒ・ブラントによるリンの発見です。 [ 167 ] 1896 年にアンリ・ベクレルは偶然ウランから放射能を発見しました。[ 168 ]
残りの天然元素のほとんどは1900年までに特定され、特徴づけられており、以下が含まれる：[ 106 ]
1900年以降に単離または生成された元素には以下が含まれる：[ 106 ]
最初に発見された超ウラン元素（原子番号が92より大きい元素）は、1940年に発見されたネプツニウムです。1999年以来、 IUPAC/IUPAP合同作業部会は、新元素の発見に関する主張を検討してきました。2016年1月現在、118元素すべてがIUPACによって発見されたと確認されています。元素112の発見は2009年に認められ、コペルニシウムという名前と化学記号Cnが提案されました。[ 170 ]この名前と記号は、2010年2月19日にIUPACによって正式に承認されました。[ 171 ]現在までに合成されたと考えられている最も重い元素は、2006年10月9日にロシアのドゥブナにあるフレロフ核反応研究所によって合成された元素118、オガネソンです。[ 16 ] [ 172 ]テネシン（元素番号117）は、2009年に発見されたと主張された最新の元素です。[ 173 ] 2016年11月28日、IUPACの科学者たちは、原子番号113、115、117、118の4つの最新元素の名前を正式に認めました。[ 174 ] [ 175 ]
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