substancja chemiczna, która składa się wyłącznie z atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze[2].
Pierwotna definicja pierwiastka chemicznego podana przezArystotelesa, głosząca, że jest to taka substancja, której nie da się rozłożyć na prostsze, nie jest już współcześnie stosowana[3].
W odpowiednich warunkach atomy pierwiastków mogą łączyć się ze sobą, tworzączwiązki chemiczne. Niemal cała znanamateria składa się z pierwiastków chemicznych w pierwszym znaczeniu, które występują albo w stanie wolnym, albo w formie związków chemicznych i ichmieszanin. Pierwiastki w drugim znaczeniu tego słowa występują naZiemi w formie czystej stosunkowo rzadko i poza nielicznymi przypadkami (takimi jak np.miedź rodzima) trzeba je celowo wyodrębniać z mieszanin.
Pierwiastki wewzorach chemicznych oraz wukładzie okresowym przedstawia się w formie jedno-trzyliterowych skrótów (jedno- i dwuliterowe to oficjalne, trzyliterowe – tymczasowe). Dla przykładu:C – towęgiel,H towodór,Cl tochlor,Uue to hipotetycznypierwiastek 119. W skrótach tych pierwsza litera jest zawsze wielka, a pozostałe małe. Przestrzeganie tej zasady ma duże znaczenie w jednoznacznym interpretowaniu wzorów chemicznych. Na przykładCo to symbolkobaltu,CO zaś to wzórtlenku węgla, składającego się z atomu węgla (C) itlenu (O). Skróty te pochodzą od łacińskich nazw pierwiastków.
Na początku 2010 r. znane były dowody na istnienie 118 pierwiastków chemicznych. Do grudnia 2015 rokuMiędzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) uznała, że przedstawione dowody spełniają wymagania niezbędne do uznania odkrycia wszystkich syntetycznychpierwiastków siódmego okresu[4]. Pierwiastki oliczbie atomowej od 1 do 112 oraz 114 i 116 mają nadane oficjalne nazwy oraz symbole, a Polskie Towarzystwo Chemiczne ustaliło dla tych pierwiastków ich polskie tłumaczenia[5][6]. Ostatnie potwierdzone pierwiastki o liczbach atomowych 113, 115, 117 i 118 oficjalnie otrzymały nazwy w listopadzie 2016 roku[7].
Kilka pierwiastków, otrzymanych sztucznie przy pomocy technik rozwiniętych przezfizykę jądrową, zostało odkrytych w podobnym czasie przez konkurencyjne zespoły naukowców. W efekcie w części prac były one oznaczane inaczej, niż jest to obecnie przyjęte (np. w pracach radzieckich naukowcówpierwiastek 104 nosił nazwę kurczatow i symbol Ku, a Amerykanie określalipierwiastek 105 nazwą hahn, z symbolem Ha). Spór o pierwszeństwo został zakończony przez IUPAC nadaniem ostatecznych nazw w 1997 roku.
94 pierwiastki występują naturalnie naZiemi (niektóre, np.astat, jedynie przejściowo, w naturalnych reakcjach jądrowych). Pozostałe zostały otrzymane sztucznie. Pierwiastki o liczbie atomowej powyżej 82 (bizmut i dalsze) są niestabilne, tzn. ulegająrozpadowi promieniotwórczemu w zauważalnym eksperymentalnie tempie. Oprócz tego niestabilne są także pierwiastki 43 (technet) i 61 (promet), które zostały otrzymane sztucznie. Ponadto żaden z pierwiastków o liczbie atomowej powyżej 94 nie występuje naturalnie. Wszystkie pierwiastki posiadają także niestabilneizotopy, tj. atomy w których jądrach jest ta sama liczba protonów, ale innaneutronów. Niewiele spośród nich występuje w przyrodzie; należy do nich np.tryt, niestabilny izotopwodoru, z którego buduje siębomby wodorowe[8].
Prawo okresowościMendelejewa głosi, że własności chemiczne pierwiastków zmieniają się periodycznie, gdy ułoży się je w kolejności ichmas atomowych[9]. Stało się to podstawą do stworzenia tabeli nazwanejukładem okresowym. Później w toku badań nad pierwiastkami okazało się, że ich własności chemiczne wykazują okresowość nie tyle ze względu na masę atomową, ile raczej naliczbę atomową. Na ogół masy atomowe pierwiastków rosną stopniowo ze wzrostem ich liczby atomowej, jednak ze względu na składy izotopowe w kilku przypadkach kolejność ta jest zaburzona[10].
W układzie okresowym pierwiastki dzielą się nagrupy iokresy. W najczęściej spotykanych postaciach układu grupy stanowią kolumny, a okresy – rzędy tabeli. Pierwiastki występujące w jednej grupie mają zazwyczaj podobne podstawowe własności chemiczne, które przechodząc od okresu do okresu, ulegają tylko wzmocnieniu lub osłabieniu. Na przykład wszystkie opróczwodoru pierwiastki występujące w1. grupie układu są bardzo reaktywnymimetalami o własnościachzasadowych, tworzącymi w reakcji zwodą odpowiedniewodorotlenki. Z kolei wszystkie pierwiastki z17. grupy sąniemetalami tworzącymi w reakcji z wodą silnekwasy[11].
powstawanie jąder najlżejszych pierwiastków, oliczbach atomowych Z ≤ 4, oraz ich atomów i cząsteczek w przestrzeni kosmicznej (powstawanieobłoków molekularnych),
synteza jąder pierwiastków oliczbach atomowych 4 ≤ Z ≤ 26 (od Be do Fe) we wnętrzu gwiazd, które powstają z molekularnych obłoków gazowych, a w kolejnych etapach ewolucji Wszechświata – zobłoków gazowo-pyłowych,
powstawanie pierwiastków cięższych odżelaza (26 < Z ≤ ?) w krótkich epizodach wybuchówsupernowych, kończących ewolucję gwiazd masywnych.
Idea pierwiastka chemicznego związana jest z powstaniem nowożytnej chemii (XVII-XVIII w.). Ma ona jednak korzenie w przednaukowejfilozofii przyrody, rozwijającej idee podstawowych zasad, elementów czyżywiołów.Pierwsi filozofowie szukali podstawowej zasady (Arché) leżącej u podstaw całej rzeczywistości. Nie było zgody, co jest tą podstawową zasadą:Tales z Miletu widział ją w wodzie,Anaksymander wbezkresie (apeiron),Anaksymenes w powietrzu, natomiastHeraklit w ogniu[16].
W późniejszym okresie filozofowie określani jakopluraliści starali się połączyć te koncepcje, uznając, że istnieje kilka jakościowo różnych zasad, leżących u podstaw rzeczywistości przyrodniczej. W ten sposób ukształtowały się koncepcje, zgodnie z którymi u podstaw rzeczywistości materialnej leży kilka podstawowych elementów. Najbardziej wpływowa była koncepcjaEmpedoklesa, twórcy koncepcji czterech elementów: wody, ognia, powietrza i ziemi, łącząca koncepcje Talesa, Anaksymenesa, Heraklita iKsenofanesa[17]. Elementy były dla niego „pierwotne i jakościowo niezmienne”[18]. Łączyły się ze sobą w sposób mechaniczny, tworząc wielość i różnorodność rzeczy we Wszechświecie[18]. Odmienną koncepcję wysunęliatomiści:Leucyp iDemokryt, którzy wskazywali, że wszystkie rzeczy materialne stworzone są z małych, niepodzielnych cząstek (atomów). Atomy różnią się kształtem i łączą się w różnych proporcjach, co daje w efekcie różnorodność rzeczy[19]. Filozoficzne teorie materii oparte na żywiołach i na atomach były więc konkurencyjne i toczyły ze sobą spory. Synteza różnych koncepcji starożytnych została dokonana w teoriachPlatona (łączącego Empedoklesa z atomizmem) iArystotelesa (łączącego Empedoklesa z Anaksymandrem). Szczególnie wpływowa była koncepcja Arystotelesa, powszechnie uznawana aż do czasów nowożytnych
W przeciwieństwie do współczesnej koncepcji pierwiastka, starożytne elementy nie były uznawane za „najbardziej podstawowe substancje, które mogą zostać wyizolowane i oczyszczone”[20]. Były pojmowane raczej jako zasady, które dopiero przez zmieszanie tworzą rzeczy materialne. Żywioł wody nadawał np. rzeczom płynność (i był częścią np. roztopionego metalu). Z kolei żywioł ziemi nadawał ciężar. Poszczególne żywioły łączono z różnymi zasadami, cechami charakteru, symbolami, ciałami niebieskimi. Taka przednaukowa wizja rzeczywistości uznawała istnienie wielu ukrytych połączeń. Żywioły nie tylko tworzyły charakterystykę materii, lecz były podstawową strukturą organizującą życie człowieka.
Rozwój alchemii w średniowieczu i wczesnej nowożytności doprowadził stopniowo do przekształcenia starożytnych żywiołów i powstania naukowej koncepcji pierwiastka chemicznego. Praktycznie nastawienialchemicy odwoływali się często do arystotelesowskiej koncepcji 4 żywiołów, jednak obok nich wprowadzali dodatkowe podstawowe substancje, których relacje do żywiołów były niejasne[21]. Ten kierunek rozwoju wyznaczony został przezuczonych arabskich. Zasadniczym przedmiotem zainteresowania alchemików byłymetale i ich transmutacje, których celami miały być otrzymanie złota lub odkryciekamienia filozoficznego.Dżabir Ibn Hajjan uznawał ziemię, powietrze, ogień i wodę za podstawowe elementy materii. Bezpośrednimi „zasadami” tworzącymi wszystkie metale były jednaksiarka irtęć. W XVI w.Paracelsus dodał do nichsól, formułując wpływową koncepcję trójzasadową. Trzy zasady były u Paracelsusa bezpośrednimi, obserwowalnymi manifestacjami żywiołów[21].
Rozwójfilozofii przyrody, badań empirycznych i aparatury w XVII w. związany był m.in. z porzuceniem celów dawnej alchemii i skupieniu się na bardziej ogólnych celach poznawczych. Stopniowo przyczyniło się to do porzucenia klasycznych żywiołów i sformułowania idei pierwiastka chemicznego.
Za twórcę współczesnej koncepcji pierwiastka można uznaćRoberta Boyle’a, który powrócił do pierwotnej definicji Arystotelesa, ale jednocześnie przedstawił serię krzyżowych eksperymentów rozkładu kilkuset substancji, dowodzącą, że w przyrodzie musi być więcej niż 4, czy nawet 6 pierwiastków. Zauważył on, że niektóre substancje poddawane „wpływowi Wulkana” (podgrzewaniu) nie dają się rozłożyć na prostsze elementy, co stawia pod znakiem zapytania koncepcję czterech żywiołów. Choć jego pisma unikały radykalnych wniosków, wynikało z nich, że podstawowe elementy materii powinny być określane drogą eksperymentalną, a nie na podstawie filozoficznej spekulacji[22]. Było to wyraźne odejście od fizyki arystotelesowskiej, opierającej się na apriorycznych założeniach, ilustrowanych różnego rodzaju „obserwacjami”, które nie były empirycznie sprawdzane[23].
Rzeczywiste zerwanie z koncepcją żywiołów nastąpiło jednak dopiero wraz z badaniamiLavoisiera i odkryciemtlenu[24]. Postępując zgodnie z programem Boyle’a, Lavoisier w 1789 obaliłteorię flogistonu i jednocześnie sporządził listę 33 pierwiastków, z których później część okazała się faktycznie pierwiastkami chemicznymi, ale część była nieporozumieniem, np. na liście były światło i ciepło[25]. Lista ta była stale uzupełniana i zmieniana przez kolejne pokolenia chemików. Do 1818Jöns Jacob Berzelius ustaliłmasy molowe 45 z 49 substancji uznanych za pierwiastki. Duże zasługi w uporządkowaniu listy pierwiastków położył na przełomie XVIII i XIX wiekuHumphry Davy, który konkurował i spierał się z Berzeliusem.
W 1869 r. w pierwszymukładzie okresowym pierwiastkówDmitrij Mendelejew zamieścił już 66 pierwiastków. Układ okresowy znacznie przyspieszył odkrywanie nowych pierwiastków i ułatwił ustalanie, czy postulowana substancja jest nim istotnie, gdyż musiały one pasować swoimi własnościami chemicznymi imasą atomową do wolnych miejsc w układzie.
W XIX wieku głównym źródłem odkryć nowych pierwiastków były badania geologiczne. Odkryto w tym czasie m.in. większość występujących naturalniemetali ziem rzadkich. Pod koniec XIX wiekuWilliam Ramsay odkrył istnieniegazów szlachetnych, występujących w śladowych ilościach wpowietrzu i niektórych gazach geologicznych.
Do początków XX wieku pierwiastek nadal definiowano tak, jak to zaproponowali Arystoteles i Boyle. Na podstawie tego, że w układzie okresowym nie było już prawie żadnych pustych miejsc, uważano też, że zostały już odkryte prawie wszystkie pierwiastki. Odkrycie zjawiskarozpadu promieniotwórczego przezMarię Skłodowską Curie i jej męża w 1898 r. z jednej strony obaliło mit o tym, że atomy pierwiastków nie mogą się rozpadać na mniejsze jednostki, a z drugiej strony otworzyło źródło odkryć kolejnych kilkudziesięciu pierwiastków chemicznych.
W 1913 r.Henry Moseley dowiódł, że okresowość własności chemicznych pierwiastków nie jest związana bezpośrednio z ich masą atomową, lecz wynika raczej zładunku elektrycznego ichjąder, który wynika z kolei z liczbyprotonów znajdujących się w tych jądrach. Po odkryciu w 1913 r. przezFredericka Soddy’ego, że część rzekomych nowych pierwiastków to w istocieizotopy już istniejących, powstała konieczność zmiany definicji tych pierwszych. Współczesna definicja pierwiastka, przyjęta przez IUPAC poII wojnie światowej określająca go jako zbiór atomów o tej samej liczbie protonów w jądrze, rozwiązuje kwestie problemów z izotopami i rozpadem promieniotwórczym[2].
W 1919 r. lista pierwiastków liczyła 89 pozycji. W 1937 r. została zapełniona ostatnia poważna luka w układzie okresowym międzymolibdenem irutenem, z której istnienia zdawał sobie sprawę już Mendelejew. Udało się tego dokonać badaczom z Uniwersytetu wPalermo pod kierunkiemEmilio Segrè i przy współpracy zG.T. Seaborgiem.Technet był pierwszym pierwiastkiem wytworzonym przez człowieka z innych pierwiastków[26].
Odkrycia nowych pierwiastków chemicznych w czasie i poII wojnie światowej związane były z rozwojem technikfizyki jądrowej, zwłaszcza z możliwością przeprowadzaniareakcji jądrowych na skutek bombardowania jąder atomowychcząstkami rozpędzanymi wakceleratorach. Do początku 2010 r. otrzymano w ten sposób pierwiastki o liczbach atomowych od 93 do 118, które razem nazywane sątransuranowcami[27].
Badania te są bardzo kosztowne i prowadzone są głównie w trzech ośrodkach naukowych na świecie:
Najcięższym odkrytym dotąd pierwiastkiem jestoganeson (118). Miał być on rzekomo odkryty przez fizykaVictora Ninova w Berkeley w 1999 r.[28], jednak po nieudanych próbach powtórzenia eksperymentu wyniki te zostały uznane za oszustwo[29]. Pierwiastek ten udało się jednak ostatecznie otrzymać w Dubnej, co zostało ogłoszone 9 września 2006 r.[30]
24 kwietnia 2008 grupa kierowana przezAmnona Marinova zUniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie ogłosiła wykrycie kilku atomówunbibi-292 w naturalnie występujących złożachtoru[31]. Rzetelność tych badań została podważona przez inne zespoły badawcze[32], wyniki te nie doczekały się też ogłoszenia wrecenzowanymczasopiśmie naukowym (Marinov ujawnił, że „Nature” i „Nature Physics” nie przyjęły artykułu do publikacji[33]).
↑John Emsley,Przewodnik po pierwiastkach, s. 197, PWN, 1997,ISBN 83-01-12236-6.
↑P.J.P.J.KarolP.J.P.J.,H.H.NakaharaH.H.,B.W.B.W.PetleyB.W.B.W.,E.E.VogtE.E.,On the Claims for Discovery of Elements 110, 111, 112, 114, 116, and 118 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 75 (10), 2003, s. 1601–1611,DOI: 10.1351/pac200375101601 [dostęp 2025-01-16].
↑V.V.NinovV.V. i inni,Observation of Superheavy Nuclei Produced in the Reaction of86Kr with208Pb, „Physical Review Letters”, 83 (6),1999, s. 1104–1107,DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.1104 [dostęp 2025-01-16](ang.).
↑RexR.DaltonRexR.,The stars who fell to Earth, „Nature”, 420 (6917),2002, s. 728–729,DOI: 10.1038/420728a [dostęp 2025-01-16](ang.).
↑Yu. Ts.Y.T.OganessianYu. Ts.Y.T. i inni,Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the249Cf and245Cm+48Ca fusion reactions, „Physical Review C”, 74 (4),2006,DOI: 10.1103/PhysRevC.74.044602 [dostęp 2025-01-16](ang.).
↑A.A.MarinovA.A. i inni,Evidence for a long-lived superheavy nucleus with atomic mass number A=292 and atomic number Z~=122 in natural Th, „International Journal of Modern Physics E”, 19 (01),2010, s. 131–140,DOI: 10.1142/S0218301310014662,arXiv:0804.3869 [dostęp 2025-01-16](ang.).
↑Richard Van Noorden: Heaviest element claim criticised. [w:]Chemistry World. News [on-line]. Royal Society of Chemistry, 2008-05-25. [dostęp 2014-10-26]. [zarchiwizowane ztego adresu (2008-06-04)].
