Каждый Э. х. - это совокупность Атомов с одинаковым зарядом атомных ядер и одинаковым числом электронов в атомной оболочке. Ядро атомное состоит из протонов, число которых равно атомному номеру (См. Атомный номер) элемента, и нейтронов, число которых может быть различным. Разновидности атомов одного и того же Э. х., имеющие различные массовые числа (См. Массовое число) (равные сумме масс протонов и нейтронов, образующих ядро), называются изотопами (См. Изотопы). В природе многие Э. х. представлены двумя или большим числом изотопов. Известно 276 стабильных изотопов, принадлежащих 81 природному Э. х., и около 1500 радиоактивных изотопов. Изотопный состав природных элементов на Земле, как правило, постоянен; поэтому каждый элемент имеет практически постоянную атомную массу (См. Атомная масса), являющуюся одной из важнейших характеристик элемента. В настоящее время (1978) известно 107 Э. х., они, преимущественно нерадиоактивные, создают всё многообразие простых и сложных веществ. Простое вещество - форма существования элемента в свободном виде. Некоторые Э. х. существуют в двух или более аллотропных модификациях (например, углерод в виде графита и алмаза), различающихся по физическим и химическим свойствам; число простых веществ достигает 400 (см. Аллотропия). Иногда понятия "элемент" и "простое вещество" отождествляются, поскольку в подавляющем большинстве случаев нет различия в названиях Э. х. и образуемых ими простых веществ; "... тем не менее в понятиях такое различие должно всегда существовать", - писал в 1869 Д. И. Менделеев (Соч., т. 13, 1949, с. 490). Сложное вещество - Соединение химическое - состоит из химически связанных атомов двух или нескольких различных элементов; известно более 100 тыс. неорганических и более 3 млн. органических соединений. Для обозначения Э. х. служат Знаки химические, состоящие из первой или первой и одной из последующих букв латинского названия элемента. В формулах химических (См. Формулы химические) и уравнениях химических (См. Уравнения химические) каждый такой знак (символ) выражает, кроме названия элемента, относительную массу Э. х., равную его атомной массе. Изучение Э. х. составляет предмет химии (См. Химия), в частности неорганической химии (См. Неорганическая химия).

Историческая справка. В донаучный период химии как нечто непреложное принималось учение Эмпедокла о том, что основу всего сущего составляют четыре стихии: огонь, воздух, вода, земля. Это учение, развитое Аристотелем, полностью восприняли алхимики. В 8-9 вв. они дополнили его представлением о сере (начале горючести) и ртути (начале металличности) как составных частях всех металлов. В 16 в. возникло представление о соли как начале нелетучести, огнепостоянства. Против учения о 4 стихиях и 3 началах выступил Р. Бойль, который в 1661 дал первое научное определение Э. х. как простых веществ, которые не состоят из каких-либо других веществ или друг из друга и образуют все смешанные (сложные) тела. В 18 в. Почти всеобщее признание получила гипотеза И. И. Бехера и Г. Э. Шталя (См. Шталь), согласно которой тела природы состоят из воды, земли и начала горючести - Флогистона. В конце 18 в. эта гипотеза была опровергнута работами А. Л. Лавуазье. Он определил Э. х. как вещества, которые не удалось разложить на более простые и из которых состоят другие (сложные) вещества, т. е. по существу повторил формулировку Бойля. Но, в отличие от него, Лавуазье дал первый в истории науки перечень реальных Э. х. В него вошли все известные тогда (1789) неметаллы (О, N, Н, S, Р, С), металлы (Ag, As, Bi, Co, Ca, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn), а также "радикалы" [муриевый (Cl), плавиковый (F) и борный (В)] и "земли" - ещё не разложенные известь СаО, магнезия MgO, барит BaO, глинозём Al₂O₃ и кремнезём SiO₂ (Лавуазье полагал, что "земли" - вещества сложные, но пока это не было доказано на опыте, считал их Э. х.). Как дань времени он включил в список Э. х. невесомые "флюиды" - свет и теплород. Едкие щёлочи NaOH и KOH он считал веществами сложными, хотя разложить их электролизом удалось позже - только в 1807 (Г. Дэви). Разработка Дж. Дальтоном атомной теории имела одним из следствий уточнение понятия элемента как вида атомов с одинаковой относительной массой (атомным весом). Дальтон в 1803 составил первую таблицу атомных масс (отнесённых к массе атома водорода, принятой за единицу) пяти Э. х. (О, N, С, S, Р). Тем самым Дальтон положил начало признанию атомной массы как главной характеристики элемента. Дальтон, следуя Лавуазье, считал Э. х. веществами не разложимыми на более простые.

Последующее быстрое развитие химии привело, в частности, к открытию большого числа Э. х. В списке Лавуазье было всего 25 Э. х., включая "радикалы", но не считая "флюиды" и "земель". Ко времени открытия периодического закона Менделеева (См. Периодический закон Менделеева) (1869) было известно уже 63 элемента. Открытие Д. И. Менделеева позволило предвидеть существование и свойства ряда неизвестных тогда Э. х. и явилось основой для установления их взаимосвязи и классификации.

Открытие радиоактивности (См. Радиоактивность) в конце 19 в. поколебало более чем столетнее убеждение в том, что атомы нельзя разложить. В связи с этим почти до середины 20 в. продолжалась дискуссия о том, что такое Э. х. Конец ей положила современная теория строения атома, которая позволила дать строго объективную дефиницию Э. х., приведённую в начале статьи.

Распространённость в природе. Распространённость Э. х. в космосе определяется нуклеогенезом внутри звёзд. Химический состав Солнца, планет земного типа Солнечной системы и метеоритов, по-видимому, практически тождествен. Образование ядер Э. х. связано с различными ядерными процессами в звёздах. Поэтому на разных этапах своей эволюции различные звёзды и звёздные системы имеют неодинаковый химический состав (см. Космогония). Распространённость и распределение Э. х. во Вселенной, процессы сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества, химический состав космических тел изучает Космохимия. Основную массу космического вещества составляют Н и Не (99,9\%). Наиболее разработанной частью космохимии является Геохимия.

Из 107 Э. х. только 89 обнаружены в природе, остальные, а именно Технеций (атомный номер 43), Прометий (атомный номер 61), Астат (атомный номер 85), Франций (атомный номер 87) и Трансурановые элементы, получены искусственно посредством ядерных реакций (ничтожные количества Te, Pm, Np, Fr образуются при спонтанном делении урана и присутствуют в урановых рудах). В доступной части Земли наиболее распространены 10 элементов с атомными номерами в интервале от 8 до 26. В земной коре они содержатся в следующих относительных количествах:

Перечисленные 10 элементов составляют 99,92\% массы земной коры.

----------------------------------------------------------------------------------------

| Элемент | Атомный номер | Содержание, \% |

| | | по массе |

|--------------------------------------------------------------------------------------|

| O | 8 | 47,00 |

|--------------------------------------------------------------------------------------|

| Si | 14 | 29,50 |

|--------------------------------------------------------------------------------------|

| Al | 13 | 8,05 |

|--------------------------------------------------------------------------------------|

| Fe | 26 | 4,65 |

|--------------------------------------------------------------------------------------|

| Ca | 20 | 3,30 |

|--------------------------------------------------------------------------------------|

| Na | 11 | 2,50 |

|--------------------------------------------------------------------------------------|

| K | 19 | 2,50 |

|--------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg | 12 | 1,87 |

|--------------------------------------------------------------------------------------|

| Ti | 22 | 0,45 |

|--------------------------------------------------------------------------------------|

| Mn | 25 | 0,10 |

----------------------------------------------------------------------------------------

Классификация и свойства. Наиболее совершенную естественную классификацию Э. х., раскрывающую их взаимосвязь и показывающую изменение их свойств в зависимости от атомного номера, даёт Периодическая система элементов Д. И. Менделеева. По свойствам Э. х. делятся на Металлы и Неметаллы, причём периодическая система позволяет провести границу между ними. Для химических свойств металлов наиболее характерна проявляемая при химических реакциях способность отдавать внешние электроны и образовывать катионы, для неметаллов - способность присоединять электроны и образовывать анионы. Неметаллы характеризуются высокой Электроотрицательностью. Различают Э. х. главных подгрупп, или непереходные элементы, в которых идёт последовательное заполнение электронных подоболочек s и р, и Э. х. побочных подгрупп, или переходные, в которых идёт достраивание d- и f-подоболочек. При комнатной температуре два Э. х. существуют в жидком состоянии (Hg и Вг), одиннадцать - в газообразном (Н, N, О, F, Cl, Не, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), остальные - в виде твёрдых тел, причём температура плавления их колеблется в очень широких пределах - от около 30°С (Cs 28,5°С; Ga 29,8°С) до 3000°С и выше (Ta 2996°С; W 3410°С; графит около 3800± 200°С под давлением 125 кбар). О свойствах, получении и применении Э. х. см. в статьях об отдельных элементах, а также о семействах Э. х. (Актиноиды, Инертные газы, Лантаноиды, Платиновые металлы, Рассеянные элементы, Редкие элементы, Редкоземельные элементы).

Лит.: Кедров Б. М., Эволюция понятия элемента в химии, М., 1956; Сиборг Г. Т., Вэленс Э. Г., Элементы Вселенной, пер. с англ., М., 1962; Сиборг Г., Искусственные трансурановые элементы, пер. с англ., М., 1965; Фигуровский Н. А., Открытие химических элементов и происхождение их названий, М., 1970; Популярная библиотека химических элементов, М., 1971-73; Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., [т.] 1-2, М., 1973; Полинг Л., Общая химия, пер. с англ., М., 1974; Джуа М., История химии, пер. с итал., 2 изд., М., 1975; Weeks М. Е., Discovery of the elements, 6 ed., Easton, 1956.

С. А. Погодин.

химические элементы, расположенные в периодической системе элементов (См. Периодическая система элементов) Д. И. Менделеева за Ураном, то есть с атомным номером Z ≥ 93. Известно 14 Т. э. Из-за относительно высокой скорости их радиоактивного распада Т. э. в заметных количествах не сохранились в земной коре. Возраст Земли около 5․10⁹ лет, а Период полураспада T_1/2 наиболее долгоживущих изотопов Т. э. меньше 10⁷ лет. За время существования Земли Т. э., возникшие в процессе нуклеосинтеза, либо полностью распались, либо их количество резко уменьшилось (до 10¹² раз). В природных минералах найдены микроколичества ²⁴⁴Pu - наиболее долгоживущего Т. э. (T_1/2 Трансурановые элементы 8․10⁶ лет), который, возможно, сохранился на Земле с момента её формирования. В урановых рудах обнаружены следы ²³⁷Np (T_1/2 Трансурановые элементы 2,14․10⁶ лет) и ²³⁹Pu (T_1/2 Трансурановые элементы 2,4․10⁴ лет), которые образуются в результате ядерных реакций с участием ядер U.

Первые Т. э. были синтезированы в начале 40-х гг. 20 в. в Беркли (США) группой учёных под руководством Э. Макмиллана и Г. Сиборга, удостоенных Нобелевской премии за открытие и изучение этих элементов. Известно несколько способов синтеза Т. э. Они сводятся к облучению мишени потоками нейтронов или заряженных частиц. Если в качестве мишени используется U, то с помощью мощных нейтронных потоков, образующихся в ядерных реакторах (См. Ядерный реактор) или при взрыве ядерных устройств, можно получить все Т. э. до Fm (Z = 100) включительно. Процесс синтеза состоит либо в последовательном захвате нейтронов, причём каждый акт захвата сопровождается увеличением массового числа А, приводящим к β-распаду и увеличению заряда ядра Z, либо в мгновенном захвате большого числа нейтронов (взрыв) с длинной цепочкой β-распадов. Возможности этого метода ограничены, он не позволяет получать ядра с Z > 100. Причины - недостаточная плотность нейтронных потоков, малая вероятность захвата большого числа нейтронов и (что наиболее важно) очень быстрый радиоактивный распад ядер с Z > 100.

Элемент с Z = 101 (Менделевий) был открыт в 1955 при облучении ²⁵³₉₉Es (эйнштейния) ускоренными α-частицами. Пять элементов с Z > 101 были получены на ускорителях заряженных частиц [циклотрон Объединённого института ядерных исследований (См. Объединённый институт ядерных исследований) (ОИЯИ; Дубна, СССР) и линейный ускоритель тяжёлых ионов "Хайлак" (Беркли, США)] в ядерных реакциях с ускоренными тяжёлыми ионами. Определяющий вклад в эти работы внесли группа учёных под руководством Г. Н. Флёрова (Дубна) и группа Г. Сиборга - А. Гиорсо (Лаборатория им. Лоуренса, Беркли). Существенные результаты были получены также в Окриджской национальной лаборатории США.

Для синтеза далёких Т. э. используется два типа ядерных реакций - слияния и деления. В первом случае ядра мишени и ускоренного иона полностью сливаются, а избыточная энергия образовавшегося возбуждённого составного ядра снимается путём "испарения" нейтронов. При использовании ионов С, О, Ne и мишеней из Pu, Cm, Cf образуется сильно возбуждённое составное ядро (энергия возбуждения Трансурановые элементы 40-60 Мэв). Каждый испаряемый нейтрон способен унести из ядра энергию в среднем порядка 10-12 Мэв, поэтому для "остывания" составного ядра должно вылететь до 5 нейтронов. С испарением нейтронов конкурирует процесс деления возбуждённого ядра. Для элементов с Z = 104-105 вероятность испарения одного нейтрона в 500-100 раз меньше вероятности деления. Это объясняет малый выход новых элементов: доля ядер, которые "выживают" в результате снятия возбуждения, составляет всего 10^-8-10^-10 от полного числа ядер мишени, слившихся с частицами. В этом кроется причина того, что за последние 20 лет синтезировано всего 5 новых элементов (Z = 102-106).

В ОИЯИ разработан новый метод синтеза Т. э., основанный на реакциях слияния ядер, причём в качестве мишеней используются плотно упакованные устойчивые ядра изотопов Pb, а в качестве бомбардирующих частиц сравнительно тяжёлые ионы Ar, Ti, Cr. Избыточная энергия ионов расходуется на "распаковку" составного ядра, и энергия возбуждения оказывается низкой (всего 10-15 Мэв). Для снятия возбуждения такой ядерной системы достаточно испарения 1-2 нейтронов. В итоге получается весьма заметный выигрыш в выходе новых Т. э. Этим методом был осуществлен синтез Т. э. с Z = 100, Z = 104 и Z = 106.

В 1965 Флёров предложил использовать для синтеза Т. э. вынужденное деление ядер под действием тяжёлых ионов. Осколки деления ядер под действием тяжёлых ионов имеют симметричное распределение по массе и заряду с большой дисперсией (следовательно, в продуктах деления можно обнаружить элементы с Z значительно, большим, чем половина суммы Z мишени и Z бомбардирующего иона). Экспериментально было установлено, что распределение осколков деления становится шире по мере использования всё более тяжёлых частиц. Применение ускоренных ионов Xe или U позволило бы получить новые Т. э. в качестве тяжёлых осколков деления при облучении урановых мишеней. В 1971 в ОИЯИ были ускорены ионы Xe с помощью 2 циклотронов, которыми облучалась урановая мишень. Результаты показали, что новый метод пригоден для синтеза тяжёлых Т. э.

Т. э. испытывают все виды радиоактивного распада. Однако Электронный захват и β-распад - процессы относительно медленные, и их роль становится небольшой при распаде ядер с Z > 100, имеющих короткие времена жизни относительно α-распада и спонтанного деления. По мере утяжеления элемента конкуренция между спонтанным делением и (β-распадом становится всё более заметной. Нестабильность относительно спонтанного деления, очевидно, определяет границу периодической системы элементов. Если период полураспада для спонтанного деления ₉₂U Трансурановые элементы 10¹⁶ лет, для ₉₄Pu Трансурановые элементы 10¹⁰ лет, то для ₁₀₀Fm он измеряется часами, для 104-го элемента - секундами (см. Курчатовий), для 106-го элемента - несколькими мсек. О химических свойствах Т. э. (до Z = 104) и строении их электронных оболочек см. в ст. Актиноиды.

Теоретическое рассмотрение показывает, что возможно существование очень тяжёлых ядер, имеющих повышенную стабильность относительно спонтанного деления и α-распада. "Остров стабильности" должен располагаться вблизи магического ядра (См. Магические ядра), у которого число протонов 114, а число нейтронов 184. Если гипотетическая область стабильности окажется реальной, то границы периодической системы элементов существенно расширятся. Ведутся поиски экспериментальных путей для проникновения в эту область элементов. Получить 114 протонов в новом ядре сравнительно легко, а 184 нейтрона - трудно. Причём отступление от магического числа 184 даже на несколько единиц резко понижает устойчивость ядра к спонтанному делению.

Расчёты барьеров деления и времён жизни сверхтяжёлых элементов привели к выводу, что некоторые сверхтяжёлые элементы могут иметь период полураспада около 10⁸ лет и их микроколичества могли сохраниться на Земле до нашего времени. В 1968 под руководством Флёрова начаты поиски сверхтяжёлых элементов в природе. Исследуются земные минералы, продукты извержения вулканов, геотермальные воды, а также объекты, способные к аккумуляции тяжёлой компоненты космических лучей (См. Космические лучи) (железо-марганцевые конкреции со дна океанов, илы донных отложений озёр и морей, метеориты, породы лунного регалита). Изучают образцы, в которых, согласно теоретическим представлениям, могут содержаться химические элементы с Z > 108. Одновременно ведутся исследования с помощью ускорителей многозарядных ионов.

Лит.: Флёров Г. Н., Звара И., Химические элементы второй сотни. Сообщения ОИЯИ Д7-6013, [Дубна, 1971]: Флёров Г. Н., Поиск и синтез трансурановых элементов, в кн.: Peaceful uses of atomic energy, N. Y. - Vienna, v. 7, 1972, p. 471; Радиоактивные элементы Po - (Ns) - ..., под ред. И. В. Петрянова-Соколова, М., 1974.

Г. Н. Флёров, В. А. Друин.

см. Уравнения химические.