Les éléments chimiques peuvent se combiner entre eux au cours deréactions chimiques pour former d'innombrablescomposés chimiques. Ainsi, l'eau résulte de la combinaison d'oxygène et d'hydrogène enmolécules deformule chimique H2O — deuxatomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Dans des conditions opératoires différentes, l'oxygène et l'hydrogène pourront donner des composés différents, par exemple duperoxyde d'hydrogène, ou eau oxygénée, de formule H2O2 — 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 êtreélectrolysée enoxygène ethydrogène.
Une substance pure constituée d'atomes du même élément chimique est appeléecorps 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 estdioxygène, de formule O2, pour le distinguer de l'ozone, de formule O3, qui est également un corps simple ; l'ozone et le dioxygène sont desvariétés 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 auxconditions 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 uneréaction nucléaire appeléetransmutation peut y parvenir. Cette définition a été formulée en substance pour la première fois par le chimiste françaisAntoine Lavoisier en1789[2],[b]. Les éléments chimiques sont communément classés dans une table issue des travaux du chimiste russeDmitri Mendeleïev et appelée « tableau périodique des éléments » :
En 2011 l'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) a entériné les noms en anglais et lessymboles chimiques internationaux des 112 premiers éléments (par ordre denuméro atomique)[3]. Le, l'UICPA a nommé deux éléments supplémentaires, leflérovium Fl et lelivermorium Lv (numéros 114 et 116)[4],[5]. 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)[6], ils reçurent leur nom définitif le, respectivementnihonium (Nh),moscovium (Mc),tennesse (Ts) etoganesson (Og)[7].
Quand on veut représenter par un symbole un élément quelconque, on choisit généralement la lettre M (parfois en italique[c]). Quand on veut représenter différents types d'éléments interchangeables, notamment pour écrire la formule chimique d'unminéral, 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, etc.)[d].
En 2025, 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'élément 118 (l'oganesson), détectés à travers les produits de leurchaîne 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[9].
Les 18 autres éléments observés non détectés sur Terre ni dans l'espace ont été produits artificiellement parréactions nucléaires à partir d'éléments plus légers.
lanucléosynthèse stellaire pour les vingt-deux éléments suivants (l'hydrogène et l'hélium servant de matière première dans les usines stellaires), jusqu'aufer ;
lacapture 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 appelésr ous selon qu'ils sont rapides ou lents, ainsi que la capture de protons rapides (processus rp) et laphotodésintégration (processus p) pour ce qui concerne les noyaux riches en protons (tels que196Hg).
Lenuméro atomique d'un élément, notéZ[e], est égal au nombre deprotons contenu dans lesnoyaux desatomes de cet élément. Par exemple, tous lesatomes d'hydrogène ne comptent qu'un seul proton, donc le numéro atomique de l'hydrogène estZ = 1. Si tous les atomes d'un même élément comptent le même nombre de protons, ils peuvent en revanche avoir différents nombres deneutrons : chaquenombre de neutrons possible définit unisotope 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 saconfiguration 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 :ZX.
Lenombre de masse d'un élément, notéA[e], est égal au nombre denucléons (protons etneutrons) contenus dans lenoyau 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 desisotopes. Par exemple, l'hydrogène1H a trois isotopes : leprotium1 1H ou hydrogène courant a un proton et aucun neutron ; ledeutérium2 1H, plus rare, a un proton et un neutron ; enfin letritium,3 1H, a un proton et deux neutrons, mais il estradioactif et n'est présent naturellement qu'à l'état detraces.
Le nombre de masse n'a généralement aucune incidence sur les propriétés chimiques des atomes, car il n'affecte pas leurconfiguration électronique ; uneffet isotopique peut néanmoins être observé pour les atomes légers, c'est-à-dire lelithium3Li, l'hélium2He et surtout l'hydrogène1H, 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 devibration et derotation desmolécules (mesurable parspectroscopie infrarouge). Cela modifie la cinétique desréactions chimiques, et l'intensité desliaisons chimiques, lepotentiel d'oxydoréduction. Pour les éléments lourds, en revanche, le nombre de masse n'a pratiquement pas d'influence sur leurs propriétés chimiques.
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 :AX.
Lamole étant définie par le nombre d'atomes contenus dans12g decarbone 12 (soitN ≈ 6,022 141 79 × 1023 atomes), la masse atomique du plomb est donc de 207,2 g/mol, avec un défaut de masse de l'ordre de 7,561 676 MeV/c2 par nucléon.
De ce qui précède, on comprend qu'on ne peut définir de masse atomique que pour les éléments dont on connaît la composition isotopique naturelle ; à défaut d'une telle composition isotopique, on retient le nombre de masse de l'isotope connu ayant lapériode radioactive la plus longue, ce qu'on indique généralement en représentant la masse atomique obtenue entreparenthèses ou entrecrochets.
Deuxatomes dont lenoyau compte le même nombre deprotons mais un nombre différent deneutrons sont dits « isotopes » de l'élément chimique défini par le nombre de protons de ces atomes. Parmi les 118 éléments observés, seuls 80 ont au moins unisotope stable (nonradioactif) : tous les éléments denuméro atomique inférieur ou égal à 82, c'est-à-dire jusqu'auplomb82Pb, hormis letechnétium43Tc et leprométhium61Pm. Parmi ceux-ci, seuls 14 n'ont qu'un seul isotope stable (par exemple lefluor, constitué exclusivement de l'isotope19F), les 66 autres en ont au moins deux (par exemple lecuivre, dans les proportions 69 % de63Cu et 31 % de65Cu, ou lecarbone, dans les proportions 98,9 % de12C et 1,1 % de13C). Il existe en tout256 isotopes stables connus des 80 éléments non radioactifs, ainsi qu'une vingtaine d'isotopes faiblement radioactifs présents dans le milieu naturel (parfois avec unepériode radioactive tellement grande qu'elle en devient non mesurable), certains éléments ayant à eux seuls plus d'une demi-douzaine d'isotopes stables ; ainsi, l'étain50Sn en compte pas moins de dix, d'occurrences naturelles fort variables :
Parmi les 274 isotopes les plus stables connus (comprenant 18 isotopes « quasi stables » ou très faiblement radioactifs), un peu plus de 60 % (165nucléides pour être exact) sont constitués d'un nombre pair à la fois de protons (Z) et de neutrons (N), et un peu moins de 1,5 % (seulement quatre nucléides[f]) d'un nombre impair à la fois de protons et de neutrons ; les autres nucléides se répartissent à peu près à parts égales (un peu moins de 20 %) entre Z pair et N impair, et Z impair et N pair. Globalement, 220 nucléides stables (un peu plus de 80 %) ont un nombre pair de protons, et seulement 54 en ont un nombre impair ; c'est un élément sous-jacent à l'effet d'Oddo-Harkins, relatif au fait que, pourZ> 4 (c'est-à-dire à l'exception des éléments issus de lanucléosynthèse primordiale), les éléments denuméro atomique pair sont plus abondants dans l'univers que ceux dont Z est impair. Cet effet se manifeste notamment dans la forme en dents de scie des courbes d'abondance des éléments par numéro atomique croissant :
Deuxatomes qui ont le même nombre deneutrons mais un nombre différent deprotons sont ditsisotones. Il s'agit en quelque sorte de la notion réciproque de celle d'isotope.
C'est par exemple le cas desnucléides stables36S,37Cl,38Ar,39K et40Ca, situés sur l'isotone 20 : ils comptent tous 20 neutrons, mais respectivement 16, 17, 18, 19 et 20 protons ; les isotones 19 et 21, quant à eux, ne comptent aucunisotope stable.
Dès lebismuth83Bi, tous les isotopes des éléments connus sont (au moins très faiblement) radioactifs — l'isotope209Bi a ainsi unepériode radioactive valant un milliard de fois l'âge de l'univers. Lorsque la période dépasse quatre millions d'années, la radioactivité produite par ces isotopes est négligeable et ne constitue pas de risque sanitaire : c'est par exemple le cas de l'uranium 238, dont la période est de près de 4,5 milliards d'années.
Au-delà deZ = 110(darmstadtium281Ds), tous les isotopes des éléments ont une période radioactive de moins de 30 secondes, et de moins d'un dixième de seconde à partir dumoscovium288 115Mc.
Lemodèle en couches de lastructure nucléaire permet de rendre compte de la plus ou moins grande stabilité desnoyaux atomiques en fonction de leur composition ennucléons (protons etneutrons). En particulier, des « nombres magiques » de nucléons, conférant une stabilité particulière aux atomes qui en sont composés, ont été observés expérimentalement, et expliqués par ce modèle[13]. Leplomb 208, qui est le plus lourd des noyaux stables existants, est ainsi composé du nombre magique de 82 protons et du nombre magique de 126 neutrons.
Certaines théories[g] extrapolent ces résultats en prédisant l'existence d'unîlot de stabilité parmi lesnucléides superlourds, pour un « nombre magique » de 184 neutrons et — selon les théories et les modèles —114,120,122 ou126 protons.
Une approche plus moderne de la stabilité nucléaire montre toutefois, par des calculs fondés sur l'effet tunnel, que, si de tels noyaux superlourds doublement magiques seraient probablement stables du point de vue de lafission spontanée, ils devraient cependant subir desdésintégrations α avec unepériode radioactive de quelques microsecondes[14],[15],[16] ; un îlot de relative stabilité pourrait néanmoins exister autour dudarmstadtium 293, correspondant auxnucléides définis parZ compris entre 104 et 116 etN compris entre 176 et 186 : ces éléments pourraient avoir des isotopes présentant des périodes radioactives atteignant quelques minutes.
Un mêmenoyau atomique peut parfois exister dans plusieurs états énergétiques distincts caractérisés chacun par unspin et une énergie d'excitation particuliers. L'état correspondant auniveau d'énergie le plus bas est appeléétat fondamental : c'est celui dans lequel on trouve naturellement tous lesnucléides. Les états d'énergie plus élevée, s'ils existent, sont appelésisomères nucléaires de l'isotope considéré ; ils sont généralement très instables et résultent la plupart du temps d'unedésintégration radioactive.
On note les isomères nucléaires en adjoignant la lettre « m » — pour « métastable » — à l'isotope considéré : ainsi l'aluminium 26, dont le noyau a unspin 5+ et est radioactif avec unepériode de 717 000 ans, possède un isomère, noté26mAl, caractérisé par un spin 0+, une énergie d'excitation de6 345,2keV et une période de6,35s.
S'il existe plusieurs niveaux d'excitation pour cet isotope, on note chacun d'eux en faisant suivre la lettre « m » par un numéro d'ordre, ainsi les isomères dutantale 179 présentés dans le tableau ci-contre.
Un isomère nucléaire retombe à son état fondamental en subissant unetransition isomérique, qui se traduit par l'émission dephotons énergétiques,rayons X ourayons γ, correspondant à l'énergie d'excitation.
letantale 180m1 a la particularité d'être stable sur au moins 1015 ans (près de 75 000 fois l'âge de l'univers), ce qui est d'autant plus remarquable que l'état fondamental de l'isotope180Ta est, au contraire, très instable : le180mTa est le seul isomère nucléaire présent dans le milieu naturel ; le mécanisme de sa formation dans lessupernovae est d'ailleurs mal compris ;
lethorium 229m est peut-être l'isomère connu ayant la plus faible énergie d'excitation, à peine quelquesélectron-volts : cette énergie est si faible qu'elle est difficilement mesurable, l'estimation la plus récente la situant vers(7,6 ± 0,5)eV[18], tandis qu'un consensus plus ancien la plaçait vers(3,5 ± 1,0)eV[19]. Cela correspond à desphotons dans l'ultraviolet, et, s'il était possible d'exciter l'isotope229Th avec unlaserultraviolet delongueur d'onde adéquate, cela rendrait possible la réalisation debatteries à haute densité d'énergie, voire peut-être d'horloges atomiques de précision ;
Un même élément chimique peut former plusieurs corps simples différant seulement les uns des autres par l'agencement des atomes dans lesmolécules ou lesstructures cristallines qui les définissent. Lecarbone existe ainsi sous formegraphite àsystème cristallin hexagonal, sous formediamant à structure tétraédrique, sous formegraphène qui correspond à un unique feuillet hexagonal de graphite, ou encore sous formesfullerène ounanotube de carbone qui peuvent être vues comme des feuillets de graphène respectivement sphériques et tubulaires. Ces différentes formes de carbone sont appeléesallotropes de cet élément. De la même façon, l'ozone O3 et ledioxygène O2 sont des allotropes de l'élémentoxygène.
Chaque allotrope d'un élément ne peut exister que dans une gamme detempératures et depressions définies, ce qu'on représente par undiagramme de phases. Ainsi, le carbone ne cristallise sous forme diamant qu'en étant soumis à de hautes pressions, le diamant demeurant stable jusqu'à pression ambiante ; lorsqu'il cristallise à pression ambiante, le carbone donne néanmoins du graphite, et non du diamant.
Tous les symboles chimiques ont une validité internationale quels que soient les systèmes d'écriture en vigueur, à la différence des noms des éléments qui doivent être traduits.
L'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) est l'instance chargée notamment de normaliser la nomenclature internationale des éléments chimiques et de leurs symboles. Cela permet de s'affranchir des querelles de nommage des éléments, qu'il s'agisse des querelles anciennes (par exemple au sujet dulutécium, que les Allemands ont appelécassiopeium jusqu'en 1949 à la suite d'une querelle de paternité entre un Français et un Autrichien quant à la première purification de l'élément) ou récentes (notamment au sujet de l'élément 104, synthétisé par deux équipes, russe et américaine, qui s'opposaient sur le nom à donner à cet élément) :
le nom des 118 éléments reconnus par l'UICPA est à présent fixé, et le symbole chimique de ces éléments est unifié dans le monde entier[7] ;
Letableau périodique des éléments est universellement utilisé pour classer les éléments chimiques de telle sorte que leurs propriétés soient largement prédictibles en fonction de leur position dans ce tableau. Issue des travaux du chimiste russeDmitri Mendeleïev et de son contemporain allemand méconnuJulius Lothar Meyer, cette classification est ditepériodique car organisée en périodes successives au long desquelles les propriétés chimiques des éléments, rangés parnuméro atomique croissant, se succèdent dans un ordre identique.
Ce tableau fonctionne parfaitement jusqu'aux deux tiers de laseptième période, ce qui englobe les 95 éléments détectés naturellement surTerre ou dans l'espace ; au-delà de lafamille desactinides (éléments qu'on appelle lestransactinides), des effetsrelativistes, négligeables jusqu'alors, deviennent significatifs et modifient sensiblement laconfiguration électronique desatomes, ce qui altère très nettement la périodicité des propriétés chimiques aux confins du tableau.
↑Les tentatives de synthèse de l'élément 119, élément le plus léger non encore synthétisé, sont toujours infructueuses en août 2024[1].
↑Le physicien et chimiste irlandaisRobert Boyle, souvent présenté comme l'auteur du concept d'élément chimique, pratiquait en fait l'alchimie et recherchait le moyen de procéder à latransmutation 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 desgaz et l'énoncé de laloi de Mariotte.
↑Exemple : on exprime souvent la formule chimique d'ungrenat sous la forme XII3YIII2[SiO4]3 où XII représente un élémentdivalent et YIII un élément trivalent (a priori pas l'yttrium, ou pas spécialement).
↑a etbLa lettreZ est l'initiale du motallemandZahl (« nombre »), etA celle deAtomgewicht (« poids atomique »).
↑Ce sont :2H,6Li,10B, et14N ; il y en ade facto un cinquième avec le180m1Ta, qui devrait théoriquement connaître unedésintégration β en180W ainsi qu'unecapture électronique en180Hf, mais aucune radioactivité de cette nature n'a jamais été observée, de sorte que cet élément, théoriquement instable, est considéré comme stable.
↑Notamment les théories de champ moyen et les théories MM.
↑abcdefg ethLa composition isotopique de cet élément dépend des sources du marché, ce qui peut entraîner un écart significatif par rapport à la valeur indiquée ici.
↑abcdefghijklmn etoLa composition isotopique dépend des sources géologiques de sorte qu'une masse atomique plus précise ne peut être déterminée.
↑La masse atomique du lithium commercial peut varier de 6,939 à 6,996 ; l'analyse de l'échantillon est nécessaire afin de déterminer la valeur exacte de la masse atomique du lithium fourni.
↑abcdefghijklmnopqrstuvwxyzaaabacadaeafagahaiaj etakCet élément n'a pas de nucléide stable, et la valeur indiquée entre crochets correspond à la masse de l'isotope le plus stable de cet élément ou à sa composition isotopique caractéristique.
↑Carl B. Collinset al., « First experimental evidence of induced gamma emission of a longlived Hafnium-178 isomer showing a highly efficient X-rays to gamma-rays conversion »,Phys. Rev. Lett.,82, 695 (1999).
Robert Luft,Dictionnaire des corps purs simples de la chimie, Nantes, Association Cultures et Techniques,, 392 p.(ISBN978-2-9510168-3-5). En particulier, la définition de l'élément.
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