vignette| redresse=1.6| Échantillons des corps simples, classés selon le tableau périodique. Ceux qui manquent dans le tableau sont trop radioactifs pour être présentés en toute sécurité. Un élément chimique est une classe d'atomes dont le noyau compte un même nombre de protons. Ce nombre, noté Z, est le numéro atomique de l'élément, qui détermine la configuration électronique des atomes correspondants, et donc leurs propriétés physicochimiques. Ces atomes peuvent en revanche compter un nombre variable de neutrons dans leur noyau, ce qu'on appelle des isotopes. L'hydrogène, le carbone, l'azote, l'oxygène, le fer, le cuivre, l'argent, l'or, sont des éléments chimiques, dont le numéro atomique est respectivement 1, 6, 7, 8, 26, 29, 47, 79 Chacun est conventionnellement désigné par un symbole chimique : H, C, N, O, Fe, Cu, Ag, Au Au total, 118 éléments chimiques ont été observés, de numéro atomique 1 à 118. Parmi eux, ont été identifiés sur Terre dans le milieu naturel, et 80 ont au moins un isotope stable : tous ceux de numéro atomique inférieur ou égal à 82 hormis les éléments 43 et 61. Les 24 autres sont des éléments synthétiques.
Les éléments chimiques peuvent se combiner entre eux au cours de réactions chimiques pour former d'innombrables composés chimiques. Ainsi, l'eau résulte de la combinaison d'oxygène et d'hydrogène en molécules de formule chimique — deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Dans des conditions opératoires différentes, l'oxygène et l'hydrogène pourront donner des composés différents, par exemple du peroxyde d'hydrogène, ou eau oxygénée, de formule — deux atomes d'hydrogène et deux atomes d'oxygène. Réciproquement, chaque composé chimique peut être décomposé en éléments chimiques distincts, par exemple l'eau peut être électrolysée en oxygène et hydrogène.
Une substance pure constituée d'atomes du même élément chimique est appelée corps simple, et ne peut pas être décomposée en d'autres éléments distincts, ce qui différencie un corps simple d'un composé chimique. L'oxygène est un élément chimique, mais le gaz appelé couramment « oxygène » est un corps simple dont le nom exact est dioxygène, de formule , pour le distinguer de l'ozone, de formule , qui est également un corps simple ; l'ozone et le dioxygène sont des variétés allotropiques de l'élément oxygène. L'état standard d'un élément chimique est celui du corps simple dont l'enthalpie standard de formation est la plus faible aux conditions normales de température et de pression, par convention égale à zéro.
Un élément chimique ne peut pas se transformer en un autre élément par une réaction chimique, seule une réaction nucléaire appelée transmutation peut y parvenir. Cette définition a été formulée en substance pour la première fois par le chimiste français Antoine Lavoisier en 1789Traité élémentaire de chimie, 101.Le physicien et chimiste irlandais Robert Boyle, souvent présenté comme l'auteur du concept d'élément chimique, pratiquait en fait l'alchimie et recherchait le moyen de procéder à la transmutation des métaux entre eux. C'est davantage dans le domaine de l'atomisme qu'il a été précurseur, avec ses travaux fondateurs sur la physique des gaz et l'énoncé de la loi de Mariotte.. Les éléments chimiques sont communément classés dans une table issue des travaux du chimiste russe Dmitri Mendeleïev et appelée « tableau périodique des éléments » :
Définitions Noms, symboles En 2011 l'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) a entériné les noms en anglais et les symboles chimiques internationaux des 112 premiers éléments (par ordre de numéro atomique).. Le , l'UICPA a nommé deux éléments supplémentaires, le flérovium Fl et le livermorium Lv (numéros 114 et 116).. Le l'UICPA a officialisé l'observation de quatre autres éléments, de numéros atomiques 113, 115, 117 et 118, mais ne leur a pas attribué de noms définitifs. Provisoirement désignés sous les noms systématiques d'ununtrium (Uut), ununpentium (Uuv), ununseptium (Uus) et ununoctium (Uuo)., ils reçurent leur nom définitif le , respectivement nihonium (Nh), moscovium (Mc), tennesse (Ts) et oganesson (Og)..
Quand on veut représenter par un symbole un élément quelconque, on choisit généralement la lettre M (parfois en italiqueExemple : .). Quand on veut représenter différents types d'éléments interchangeables, notamment pour écrire la formule chimique d'un minéral, on se résout à employer des lettres comme A, B, C ou X, Y, Z, dans un contexte où l'on sait qu'il ne s'agit pas des éléments portant ces symboles (argon, bore)Exemple : on exprime souvent la formule chimique d'un grenat sous la forme où X représente un élément divalent et Y un élément trivalent (a priori pas l'yttrium, ou pas spécialement)..
Abondance
+Abondance des dix éléments les plus fréquents dans notre galaxie, estimée par spectroscopie.Z Élément ppm 1 Hydrogène 2 Hélium 8 Oxygène 6 Carbone 10 Néon 26 Fer 7 Azote 960 14 Silicium 650 12 Magnésium 580 16 Soufre 440
En , 118 éléments ont été observés. « Observé » signifie qu'on a identifié au moins un atome de cet élément de façon raisonnablement sûre : ainsi, seuls trois atomes de l' (l'oganesson), détectés à travers les produits de leur chaîne de désintégration (l'un en 2002 et deux autres en 2005), ont justifié l'annonce de sa découverte en 2006. En 2020 il n'y en avait toujours que cinq..
Seuls les 94 premiers éléments sont observés sur Terre dans le milieu naturel. Parmi eux, six ne sont présents qu'à l'état de traces : le technétium Tc, le prométhium Pm, l'astate At, le francium Fr, le neptunium Np et le plutonium Pu. Il s'agit d'éléments qui se désintègrent trop rapidement en comparaison de leur taux de formation ; le neptunium Np et le plutonium Pu résultent par exemple de la capture neutronique par le thorium Th ou surtout par l'uranium U. Le réacteur nucléaire naturel d'Oklo a aussi produit les transuraniens de l'américium Am jusqu'au fermium Fm, mais ils se sont rapidement désintégrés en éléments plus légers.
Les astronomes ont observé les raies spectroscopiques des éléments jusqu'à l'einsteinium Es dans l'étoile de Przybylski.
Les 18 autres éléments observés non détectés sur Terre ni dans l'espace ont été produits artificiellement par réactions nucléaires à partir d'éléments plus légers.
Selon le modèle standard de la cosmologie, l'abondance relative des isotopes des 95 éléments naturels dans l'univers résulte de quatre phénomènes Abondance des éléments dans l'espace et nucléosynthèse. : la nucléosynthèse primordiale pour les trois (ou quatre) premiers éléments : hydrogène, hélium, lithium, voire béryllium ; la nucléosynthèse stellaire pour les vingt-deux éléments suivants (l'hydrogène et l'hélium servant de matière première dans les usines stellaires), jusqu'au fer ; la spallation de ces noyaux qui enrichit le milieu interstellaire notamment en lithium, béryllium et bore, détectés en surabondance dans les rayons cosmiques ; la capture neutronique sur ces mêmes noyaux dans les étoiles en fin de vie, et notamment les supernovas, pour générer tous les éléments au-delà du fer, au cours de processus appelés r ou s selon qu'ils sont rapides ou lents, ainsi que la capture de protons rapides (processus rp) et la photodésintégration (processus p) pour ce qui concerne les noyaux riches en protons (tels que Hg).
Numéro atomique Le numéro atomique d'un élément, noté ZLa lettre est l'initiale du mot allemand Zahl (« nombre »), et celle de Atomgewicht (« poids atomique »)., est égal au nombre de protons contenu dans les noyaux des atomes de cet élément. Par exemple, tous les atomes d'hydrogène ne comptent qu'un seul proton, donc le numéro atomique de l'hydrogène est . Si tous les atomes d'un même élément comptent le même nombre de protons, ils peuvent en revanche avoir différents nombres de neutrons : chaque nombre de neutrons possible définit un isotope de l'élément.
Les atomes étant électriquement neutres, ils comptent autant d'électrons, chargés négativement, que de protons, chargés positivement, de sorte que le numéro atomique représente également le nombre d'électrons des atomes d'un élément donné. Les propriétés chimiques d'un élément étant déterminées avant tout par sa configuration électronique, on comprend que le numéro atomique est la caractéristique déterminante d'un élément chimique.
Le numéro atomique définit entièrement un élément : connaître le numéro atomique revient à connaître l'élément. C'est pour cela qu'il est généralement omis avec les symboles chimiques, sauf éventuellement pour rappeler la position de l'élément dans le tableau périodique. Lorsqu'il est représenté, il se positionne en bas à gauche du symbole chimique : X.
Nombre de masse Le nombre de masse d'un élément, noté A, est égal au nombre de nucléons (protons et neutrons) contenus dans le noyau de l'atome. Tous les atomes d'un élément ont par définition le même nombre de protons, mais ils peuvent avoir des nombres de neutrons différents, donc des nombres de masse différents, et on les appelle des isotopes. Par exemple, l'hydrogène H a trois isotopes : le protium ou hydrogène courant a un proton et aucun neutron ; le deutérium , plus rare, a un proton et un neutron ; enfin le tritium, , a un proton et deux neutrons, mais il est radioactif et n'est présent naturellement qu'à l'état de traces.
Le nombre de masse n'a généralement aucune incidence sur les propriétés chimiques des atomes, car il n'affecte pas leur configuration électronique ; un effet isotopique peut néanmoins être observé pour les atomes légers, c'est-à-dire le lithium Li, l'hélium He et surtout l'hydrogène H, car l'ajout ou le retrait d'un neutron dans le noyau de tels atomes entraîne une variation relative significative de la masse de l'atome, qui affecte les fréquences et l'énergie de vibration et de rotation des molécules (mesurable par spectroscopie infrarouge). Cela modifie la cinétique des réactions chimiques, et l'intensité des liaisons chimiques, le potentiel d'oxydoréduction. Pour les éléments lourds, en revanche, le nombre de masse n'a pratiquement pas d'influence sur leurs propriétés chimiques.
La densité volumique est proportionnelle à la masse atomique donc presque au nombre de masse. La vitesse de translation étant inversement à la racine carrée de la masse moléculaire, certains propriétés physiques comme la vitesse du son, la conductibilité thermique, la volatilité, la vitesse de diffusion sont un peu modifiées. Les propriétés physiques peuvent différer suffisamment pour permettre de séparer les isotopes, comme et , par diffusion ou centrifugation.
Le nombre de masse n'affectant pas les propriétés chimiques des éléments, il est généralement omis avec les symboles chimiques, sauf lorsqu'il s'agit de distinguer des isotopes. Lorsqu'il est représenté, il se positionne en haut à gauche du symbole chimique : X.
Masse atomique De 1961 à 2019, l'unité de masse atomique unifiée était définie par l'UICPA comme étant exactement le douzième de la masse du noyau d'un atome de C () : 1 u ≈ kg ≈ 931.49410372(29) MeV/c.
Depuis 2019, la nouvelle définition du nombre d'Avogadro (N), fixé à , a également fixé la valeur de l'unité de la masse atomique unifié à :
La masse au repos d'un nucléon n'est pas pertinente pour mesurer la masse des atomes car protons et neutrons n'ont pas exactement la même masse au repos — respectivement et — et surtout cette masse diffère de celle qu'ils ont lorsqu'ils font partie d'un noyau atomique en raison de l'énergie de liaison nucléaire de ces nucléons, qui induit un défaut de masse entre la masse réelle d'un noyau atomique et le cumul des masses au repos des nucléons qui composent ce noyau.
La masse atomique d'un élément est égale à la somme des produits des nombres de masse de ses isotopes par leur abondance naturelle. Appliqué par exemple au plomb, cela donne :
| colspan="4" | |- ! Isotope !! Abondance naturelle !! A !! Produit |- align="right" || Pb || 1,4 % || × 204 = || 2,9