化学元素

化学元素とは、その原子がすべて同じ数の陽子を持つ化学物質です。陽子の数は、その元素の原子番号と呼ばれます。たとえば、酸素の原子番号は 8 です。つまり、各酸素原子の核には 8 個の陽子があります。同じ元素の原子でも、核内に異なる数の中性子を持つことができ、これを元素の同位体と呼びます。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、同一の原子の分子から形成されます。たとえば、水素原子 (H) は二原子分子 (H ₂ ) を形成します。化合物は、異なる元素の原子でできた物質で、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材料で、つまり (分子物質の場合) 異なるタイプの分子を含むということです。ある元素の原子は、原子番号を変える 核反応で異なる元素の原子に変換できます。

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、ほとんどの実用的な目的においてこの定義は今でも有効です。1920年代には、同位体が化学的手段によって分離できる場合、個別の元素として認識されるに値するかどうかについて論争がありました。^[1]

「（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ている：^[2]それは、1種類の原子からなる化学物質を意味する場合もあれば、様々な化学物質の成分としてのその種類の原子を意味する場合もある。例えば、水分子（H _{2 O）は水素（H）と酸素（O）の原子を含むため、水は、化学物質の（二）水素（H 2 ）と（二）酸素（O 2} ）を含んでいないにもかかわらず、水素（H ）と酸素（ O）の元素からなる化合物であると言える。H _{2 O分子はH 2}分子やO ₂分子とは異なる。「1種類の原子からなる化学物質」という意味には、「元素物質」と「単純物質」という用語が提案されているが、英語の化学文献ではあまり受け入れられていない。一方、他の言語では、それらの同義語が広く使用されている。例えば、フランス語の化学用語では、élément chimique（原子の種類）とcorps simple（1種類の原子からなる化学物質）を区別している。ロシアの化学用語では、химический элементとпростое веществоが区別されます。

宇宙のほぼ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)。異なる元素が化学反応を起こすと、原子が再配置され、化学結合で結びついた新しい化合物になります。銀や金など、結合していない比較的純粋な天然元素鉱物として見つかる元素はごくわずかです。その他の天然元素のほとんどは、化合物または混合物として地球上に存在します。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や、化学的に不活性で化学反応を起こさない 希ガスである原子アルゴンも含まれています。

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した（ただし、元素の現代的な概念はまだ理解されていませんでした）。これらのような物質を分類する試みは、古典元素、錬金術、および同様の理論の概念を歴史を通じて生み出しました。元素に関する現代的な理解の多くは、1869年に最初の認識可能な周期表を発表したロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフの仕事から発展しました。この表は、原子番号の増加によって元素を行（「周期」）に整理し、列（「グループ」）は繰り返される（「周期的な」）物理的および化学的特性を共有します。周期表は元素のさまざまな特性をまとめたもので、化学者は元素間の関係を導き、まだ発見されていない元素や潜在的な新しい化合物について予測することができます。

2016 年 11 月までに、国際純正・応用化学連合(IUPAC) は合計 118 個の元素を認定しました。最初の 94 個は地球上に自然に存在し、残りの 24 個は核反応で生成される合成元素です。すぐに崩壊する不安定な放射性元素 (放射性元素) を除き、ほぼすべての元素がさまざまな量で工業的に入手可能です。さらなる新元素の発見と合成は、現在も科学研究が進められている分野です。

最も軽い元素は水素とヘリウムで、宇宙の最初の20分間のビッグバン元素合成によって生成され^[3]、質量比は約3:1（原子数比では12:1）で、^{[4] [5]}それに続く2つの元素であるリチウムとベリリウムが微量に含まれています。自然界で発見された他のほとんどすべての元素は、さまざまな自然の元素合成法によって作られました。^[6]地球上では、少量の新しい原子が核生成反応、または宇宙線破砕などの宇宙生成過程で自然に生成されます。地球上では、アルファ崩壊、ベータ崩壊、自発核分裂、クラスター崩壊、その他のより稀な崩壊モードなどの進行中の放射性崩壊過程の放射性娘同位体としても新しい原子が自然に生成されます。

天然に存在する 94 の元素のうち、原子番号 1 から 82 の元素はそれぞれ少なくとも 1 つの安定同位体を持っています (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)。安定と見なされる同位体は、放射性崩壊がまだ観測されていないものです。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。これらの元素の一部、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) は、太陽系が形成される前に重金属を生成した爆発的な恒星内元素合成の名残として生き残るのに十分な半減期を持つ同位体を 1 つ以上持っています。1.9 × 10ビスマス209は、宇宙の推定年齢の10億倍以上である¹⁹年で、あらゆる同位体の中で最も長いアルファ崩壊半減期を持ち、ほぼ常に80の安定元素と同等であると考えられています。 ^{[7] [8]最も重い元素（元素番号94のプルトニウムを超える元素）は}、半減期が非常に短い放射性崩壊を起こすため、自然界には存在せず、合成する必要があります。

現在、118 種類の元素が知られています。ここでの「知られている」とは、たとえ少数の崩壊生成物からでも、他の元素と区別できるほど十分に観察されていることを意味します。^{[9] [10]最も最近では、元素 118 (}オガネソンと命名) の合成が 2006 年 10 月に報告され、元素 117 (テネシン) の合成が 2010 年 4 月に報告されました。^{[11] [12]}これらの 118 種類の元素のうち、94 種類は地球上に自然に存在します。これらのうち 6 種類は、極微量に存在します。原子番号 43 のテクネチウム、原子番号 61のプロメチウム、原子番号 85 のアスタチン、原子番号 87 のフランシウム、原子番号 93 のネプツニウム、原子番号 94 のプルトニウムです。これらの 94 種類の元素は、宇宙全体、恒星のスペクトル、および短寿命の放射性元素が新たに作られている超新星で検出されています。最初の 94 個の元素は、太陽系の形成時から存在する原始核種として、またはウランとトリウムの自然発生的な核分裂生成物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。

残りの24のより重い元素は、今日地球上でも天文学的スペクトルでも発見されておらず、人工的に生成されたものである。これらはすべて放射性であり、半減期は短い。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、その量は記録できないほど少ない。テクネチウムは1937年に初めて合成された非天然元素とされているが、その後、微量のテクネチウムが自然界で発見されている（また、この元素は1925年に自然界で発見された可能性もある）。^[13]この人工生成とその後の自然界での発見のパターンは、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。^[14]

元素のリストは、名前、原子番号、密度、融点、沸点、化学記号、イオン化エネルギーで入手できます。安定元素と放射性元素の核種も、不安定なものについては半減期の長さで分類された核種リストとして入手できます。元素の最も便利で、間違いなく最も伝統的な表示方法の 1 つは、周期表の形式です。これは、同様の化学的性質 (通常は同様の電子構造) を持つ元素をグループ化したものです。

元素の原子番号は各原子に含まれる陽子の数に等しく、元素を定義します。 ^[15]たとえば、すべての炭素原子は原子核に6個の陽子を含むため、炭素の原子番号は6です。^{[16]炭素原子は中性子の数が異なる場合があります。同じ元素でも中性子の数が異なる原子は、その元素の}同位体として知られています。^[17]

原子核内の陽子の数によって電荷も決まり、電荷によって非イオン化状態の原子の電子の数も決まります。電子は原子軌道に配置され、原子の化学的性質が決まります。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しません。ただし、水素は例外です (水素については、運動論的同位体効果が顕著です)。したがって、炭素同位体はすべて、中性子の数は 6 から 8 個であっても、電子の数は 6 個であるため、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、原子番号が元素を識別する特性と考えられています。

原子番号の記号はZです。

同位体とは、同じ元素（つまり、原子核内の陽子の数が同じ）の原子ですが、中性子の数が異なります。したがって、たとえば、炭素には3つの主な同位体が存在します。すべての炭素原子には6個の陽子がありますが、中性子の数は6、7、または8個です。これらの質量数はそれぞれ12、13、14であるため、これら3つの同位体は、炭素12、炭素13、炭素14（¹² C、¹³ C、¹⁴ C）として知られています。天然の炭素は、 ¹² C（約98.9%）、¹³ C（約1.1%）、および1兆分の1程度の¹⁴ C の混合物です。

天然元素のほとんど (94 個中 54 個) には、複数の安定同位体が存在します。水素の同位体(相対質量が互いに大きく異なり、化学効果を引き起こすほど) を除き、特定の元素の同位体は化学的にほとんど区別がつきません。

すべての元素には放射性同位体（放射性同位体）がありますが、これらの放射性同位体のほとんどは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。最も重い元素の同位体の中には、自発核分裂を起こすものもあります。放射性でない同位体は、「安定」同位体と呼ばれます。既知の安定同位体はすべて自然界に存在します（原始核種を参照）。自然界に存在しない多くの放射性同位体は、人工的に生成された後に特徴付けられています。特定の元素には安定同位体が存在せず、放射性同位体のみで構成されています。具体的には、安定同位体を持たない元素は、テクネチウム（原子番号 43）、プロメチウム（原子番号 61）、および原子番号 82 より大きいすべての観測済み元素です。

少なくとも 1 つの安定同位体を持つ 80 個の元素のうち、26 個は安定同位体が 1 つしかありません。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。単一元素の安定同位体の最大数は 10 個です (スズ、元素 50)。

元素Aの質量数は、原子核内の核子(陽子と中性子)の数です。特定の元素の異なる同位体は、化学記号の左側に上付き文字で表記さ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、単位は「核子」です。したがって、マグネシウム 24 (質量数 24) は、24 個の核子 (12 個の陽子と 12 個の中性子) を持つ原子です。

質量数は単に中性子と陽子の総数を数えるだけなので整数ですが、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）または普遍原子質量単位（記号：u）で表されます。その相対原子質量は、原子質量を原子質量定数（1 Da）で割った無次元数です。一般に、特定の核種の質量数は、その相対原子質量とはわずかに異なります。これは、各陽子と中性子の質量がちょうど 1 Da ではないこと、中性子数が陽子数を超えると電子が原子質量に占める割合が少なくなるため、および核結合エネルギーと電子結合エネルギーが原因です。たとえば、塩素 35 の原子質量は 5 桁で 34.969 Da で、塩素 37 の原子質量は 36.966 Da です。ただし、各同位体の相対的な原子質量は、その質量数に非常に近いです (常に 1% 以内)。原子質量が自然数とまったく同じ唯一の同位体は¹² Cで、その質量は 12 Da です。これは、ダルトンが基底状態の自由中性炭素 12 原子の質量の 1/12 として定義されているためです。

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すべての化学元素の同位体の原子質量の平均で、同位体存在比で重み付けされ、原子質量単位に相対的です。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。相対原子質量値が整数から ~1% 以上異なる場合は、その元素のサンプルに複数の同位体が大量に自然に存在するため、この平均化効果によるものです。

化学者と核科学者は、純粋元素の定義が異なります。化学では、純粋元素とは、すべての（または実際にはほぼすべての）原子が同じ原子番号、つまり陽子の数を持つ物質を意味します。しかし、核科学者は、純粋元素を1つの同位体のみからなる元素と定義しています。^[18]

たとえば、銅線は、その原子の 99.99% が銅で、それぞれ 29 個の陽子がある場合、化学的に 99.99% 純粋です。ただし、通常の銅は 69% の⁶³ Cu と 31% の^{65 Cu という 2 つの安定同位体で構成され、中性子の数が異なるため、同位体的には純粋ではありません。ただし、通常の金は197} Au という 1 つの同位体のみで構成されているため、純金は化学的にも同位体的にも純粋です。

化学的に純粋な元素の原子は、複数の方法で化学的に互いに結合することがあり、その結果、純粋な元素が複数の化学構造(原子の空間配置)で存在することが可能になります。これらは、特性が異なる同素体として知られています。たとえば、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互いに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、ほぼ球形のフラーレン、および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 (これらも電気的特性において互いに異なる場合があります)。元素が多数の構造形式のいずれかで存在できることは、「同素体」として知られています。

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 (通常は 298.15K) における熱力学的に最も安定した同素体および物理的状態として定義されます。ただし、リンの場合、最も安定した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は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 生成エンタルピーがゼロであると定義されます。

元素には、一般的な物理的および化学的特性、通常の条件下での物質の状態、融点と沸点、密度、固体としての結晶構造、起源などを考慮した、いくつかの種類の記述的分類を広く適用できます。

化学元素の一般的な物理的および化学的性質を特徴付けるために、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、伝導しない非金属、および中間の特性を持ち、半導体として動作することが多い小さなグループ（半金属）です。

周期表の色分けされた表示では、より洗練された分類がよく示されています。このシステムでは、「金属」と「非金属」という用語をより広義に定義された金属と非金属の一部のみに限定し、より広義に捉えられる金属と非金属の特定のセットに対して追加の用語を加えています。ここで示す周期表で使用されているこの分類のバージョンには、アクチノイド、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、ランタノイド、遷移金属、遷移後金属、半金属、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、およびランタノイドとアクチノイドは、より広義に捉えられる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、より広義に捉えられる非金属です。いくつかのプレゼンテーションでは、ハロゲンは区別されておらず、アスタチンは半金属として識別され、その他は非金属として識別されます。

元素間でよく使われるもう 1 つの基本的な区別は、標準温度および圧力(STP)における物質の状態(相)、つまり固体、液体、気体であるかどうかです。ほとんどの元素は標準温度で固体ですが、気体である元素もいくつかあります。臭素と水銀だけが0 ℃ (32 ℉) および 1 気圧で液体です。セシウムとガリウムはその温度では固体ですが、それぞれ 28.4 ℃ (83.2 ℉) と 29.8 ℃ (85.6 ℉) で溶けます。

融点と沸点は、通常1 気圧の圧力で摂氏度で表され、さまざまな元素の特性を表すのによく使用されます。ほとんどの元素ではこれらの測定値はわかっていますが、ごく少量しか存在しない放射性元素の一部については、これらの測定値のどちらかまたは両方がまだ確定されていません。ヘリウムは大気圧で絶対零度でも液体のままであるため、従来の表現では融点ではなく沸点のみがあります。

選択された標準温度および圧力(STP)での密度は、元素の特性を表す際によく使用されます。密度は、多くの場合、立方センチメートルあたりのグラム数 (g/cm ³ ) で表されます。いくつかの元素は、一般的な温度では気体であるため、その密度は通常、気体状態で表されます。液化または固化した場合、気体元素の密度は他の元素の密度とほぼ同じになります。

元素に密度の異なる同素体がある場合、概要を説明する際には代表する同素体を 1 つ選択するのが一般的ですが、より詳細な説明が必要な場合は、各同素体の密度を記載することもできます。たとえば、炭素のよく知られた 3 つの同素体(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/cm ³です。

これまで固体サンプルとして研究されてきた元素には、立方晶、体心立方晶、面心立方晶、六方晶、単斜晶、斜方晶、菱面体晶、正方晶の8 種類の結晶構造があります。合成された超ウラン元素の中には、入手可能なサンプルが小さすぎて結晶構造を判定できないものもあります。

化学元素は地球上の起源によっても分類され、最初の 94 個は自然に発生したものと考えられていますが、原子番号が 94 を超えるものは、人間の核反応によってのみ人工的に生成されています。

天然に存在する 94 の元素のうち、83 は原始的であり、安定しているか弱い放射性があると考えられています。残りの 11 の元素の中で最も長寿命の同位体は、太陽系の始まりに存在していたには半減期が短すぎるため、遷移元素と見なされます。これらの 11 の遷移元素のうち、5 つ (ポロニウム、ラドン、ラジウム、アクチニウム、および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。残りの 6 つの遷移元素 (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、およびプルトニウム) は、まれな崩壊モードまたはウランまたはその他の重元素を含む核反応プロセスの生成物として、まれにしか存在しません。

原子番号1から82までの元素（43（テクネチウム）と61（プロメチウム）を除く）にはそれぞれ、放射性崩壊が観測されていない同位体が少なくとも1つあります。ただし、一部の元素（タングステンや鉛など）の観測的に安定な同位体は、半減期が非常に長く、わずかに放射性があると予測されています。 ^[19]たとえば、観測的に安定な鉛同位体の半減期は10 ³⁵から10 ¹⁸⁹年と予測されています。原子番号43、61、83から94までの元素は不安定であるため、放射性崩壊が検出できます。これらの元素のうち、ビスマス（元素番号83）、トリウム（90）、ウラン（92）の3つには、太陽系が形成される前に重元素を生成した爆発的な恒星内元素合成の名残として生き残るのに十分な半減期を持つ同位体が1つ以上あります。例えば、1.9 × 10を超えるとビスマス209は、宇宙の推定年齢の10億倍以上である¹⁹年で、あらゆる同位体の中で最も長いアルファ崩壊半減期を持っています。 ^{[7] [8]}最後の24元素（元素番号94のプルトニウムを超える元素）は、半減期が短い放射性崩壊を起こし、より長寿命の元素の娘核種として生成することができないため、自然界に存在することは全く知られていません。

元素の特性は、多くの場合、周期表を使用してまとめられます。周期表は、原子番号を増やして行（「周期」 ）に並べ、列（ 「グループ」 ）が繰り返される（「周期的な」）物理的および化学的特性を共有することで、元素を強力かつエレガントに整理します。この表には、2021年現在、118個の確認済み元素が含まれています。

この表示方法の先駆者は以前から存在していますが、その発明は一般的には 1869 年にロシアの化学者ドミトリ メンデレーエフによるものとされています。メンデレーエフは、この表を元素の特性における繰り返しの傾向を示すために考案しました。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、表のレイアウトは時間とともに改良され、拡張されてきました。

周期表は現在化学のあらゆる分野で使用されており、さまざまな化学的挙動を分類、体系化、比較するための非常に便利な枠組みを提供しています。また、この表は物理学、地質学、生物学、材料科学、工学、農業、医学、栄養学、環境衛生、天文学などにも幅広く応用されています。その原理は化学工学において特に重要です。

さまざまな化学元素は、固有の原子番号、公称、化学記号によって正式に識別されます。

既知の元素には 1 から 118 までの原子番号があり、慣例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順序付けできるため (慣例的に最小から最大へ、周期表のように)、元素のセットは「鉄を通して」、「ウランを越えて」、「ランタンからルテチウムまで」のように、「～を通して」、「～を超えて」、「～から」などの表記で指定されることがあります。「軽い」および「重い」という用語は、「炭素より軽い」または「鉛より重い」のように、相対的な原子番号 (密度ではない) を示すために非公式に使用されることもありますが、元素の原子質量 (原子量または原子質量) 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。

現在元素として知られているさまざまな物質の命名は、原子論より前から存在しており、さまざまな鉱物、金属、化合物、合金、混合物、その他の物質に、さまざまな文化によって地域ごとに名前が付けられていましたが、当時はどの化学物質が元素でどの化合物であるかはわかっていませんでした。元素として特定されたため、ほとんどの国では、古くから知られている元素 (金、水銀、鉄など) の既存の名前がそのまま使用されました。元素名については、便宜上、言語上の細工、またはナショナリズムのいずれかにより、国によって違いが生じました。たとえば、ドイツ語話者は「水素」を「Wasserstoff」(水の物質)、「酸素」を「Sauerstoff」(酸性物質)、「窒素」を「Stickstoff」(窒息物質) と呼び、英語および他のいくつかの言語では「ナトリウム」を「ナトリウム」、「カリウム」を「カリウム」と呼びます。フランス人、イタリア人、ギリシャ人、ポルトガル人、ポーランド人は、「窒素」の代わりに「azote/azot/azoto」（「生命がない」を意味する語源）を好みます。

国際コミュニケーションと貿易の目的で、古代および最近認識された化学元素の正式名称は、国際純正・応用化学連合(IUPAC) によって決定されます。IUPAC は、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、伝統的な英語名を参考にして、一種の国際英語を決定しました。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、米国の「aluminum」および「cesium」よりも英国の綴りの「aluminium」および「caesium」を、英国の「sulfur」よりも米国の「sulfur」を好みます。ただし、多くの国で大量販売が可能な元素には、多くの場合、依然として現地で使用されている国名が残っており、国語でラテン アルファベットを使用しない国では、IUPAC の元素名が使用される可能性があります。

IUPAC によれば、元素名は固有名詞ではないため、英語では元素のフルネームは、たとえcaliforniumやeinsteiniumのように固有名詞から派生したものであっても大文字にしません。同位体名も、 carbon-12やuranium-235のように表記する場合は大文字にしません。化学元素記号(californium の Cf や einsteinium の Es など) は常に大文字で表記します (以下を参照)。

20 世紀後半、物理学の研究所では半減期が短すぎて一度に大量に存在できない元素を生成できるようになりました。これらの元素も IUPAC によって命名され、通常は発見者が選んだ名前が採用されます。この慣行により、どの研究グループが実際に元素を発見したのかという論争の的となる問題が生じることがあり、この問題により原子番号 104 以上の元素の命名がかなり遅れました (元素命名論争を参照)。

こうした論争の前兆として、19 世紀後半の国家主義的な元素命名が挙げられます。たとえば、ルテチウムはフランスのパリにちなんで名付けられました。ドイツ人は命名権をフランス人に譲ることを嫌がり、しばしばカシオペウムと呼んでいました。同様に、ニオブを発見した英国人は、新世界にちなんで当初それをコロンビウムと名付けました。国際標準化 (1950 年) 以前は、アメリカの出版物でそのように広く使用されていました。

化学が科学になる前、錬金術師は金属と一般的な化合物の両方に難解な記号をデザインしました。しかし、これらは図や手順の省略形として使用されていました。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より、ジョン・ドルトンは分子を表すために円に基づいた独自のより単純な記号を考案しました。

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発明されました。このシステムでは、化学記号はラテン アルファベットの文字で構成されていますが、単なる略語ではありません。あらゆる言語とアルファベットの人々にとって普遍的な記号として意図されています。

ベルセリウスの時代にはラテン語が科学の共通言語であったため、彼の記号は元素のラテン語名に基づく略語であった（古代から知られている元素の古典ラテン語名、または後の元素に対する新ラテン語の造語である可能性がある）。略語の場合のように記号の後にピリオド（終止符）は付かない。ほとんどの場合、ベルセリウスが使用したラテン語の元素名は、現代の英語名と同じ語源を持っている。たとえば、水素の記号「H」は新ラテン語のhydrogeniumに由来し、これは英語のhydrogenと同じギリシャ語の語源を持っている。しかし、11 のケースでは、ラテン語（ベルセリウスが使用した）と英語の元素名が異なる語源を持っている。そのうちの 8 つは古代の7 つの金属と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。その他、新ラテン語 (ベルセリウスが使用した) と英語名が一致しない 3 つの名前は、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。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それぞれ「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、元素名に基づいて固有の化学記号が割り当てられました。科学の共通言語としてのラテン語の使用は衰退していましたが、新しく発見された元素の化学名は、ほとんどまたはまった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⟩の鋭アクセントは無視)、ドイツ語 (ただし、ドイツ語では、⟨c⟩の代わりに⟨k⟩または⟨z⟩を使用した代替スペルが認められることがよくあります。たとえば、カルシウムの名前はドイツ語でCalciumまたはKalziumと綴られますが、その記号は常に「Ca」です) の名前と一致します。他の言語では、スペイン語のiterbio (イッテルビウム)、イタリア語のafnio (ハフニウム)、スウェーデン語のmoskovium (モスコビウム) のように元素名のスペルが変更されることがあります。ただし、これらの変更は化学記号 (Yb、Hf、Mc) には影響しません。

元素名の翻訳が必要な場合、化学記号は国際的に理解されます。過去にはいくつかの違いがありました。たとえば、ドイツ人はかつてヨウ素を表すのに「J」（Jodという名前）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、前述の例のように常に大文字で表記され、後続の文字がある場合は常に小文字で表記されます。したがって、カリホルニウムとアインスタイニウムの記号は Cf と Es です。

化学式には、比較式などの元素群を表す記号もあります。これらは大文字 1 文字であることが多く、その文字は予約されており、特定の元素の名前には使用されません。たとえば、「X」は化合物のクラスの可変基 (通常はハロゲン) を示しますが、「R」はラジカルで、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」を表すために予約されています。「Y」も一般的な化学記号としてよく使用されますが、イットリウムの記号でもあります。「Z」も一般的な可変基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表すために使用されます。同様に、「Nu 」は求核剤を表します。「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使用されることも多いです。

他に少なくとも 2 つの 2 文字の一般的な化学記号も非公式に使用されており、ランタニドには「 Ln」 、アクチニドには「An」が使用されています。「Rg 」は以前はあらゆる希ガス元素に使用されていましたが、希ガスのグループは現在、希ガスに名前が変更されており、「Rg」は現在レントゲンを指します。

元素の同位体は質量数（陽子と中性子の総数）で区別され、この数値は元素の記号と組み合わされます。IUPAC では、同位体記号は、¹² C や²³⁵ U のように、可能な場合は上付き表記で表記することを推奨しています。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。

特別なケースとして、水素の 3 つの天然同位体は、 ¹ H (水素)の場合はH 、 ² H (重水素)の場合はD、³ H (トリチウム)の場合はTと指定されることが多いです。この規則は化学式での使用が容易で、毎回質量数を書き出す必要がなくなります。したがって、重水の式は² H ₂ O ではなくD ₂ Oと書くことができます。

宇宙の全質量のうち、原子またはイオンでできているのはわずか約 4%で、元素で表されます。この割合は全物質の約 15% で、残りの物質 (85%) は暗黒物質です。暗黒物質の性質は不明ですが、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るわけではありません。(宇宙の質量の残りの非物質部分は、さらによく理解されていない暗黒エネルギーでできています。)

天然に存在する 94 種類の元素は、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、および極少量のリチウムのほとんどは、ビッグバンの最初の数分間で生成されました。このビッグバン元素合成は一度だけ発生し、他のプロセスは現在も継続しています。恒星内部での核融合は、恒星元素合成によって元素を生成します。これには、原子番号が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、鉄よりも原子番号が大きい元素は、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元素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 宇宙線破砕(宇宙線によって引き起こされる断片化)によって生成されます。

ビッグバンの初期段階では、水素の元素合成によって水素1（プロチウム、¹ H）とヘリウム4（⁴ He）が生成されたほか、少量の重水素（^{2 H）と極微量（10 −10}程度）のリチウムとベリリウムも生成された。ホウ素は一部の非常に古い星で観測されているが、炭素は観測されていないため、ビッグバンではさらに少量のホウ素が生成された可能性がある。^[22]ビッグバンではホウ素より重い元素は生成されなかった。その結果、原始的な原子（またはイオン）の存在量は、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しか含まれていなかった。^{[23]その後の}銀河ハローの濃縮は恒星の元素合成と超新星の元素合成によって起こった。^{[24]しかし、何らかの手段で濃縮されない限り、}銀河間空間の元素の豊富さは依然として原始的な状態と非常によく似ている可能性がある。

地球上（および他の場所）では、微量の様々な元素が、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、宇宙線やその他の核反応によって生成されるもの（宇宙線生成核種と核生成核種を参照）や、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。 ^[25]たとえば、微量（ただし検出可能）の炭素14（¹⁴ C）は、宇宙線が窒素原子に衝突することで空気中に継続的に生成され、アルゴン40（^{40 Ar）は、原始的に発生するが不安定なカリウム40（ 40} K）の崩壊によって継続的に生成されます。また、原始的に発生するが放射性の3つのアクチニド、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一連の繰り返し生成されるが不安定な元素によって崩壊します。これらの元素は、これらの金属を含むサンプル中に一時的に存在します。他の 3 つの放射性元素、テクネチウム、プロメチウム、ネプツニウムは、さまざまな重元素の原子核の核分裂によって、または他のまれな核反応によって個々の原子として生成され、自然物質中に偶然にのみ存在します。

天然に存在する94の元素のほかに、いくつかの人工元素が原子物理学の技術によって生成されています。2016年までに、これらの実験により原子番号118までのすべての元素が生成されました。

次のグラフ（対数スケールに注意）は、太陽系内の元素の存在量を示しています。表は、質量百万分率で測定された、銀河系で最も一般的な12の元素（分光学的に推定）を示しています。^[26]同様の線に沿って進化した近くの銀河には、水素とヘリウムよりも重い元素が同様に豊富に含まれています。より遠くの銀河は、過去のように見えているため、元素の存在量は原始的な混合物に近いように見えます。しかし、物理法則とプロセスは可視宇宙全体で共通しているように見えることから、科学者はこれらの銀河でも同様の豊富さで元素が進化したと予想しています。

太陽系における元素の豊富さは、ビッグバンにおける元素合成と、その起源となったいくつかの超新星爆発と一致している。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ほとんどなく、恒星で作られていないため希少である (ただし、宇宙線の衝突の結果、星間塵中のより重い元素が分解することによって少量生成される)。炭素から始めて、元素はアルファ粒子 (ヘリウム原子核) からの蓄積によって恒星で生成され、その結果、原子番号が偶数の元素 (これらはより安定している) が交互に多く存在するようになる。一般に、鉄までのそのような元素は、超新星になる過程で大きな恒星で生成される。鉄 56 は、アルファ粒子から簡単に生成できる最も安定した核種であるため、特に一般的である (放射性ニッケル 56 の崩壊の産物であり、最終的には 14 個のヘリウム原子核から生成される)。鉄より重い元素は、大きな恒星のエネルギー吸収過程で生成され、宇宙（および地球）におけるその存在量は一般に原子番号とともに減少します。

地球上の化学元素の豊富さは、大気から地殻、海洋まで、またさまざまな生命体で異なります。地球の地殻の元素の豊富さは、太陽系（太陽や木星のような巨大惑星に見られる）の元素の豊富さとは主に、太陽系の形成初期における太陽熱の結果として、非常に軽い元素（水素とヘリウム）や揮発性のネオン、炭素（炭化水素として）、窒素、硫黄が選択的に失われる点で異なります。質量で地球で最も豊富な元素である酸素は、シリコンと結合して地球上に保持されています。質量で 8% のアルミニウムは、宇宙や太陽系よりも地球の地殻で多く見られますが、はるかにかさばるマントルの組成は、アルミニウム（質量のわずか 2% しか存在しない）の代わりにマグネシウムと鉄を含み、太陽系の元素組成をより正確に反映しています。ただし、揮発性元素が宇宙に失われ、鉄が地球の核に移動したことは注目に値します。

対照的に、人体の構成は海水の組成に非常に近い。ただし、人体には、タンパク質や核酸の形成に必要な炭素と窒素、核酸内のリン、すべての生物の細胞内に存在するエネルギー伝達分子アデノシン三リン酸（ATP）の追加貯蔵庫がある。特定の種類の生物は、たとえば緑色植物のクロロフィルに含まれるマグネシウム、軟体動物の殻に含まれるカルシウム、または脊椎動物の赤血球に含まれるヘモグロビンに含まれる鉄など、特定の追加元素を必要とする。

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）、化学的定義、原子的定義という 3 つの主要な歴史的段階を経て発展してきました。

古代哲学は、自然界に観察されるパターンを説明するために、一連の古典的な元素を仮定しました。これらの元素は、もともと現代科学の化学元素ではなく、土、水、空気、火を指していました。

「元素」（ストイケイア）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。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、化学に関する思索的な論文です。プラトンは、1世紀前にエンペドクレスが導入した元素は、四面体（火）、八面体（空気）、二十面体（水）、立方体（土）の小さな多面体 で構成されていると信じていました。^{[34] [35]}

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使用し、天を形成する 5番目の要素であるエーテルを追加しました。アリストテレスは要素を次のように定義しました。

元素 – 他の物体が分解できる物体の一つであり、それ自体は他の物体に分割することができない。^[36]

1661 年、ロバート・ボイルは『懐疑化学者』で、物質を還元不可能な単位 (原子) で構成されていると分析する粒子論を提唱しました。ボイルは、アリストテレスの 4 元素の見解にもパラケルススの 3 元素の見解にも賛同せず、元素の数の問題は未解決のまま残しました。ボイルは、あらかじめ決められた数の元素に反対しました。直接的にはパラケルススの 3 元素(硫黄、水銀、塩) に反対し、間接的には「アリストテレス」の元素(土、水、空気、火) に反対しました。なぜなら、ボイルは、前者に対する反対論は、後者に対しても少なくとも同じくらい有効であると感じていたからです。

私がこれから述べることの多くは、逍遥学説の四元素と三つの化学原理に無関係に当てはまるだろう。化学仮説は経験によって他の仮説よりはるかに支持されているように思われるが、化学仮説の反証を主に主張するのが適切だろう。特に、化学仮説に反する議論のほとんどは、少し変更すれば、より信憑性の低いアリストテレス学説に対しても少なくとも同じくらい強く反論できるからである。^[37]

その後、ボイルは4つの命題で彼の見解を述べた。第一と第二の命題では、物質は粒子で構成されているが、これらの粒子を分離することは難しいかもしれないと示唆している。ボイルは「粒子」、または彼が「原子」とも呼んだ^[38]という概念を使用して、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するのかを説明しました。

提案 I. ... 混合物体が最初に生成されたとき、それらを構成する普遍的な物質は、実際には小さな粒子に分割されました。^[39] ... 物体の生成と消滅、および混合物体の化学的分解、および... 物体への火の作用は、それらが非常に小さな部分で構成されていることを示しています... エピクロスは... よくご存知のように... すべての... 物体... は... 無限の真空中をあちこち移動する... 原子によって生成されると想定しています。^[40] ...提案 II. ... これらの微小な粒子は... 小さな... クラスターに結合し... それらを構成する粒子に簡単には分散しませんでした。^[41] ...各要素を構成する粒子に特有の大きさと形状を割り当てると...そのような...粒子はさまざまな割合で混合され、さまざまな方法で接続されるため、信じられないほど多くの...コンクリートがそれらで構成されている可能性があります。^[42]

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、元素の場合と同じように、それらの化合物からそれらを回収できると説明した。しかし、ボイルは金、^[43]、水銀^[44]、鉛^{[43]を元素としてではなく、ワイン[45]}とともに「完全に混合された物体」として考えていた。

水銀は…アクア・フォルティスと混ぜると…白い粉末になり…硫黄と混ぜると血のように赤い…黄銅になります。しかし、これらすべての異質な化合物から、まったく同じ流動性水銀を取り出すことができます。^[46] …提案III …そのような混合体のほとんどから…火の助けにより、実際に一定数（3つ、4つ、5つ、またはそれより少ないか多いか）の物質が得られます… 化学者は、混合体の成分を、アリストテレス主義者が元素と呼ぶように、原理と呼ぶのが通例です。…原理…は、それ以上の基本的な物体から構成されていないため、そして元素は、すべての混合体がそれらから構成されているためです。^[47]

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がまだ残っている。例えば、硫黄は、よく知られている黄色の非金属であるだけでなく、可燃性の「精霊」でもある。^[45]

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、当時化学者が認識し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2つ（硫黄と塩）と古典的な元素2つ（土と水）に加えて「精神」が含まれていた。しかし、ワッツは化学者の間で合意が得られていないことにも言及した。^[48]

元素とは、2 つ以上の異なる種類の物質に分解または還元できない物質のことです。... アリストテレスの信奉者は、火、空気、土、水を 4 つの元素とし、地上のすべてのものがその 4 つの元素から構成されるものとしました。また、天はこれらすべてとは異なる精髄、つまり第 5 の種類の物体であると想定しました。しかし、実験哲学が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ます。化学者は、霊、塩、硫黄、水、土を 5 つの元素とします。なぜなら、地上のすべてのものをこの 5 つに還元できるからです。ただし、すべてが一致しているわけではありません。

最初の現代的な元素一覧は、 1789年にアントワーヌ・ラヴォアジエが著した『化学原論』に掲載されており、軽い元素や重い元素を含む33の元素が含まれていた。^{[49] [50]} 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の原子量を決定した。ドミトリ・メンデレーエフは1869年に作成した周期表に63の元素を載せた。

ボイルから 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換できない純粋な物質として定義されていました。当時の元素は、一般に原子量によって区別されていました。原子量は、既存の分析技術によってかなり正確に測定できる特性です。

1913年にイギ​​リスの物理学者ヘンリー・モーズリーが、原子核の電荷が原子番号の物理的根拠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）に基づく現在の元素の定義につながった。原子量ではなく原子番号を使用して元素を区別すると、予測価値が高くなる（これらの数字は整数であるため）だけでなく、同じ元素内の同位体と同素体のさまざまな特性に起因する化学ベースの見解のあいまいさも解決される。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。^[51]

1914 年までに、87 個の元素が知られており、すべて天然に存在する (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単離され、さまざまな追加の元素も合成されており、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た。1955 年、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 メンデレビウムと命名された。

さまざまな先史文化に馴染みのある 10 種類の物質は、現在では元素として知られています。炭素、銅、金、鉄、鉛、水銀、銀、硫黄、スズ、亜鉛です。現在元素として認められている 3 つの追加物質、ヒ素、アンチモン、ビスマスは、西暦 1500 年以前には別個の物質として認識されていました。リン、コバルト、プラチナは1750 年以前に分離されました。

残りの天然元素のほとんどは 1900 年までに特定され、特徴付けられました。これには次のものが含まれます。

• アルミニウム、シリコン、ニッケル、クロム、マグネシウム、タングステンなどの今ではおなじみの工業材料
• リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウムなどの反応性金属
• フッ素、塩素、臭素、ヨウ素の ハロゲン
• 水素、酸素、窒素、ヘリウム、アルゴン、ネオンなどのガス
• セリウム、ランタン、ガドリニウム、ネオジムを含む希土類元素のほとんど
• ウラン、トリウム、ラジウムなどの一般的な放射性元素

1900 年以降に分離または生成された元素には以下のものがあります。

• 残りの未発見の安定元素3つ：ハフニウム、ルテチウム、レニウム
• プルトニウムは、1940年にグレン・T・シーボーグによって初めて合成されたが、現在では長期間持続するいくつかの自然現象からも知られている。
• 3つの偶然に発生する天然元素（ネプツニウム、プロメチウム、テクネチウム）は、いずれも最初は合成によって生成されたが、後に地質学的サンプル中に微量に発見された。
• ウランまたはトリウムの4つの稀な崩壊生成物（アスタチン、フランシウム、アクチニウム、プロトアクチニウム）と、
• アメリシウムとキュリウムから始まるすべての合成超ウラン元素

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年のネプツニウムである。1999年以来、 IUPAC/IUPAP合同作業部会は、新元素発見の主張を検討してきた。2016年1月の時点で、118元素すべてがIUPACによって発見されたことが確認されている。元素番号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が提案された。^[52]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た。^[53]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、ロシアのドゥブナにあるフレロフ原子核反応研究所で2006年10月9日に合成された元素番号118のオガネソンである。^{[10] [54]元素番号117}のテネシンは、2009年に発見されたと主張された最新の元素です。^[55] 2016年11月28日、IUPACの科学者は、原子番号113、115、117、118の4つの最新の元素の名前を正式に承認しました。^{[56] [57]}

次の並べ替え可能な表には、既知の 118 個の元素が表示されています。

• 原子番号、元素、記号はすべて、一意の識別子として独立して機能します。
• 元素名はIUPACで認められているものです。
• ブロックは各元素の周期表ブロックを示します。赤 = s ブロック、黄色 = p ブロック、青 = d ブロック、緑 = f ブロック。
• グループと周期は、周期表における元素の位置を示します。ここでのグループ番号は現在認められている番号を示しています。古い番号については、グループ (周期表)を参照してください。

• ボイル、R. (1661)。『懐疑的な化学者：あるいは化学物理学的疑問と逆説、スパジリストの一般に仮説的と呼ばれる原理に関するもの。錬金術師の一般論によって提唱され擁護されるもの。同じ主題に関する別の講演の一部が紹介されている。J. キャドウェルが J. クロークのために印刷。

• ボール、P. (2004)。『元素：ごく短い入門』オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-284099-8。

• エムズリー、J. (2003)。『自然の構成要素：元素のA-Zガイド』オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-850340-8。
• グレイ、T. (2009)。『元素：宇宙に存在するすべての原子の視覚的探究』Black Dog & Leventhal Publishers Inc. ISBN 978-1-57912-814-2。
• Scerri, ER (2007)。 『周期表、その歴史と意義』オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-530573-9。
• ストラザーン、P. (2000)。メンデレーエフの夢：元素の探求。ハミッシュ・ハミルトン社。ISBN 978-0-241-14065-9。
• キーン、サム (2011)。『消えるスプーン：元素周期表に見る狂気、愛、世界史の真実の物語』バックベイブックス。
• AD McNaught、A. Wilkinson 編 (1997)。化学用語集(第 2 版)。オックスフォード: Blackwell Scientific Publications。doi : 10.1351/ goldbook。ISBN 978-0-9678550-9-7。XML オンライン修正版: M. Nic、J. Jirat、B. Kosata が作成、更新は A. Jenkins がコンパイル

• ノッティンガム大学による各要素のビデオ
• 「化学元素」、In Our Time 、BBCラジオ4、ポール・ストラザーン、メアリー・アーチャー、ジョン・マレルとの討論（2000年5月25日）