عنصر

از: دانشنامه‌ی آریانا

عنصر

فهرست مندرجات پیشینه‌ی تاریخی ویژگی‌های عنصرها جدول تناوبی نام‌گذاری و نمادها فراوانی عنصرهای شیمیایی يادداشت‌ها پيوست‌ها پی‌نوشت‌ها جُستارهای وابسته سرچشمه‌ها پيوند به بيرون .

شیمی

ماده

عنصر شیمیایی (به انگلیسی: )، که گاهی نیز برای سادگی، به آن صرفاً عنصر () می‌گویند، به ماده‌ای گفته می‌شود که اتم‌های آن تعداد پروتون‌های برابر در هسته‌ی خود داشته باشند. بنابراین، عناصر براساس تعداد پروتون‌هایی که دارند مشخص می‌شوند. این عدد (تعداد پروتون‌ها) که با نماد Z نشان داده می‌شود، عدد اتمی آن عنصر نام دارد. با این حال، هر عنصر شیمیایی عدد اتمی منحصر به فردی دارد.

ویژگی‌های شیمیایی اتم‌های یک عنصر توسط ساختار الکترونی آن‌ها تعیین می‌شود که آن نیز به تعداد پروتون‌های هسته آن اتم وابسته است. از این‌رو، همه اتم‌هایی که دارای تعداد پروتون‌های برابر (عدد اتمی برابر) باشند، ویژگی‌های شیمیایی یکسانی دارند. اما اتم‌های یک عنصر می‌توانند دارای تعداد متفاوتی نوترون باشند که ایزوتوپ‌های آن عنصر نامیده می‌شوند.

▲	پیشینه‌ی تاریخی

مفهوم عنصر، به‌عنوان یک ماده‌ی غیربخش‌پذیر، در سه مرحله‌ی عمده‌ی تاریخی توسعه یافته است. تعریف کلاسیک (مانند آن‌چه که از یونانیان باستان به‌جا مانده است)، تعریف شیمیایی، و تعریف اتمی.

یونانیان باستان بر این باور بودند که کل ماده موجود در جهان از مقداری مواد ساده پدید آمده است که عنصر نام دارند. آن‌ها این عناصر پایه که سازنده‌ی بقیه مواد جهان هستند را آتش، هوا، خاک و آب می‌دانستند.

اصطلاح «عنصر»، به‌صورت «stoicheia»، نخستین‌بار توسط افلاطون، فیلسوف یونانی، در حدود ٣٦٠ سال قبل از میلاد، در رساله‌ی که به‌صورت گفت‌وگو با تیمائوس درباره‌ی شیمی، و شامل بحث در مورد ترکیب آلی و غیرآلی بدن بود، به‌کار رفته است. افلاطون معتقد بود عناصری که یک قرن قبل از او توسط امپدوکلس معرفی شده، از اشکال چندوجهی کوچک تشکیل شده‌اند: چهاروجهی (آتش)، هشت‌وجهی (هوا)، بیست‌وجهی (آب) و مکعب (زمین).

ارسطو، در حدود ٣۵٠ پیش از میلاد، نیز از اصطلاح «stoicheia» استفاده کرد و در کنار چهار عنصر بنیادی کیهان، قائل به وجود عنصر پنجمی به‌نام اثیر (یا اتر) شد که در اندیشه او، سازنده‌ی اجرام آسمانی بود. این عنصر بعداً به‌نام «quintessence» نامیده شد که در زبان لاتین به‌معنای عنصر پنجم است. ارسطو عنصر را چنین توصیف کرده است: «عنصر، بدنی در بدن‌های دیگر است که قابل تجزیه می‌باشند، اما خود قادر نیست که به چیزی دیگر تجزیه شود.»

این دیدگاه تا دو هزار سال بعد نیز مورد پذیرش بود تا این‌که رابرت بویل، شیمی‌دان و فیلسوف انگلیسی، در سال ۱٦٦۱ میلادی، در کتاب شیمی‌دان شکاک، مفاهیم جدیدی (تعریف شیمیایی) را برای عنصر ارائه کرد. به نظر او عناصر، موادی بودند که از ترکیب هیچ ماده دیگری ساخته نشده‌ باشند؛ بلکه خود در ترکیب با یکدیگر، اجسام تازه‌ای را شکل دهند. وی بر این عقیده بود که تشخیص عناصر، تنها با آزمایش شیمیایی ممکن است.

آنتوان لاوازیه، همین مفهوم را گسترده‌تر کرد و ماده‌ای را عنصری نامید که به مواد ساده‌تری تجزیه نشود. او، در سال ۱٧٨۹ میلادی، نخستین فهرست مدرن از عناصر شیمیایی که شامل سی‌وسه عناصر بود را منتشر کرد. او این عنصرها را زیر نام‌های گازی، فلزی، نافلزی و خاکی دسته‌بندی کرده بود. هر چند او نور و گرما را هم به همراه چند ماده مرکب به اشتباه در فهرست عناصر خود وارد کرده‌ بود، ولی توانست ۳۳ عنصر را به‌درستی از هم تفکیک و معرفی کند. لاوازیه موادی را که از پیوستن چند عنصر حاصل می‌شوند، مواد مرکب نامید.

از زمان بویل تا اوایل قرن بیستم، عنصر به‌عنوان یک ماده خالص تعریف می‌شد که نمی‌توانست به مواد ساده‌تر تجزیه شود. به‌عبارت دیگر، نظر بر این بود که یک عنصر شیمیایی را نمی‌توان به سایر عناصر شیمیایی توسط فرایندهای شیمیایی تبدیل کرد. با وجود این، عناصر در طول این زمان، به‌طور کلی، توسط وزن اتمی خود، که یک ویژگی قابل اندازه‌گیری با دقت بارز، توسط تکنیک‌های تحلیلی در دسترس بود، مشخص می‌شد.

با این حال، اهمیت عدد اتمی در جاگذاری عنصرها در جدول تناوبی نادیده گرفته می‌شد تا این‌که وجود و ویژگی‌های پروتون و نوترون در هسته فهمیده شد.

در سال ۱۹۱٣ میلادی، هنری موزلی، فیزیک‌دان انگلیسی، که کاشف پروتون بود، کشف کرد که ارتباط دقیقی بین طیف بازتاب پرتو ایکس عناصر، و محل صحیح آن‌ها در جدول تناوبی وجود دارد. بعداً نشان داده شد که عدد اتمی مساوی بار الکتریکی هسته - به‌عبارت دیگر تعداد پروتون‌ها - است و این بار الکتریکی است که خواص شیمیایی عناصر را به‌وجود می‌آورد و نه جرم اتمی. در نهایت، این کشف منجر به تعریف کنونی (تعریف اتمی) از عنصر شد.

کشف عناصرها

کشف عنصرهای شیمیایی، مفهومی است که تعریف مشخص و روشنی برای آن نمی‌توان ارائه داد. از این‌رو، اغلب با برداشت‌های متفاوتی به‌کار برده می‌شود. برخی، کشف یک عنصر را به‌معنای تهیه نمونه‌ی نسبتاً خالصی از آن و بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی متمایزکننده‌ی آن می‌دانند. اما تعریفی که «فیگوروسکی» (N. Figurovsky)، اندیشمند روسی و نویسنده‌ی مشهور تاریخ علم شیمی، برای مفهوم «کشف عنصر شیمیایی» ارائه داد، قابل توجه است. به نظر وی «کشف یک عنصر را نباید تنها به‌معنای تهیه یا استخراج آن عنصر به‌صورت آزاد دانست، بلکه باید به‌معنای تشخیص آن به کمک ابزار و روش‌های فیزیکی و شیمیایی در ترکیب‌های آن‌ها تلقی کرد.»

روشن است این تعریف تنها می‌تواند درباره‌ی کشف عنصرهایی که از نیمه‌ی دوم سده‌ی هیجدهم (از ۱٧۵٠ میلادی به بعد) که آغاز توسعه‌ی روش تجزیه‌ی شیمیایی است، درست باشد؛ اما برای دوره‌های پیش از آن قابل پذیرش نیست. زیرا در آن زمان‌ها پژوهشگران ایزارو امکان لازم و کافی برای بررسی اجزایی تشکیل‌دهنده‌ی ترکیب‌هایی که شامل عنصر ناشناخته‌ای باشد، را در اختیار نداشتند.

در هر صورت، تهیه یک عنصر به‌صورت یک ترکیب را باید گام نخست و مرحله‌ی آغازی کشف آن در نظر گرفت. استخراج و جداسازی یک عنصر به‌صورت آزاد (جسم ساده) که یک رویداد بسیار مهم در تاریخ کشف آن عنصر است، امکان به‌دست آوردن اطلاعات لازم و کافی درباره‌ی آن عنصر را فراهم می‌سازد. در واقع، تنها در این مرحله است که دانشمندان می‌توانند بسیاری از خواص فیزیکی و شیمیایی عنصر را مورد بررسی قرار دهند و آن را کاملاً شناسایی کنند. بنابراین، این مرحله، یعنی استخراج و جداسازی یک عنصر به حالت آزاد را باید مرحله‌ی نهایی کشف عنصر تلقی کرد.

بررسی تاریخ کشف عنصرها روشن می‌کند که به این مرحله‌ی پایانی کشف عنصرها همواره دسترسی نبود. بر این اساس، کشف برخی از عنصرها به این مفهوم نبود که حتماً به‌صورت آزاد تهیه و ارائه شده باشد، بلکه مراحلی گوناگون و داستانی پیچیده داشته‌اند و نمی‌توان هر یک از آن‌ها را یک رویداد تنها و خاتمه یافته در نظر گرفت. از این‌رو، تاریخی که در مورد کشف برخی از عنصرها در این‌جا آمده است، ممکن است حتی به تشخیص غیرمستقیم آن در یک نمونه مربوط باشد. به‌طور مثال، عنصرهایی که به روش طیف‌سنجی کشف شدند، هرگز از راه استخراج از ترکیب‌هایی خود به‌دست نیامدند.

لازم به یادآوری است که با توجه به برداشت‌هایی متفاوتی که از مفهوم کشف عنصرهای شیمیایی وجود دارد، ممکن است در برخی منابع از فرد معینی به‌عنوان کاشف عنصری نام برده شده باشد؛ اما در منابع دیگر، فرد دیگر را کاشف آن عنصر قلمداد کرده باشند. مثلاً برخی رامسی را کاشف هلیم و برخی لوکابر، ستاره‌شناس انگلیسی و تامسن، ستاره‌شناس فرانسوی را کاشف آن می‌دانند. از این نمونه‌ها در تاریخ کشف عنصرها کم نیستند.

گذشته از این، کشف بسیاری از عنصرها، حاصل کار و تلاش یک فرد نبود، بلکه تلاش پیگیر چندین پژوهشگر و حتا گاهی چند گروه از تلاش‌گران را همراه داشت. برای نمونه، بیش از سی تن از دانشمنداندر سنتز عنصرهای نایاب ترانس اورانیم (عنصر بعد از اورانیم در جدول تناوبی، یعنی از عنصر ۹٣ تا عنصر ۱٠۹) درگیر بودند که همگی از نظریه‌پردازان و پژوهشگران در شیمی یا فیزیک بودند و تکنیک‌های پیچیده و نوینی را به‌ویژه در سنتز عنصرهای سنگین ترانس اورانیم به‌کار بستند. در این میان، گزارش سنتز عنصر ۱٠٦ تنها در موسسه‌ی پژوهش هسته‌ای دوبنای (Dubna)، در شوروی سابق، توسط ۱۱ تن از دانشمندان امضا شد.

به‌طور کلی، پس از طرح و ارائه‌ی جدول تناوبی، در سال ۱٨٧۱ میلادی، برای کشف و سنتز عنصرهای ناشناخته و تکمیل جدول تناوبی، حدود ۱٠٠ دانشمند و پژوهشگر دخالت و تلاش داشتند.

با این حال، روند کشف عنصرها در دوره‌های مختلف تاریخ را می‌توان به‌طور کلی، به دو مرحله دسته‌بندی کرد. فاز اول، عنصرهای کشف‌شده پس از دوران ماقبل تاریخ، تا سال ۱٧۵٠ میلادی (یک دوران حدود ۹٠٠٠ سال)، و فاز دوم، از سال ۱٧۵٠، که تاریخ تقریبی آغاز توسعه‌ی کاربرد تجزیه‌ی شیمیایی است، تا سال ۱۹٢۵، که در آن با کشف رنیم، کشف عنصرهای پایدار موجود در طبیعت پایان یافت (یک دوران ۱۵٠ ساله).

در مرحله‌ی نخست، تا حدود ٧٠٠٠ سال پیش میلاد، بشر پنج عنصر، یعنی نقره، طلا، کربن، فسفر و گوگرد را می‌شناخت و از حدود ٧٠٠٠ سال پیش میلاد تا سال ۱٧۵٠، در مجموع ۱۱ عنصر دیگر، یعنی مس، آهن، جیوه، سرب، قلع، آرسنیک، روی، آنتیموان، بیسموت، کبالت و پلاتین نیز کشف شد.

مرحله‌ی دوم، اگر به ٦ دوره‌ی ٢۵ ساله بخش شود، به این ترتیب از سال ۱٧۵۱ تا سال ۱٧٧۵، تنها هشت عنصر که عمدتاً گازند یعنی هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن، فلوئور، کلر، منگنز، نیکل و باریم کشف شد و تعداد عنصرها در مجموع به ٢۴ رسید.

از سال ۱٧٧٦ تا سال ۱۸٠٠، ۱٠ عنصر یعنی بریلیم، تیتان، کروم، ابتریم، زیرکنتم، مولیبدن، تلور، تنگستن، اورانیم و استرنسیم کشف شد و تعداد عنصرها به ٣۴ رسید.

از سال ۱۸٠۱ تا سال ۱۸٢۵، تعداد نسبتاً زیادی یعنی ۱۸ عنصر کشف شد که عبارت‌اند از: لیتیم، بور، سدیم، منیزیم، آلومینیم، سیلیسیم، پتاسیم، کلسیم، نیربیم، روبیدیم، پالادیم، کادمیم، ید، سریم، تانتال، اسمیم و ایندیم. به این ترتیب، تعداد عنصرها به ۵٢ رسید.

از سال ۱۸٢٦ تا سال ۱۸۵٠، تنها ٧ عنصر یعنی وانادیم، برم، روتنیم، لانتان، تربیم، اربیم و توریم کشف شد و تعداد عنصرها به ۵۹ رسید.

از سال ۱۸۵۱ تا سال ۱۸٧۵، نیز تعداد اندکی از عنصرها یعنی تنها ۵ عنصر روبیدیم، ایندیم، تالیم و گالیم کشف شدند. به این ترتیب، تا پایان یعنی ۴ سال پس از انتشار جدول تناوبی قطعی مندلیف، تعداد عنصرها به ٦٣ رسیده بود. با توجه به این‌که در بین این عنصرها تنها گالیم پس از انتشار جدول مندلیف کشف شد، بنابراین، در سال انتشار جدول مندلیف (۱۸٧۱ میلادی) جدول طبقه‌بندی ٦٣ عنصر را در بر داشت.

از سال ۱۸٧٦ تا سال ۱۹٠٠، بیشترین تعداد عنصرها یعنی ۱۹ عنصر شامل گازهای نجیب (بی‌اثر) هوا کشف شد. این عنصرها عبارت بودند از: هلیم، نئون، آرگون، اسکاندیم، ژرمانیم، کریپتون، زنون، پرازئودیمیم، ذئودیمیم، ساماریم، گادولینیم، دیسپروزیم، هولمیم، تولیم، ایتربیم، پولونیم، رادیم، آکتینیم و رادن. بنابراین، در سال ۱۹٠٠ تعداد عنصرهای شناخته‌شده به ٨٣ رسید.

از سال ۱۹٠۱ تا سال ۱۹٢۵، تنها ۵ عنصر سنگین یعنی اروپیم، لوتسیم، هافنیم، پروتاکتینیم و رنیم کشف شد و تعداد عنصرها به ۸۸ رسید. بنابراین، تنها ۴ عنصر طبیعی که نایاب و کمیابند، تکنیم، آستاتین، پرومتیم و فرانسیم بعد از ۱۹٢۵ کشف شدند.

به‌هر حال، تا سال ۱۹٢۵، هشتادوهشت عنصر شناخته شده بود و به‌تدریج، عناصر طبیعی باقی‌مانده نیز کشف شدند. چنان‌که امروزه، حدود ۱۱۸ عنصر، کشف یا ساخته شده‌اند. از این تعداد، ۹۴ عنصر در طبیعت یافت می‌شوند و بقیه به‌طور مصنوعی و به کمک واکنش‌های هسته‌ای در آزمایشگاه ساخته می‌شوند.

▲	ویژگی‌های عنصرها

هيدروژن و هليم، دو سبک‌ترین عنصر طبیعت در ٢٠ دقیقه آغازین انفجار بزرگ، در اثر هسته‌زایی مه‌بانگ، با نسبت جرمی ٣:۱ (یا ۱٢:۱ عدد اتمی) ساخته شدند. به‌وجود آمدن سایر عناصر جدول تناوبی نیازمند گذر زمان طولانی بود. یک میلیون سال پس از پیدایش جهان، از ابرهای هيدروژنی دستگاه‌های راه شيری ستارگان و سيارات به‌وجود آمدند. وقتی که اولین ستاره‌ها شکل گرفتند، انرژی آن‌ها به‌وسیله فرایند هم‌جوشی هسته‌ای تأمین شد. به این ترتیب که ابتدا هیدروژن به هلیم تبدیل گشت و سپس در مراحل بعدی عمر ستاره، کربن و عناصر سنگین‌تر، از قبيل اكسيژن و آهن، یعنی سنگ‌بناهای اصلی لازم و ضروری برای زندگی و حيات، در دل ستارگان به‌وجود آمدند.

عناصر شیمیایی را نمی‌توان به کمک واکنش‌های شیمیایی معمولی به یکدیگر تبدیل کرد. تنها واکنشی که می‌توان با استفاده از آن تعداد پروتون‌های هسته اتم‌های یک عنصر را تغییر داد و یک عنصر را به عنصر دیگری تبدیل کرد، یک واکنش هسته‌ای است که آن را واکنش تبدیل هسته‌ای می‌نامند.

عدد اتمی

عدد اتمی، تعداد پروتون‌ها در هسته‌ی اتم را مشخص می‌کند که آن را با حرف Z نشان می‌دهند. برای مثال، تمام اتم‌های هیدروژن تنها یک پروتون در هسته‌ی خود دارند. به‌همین دلیل، عدد اتمی هیدروژن برابر با یک است. اما ممکن است که هسته‌ی اتم‌های یک عنصر، دارای تعداد نوترون‌های متفاوت باشند، که هر کدام نشانگر ایزوتوپ‌های متفاوت آن عنصر هستند.

از آن‌جا که اتم، از لحاظ الکتریکی، ذره‌ای خنثی است، بنابراین، تعداد پروتون‌ها که دارای بار مثبت هستند، باید با تعداد الکترون‌ها که دارای بار منفی هستند، برابر باشد. پس عدد اتمی تعداد الکترون‌ها در یک اتم را نیز مشخص می‌کند. ارنست رادرفورد، فیزیکدان هسته‌ای اهل نیوزلند، بر این باور بود که عدد اتمی همه‌ی اتم‌های یک عنصر، یکسان است. بنابراین، می‌توان به کمک عدد اتمی نوع عنصر را معین کرد.

ویژگی‌های شیمیایی یک عنصر بیش از هر چیز با آرایش الکترونی آن تعیین می‌شود. از این‌رو، می‌توان گفت که شناخت عدد اتمی یک عنصر به شناخت ماهیت آن عنصر کمک می‌کند. عدد اتمی یک عنصر را - که اصولاً شماره محل هر عنصر در جدول تناوبی است - در گوشه سمت چپ و پایین نماد (یا علامت اختصاری) آن عنصر به‌صورت _zX می‌نویسند.

عدد جرمی

عدد جرمی، مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها (‌ها)ی داخل هسته‌ی یک اتم را مشخص می‌کند و تقریباً برابر با جرم اتم است اما واحد آن‌ها فرق می‌کند زیرا جرم اتمی بر واحد گرم بر مول است اما عدد جرمی بر واحد کربنی (یا Amu) است. بنابراین، جرم اتم به تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های درون هستۀ آن بستگی دارد و جرم الکترون‌ها، بر آن تأثیر چشم‌گیری ندارد. عدد جرمی یک عنصر که با A نشان داده می‌شود که در بالا سمت چپ کنار علامت اختصاری (نماد شیمیایی) عنصر شیمیایی به‌صورت ^AX نوشته می‌شود.

تعداد نوترون‌ها	+	تعداد پروتون‌ها (عدد اتمی)	=	عدد جرمی
N	+	Z	=	A

شیمی‌دان‌ها برای هر اتم این اطلاعات را به‌طور خلاصه به‌صورت زیر می‌نویسند:

			A	←	عدد جرمی
نماد شیمیایی عنصر	→	X
			Z	←	عدد اتمی

دانشمندان به کمک دستگاهی به‌نام «طیف‌سنج جرمی»، جرم اتم‌ها را بادقت بسیار زیادی اندازه‌گیری می‌کنند. این اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که همه‌ی اتم‌های یک عنصر، جرم یکسانی ندارند. از آن‌جا که عدد اتمی و در واقع، تعداد پروتون‌ها در همه‌ی اتم‌های یک عنصر یکسان است، پس تفاوت جرم، به تعداد نوترون‌های موجود در هسته‌ی اتم مربوط است. ‌‌‌در نتیجه، اتم‌های آن عنصر می‌توانند دارای عدد جرمی (ایروتوپ‌های) متفاوت باشند.

عدد جرمی، معمولاً در کنار نماد عنصر نشان داده نمی‌شود؛ مگر این که بخواهند به تفاوت ایزوتوپ‌های آن عنصر اشاره کنند.

جرم اتمی

جرم اتمی یا جرم نسبی، جرم یک ذره اتمی، زیر اتمی یا مولکول است که واحد آن با نماد U در SI نشان داده می‌شود. این جرم، برابر است با جرم هر ایزوتوپ خاص از اتم یک عنصر، که بر حسب واحد اندازه‌گیری «یکای جرم اتمی» به اختصار amu یا نماد دالتون (Da) بیان می‌شود؛ و واحد سنجش جرم اتمی، برابر با یک‌دوازدهم جرم ایزوتوپ کربن-۱۲ است.

شیمی‌دان‌ها در سده‌های ۱۸ و ۱۹ میلادی موفق شدند به روش تجربی جرم اتم‌های بسیاری از عنصرهای شناخته شده تا آن زمان را به طور نسبی انداره‌گیری کنند. چنین آزمایش‌هایی نشان داد که برای مثال جرم یک اتم اکسیژن ۱٫۳۳ برابر جرم یک اتم کربن و جرم یک اتم کلسیم ۲٫۵ برابر جرم یک اتم اکسیژن است. استفاده از این نسبت‌ها در محاسبه‌های آزمایشگاهی کاری بسیار دشوار بود. از این رو، شیمی‌دان‌ها ناگزیر شدند جرم خاصی را به یک عنصر معین نسبت دهند و سپس به کمک نسبت‌های اندازه‌گیری شده، جرم عنصرهای دیگر را محاسبه کنند. سرانجام فراوان‌ترین ایزوتوپ کربن یعنی کربن-۱۲ برای این منظور انتخاب شد.

شیمی‌دان‌ها برای جرم یک اتم یا جرم اتمی، amu را که کوتاه شدۀ عبارت atomic mass unit به‌معنای واحد جرم اتمی است، به‌عنوان یکای جرم اتمی معرفی کردند. یک amu برابر یک دوازدهمِ جرم اتم کربن-۱۲ است.

به دلیل برابر نبودن جرم پروتون و نوترون، بیشتر بودن تعداد نوترون‌ها از پروتون‌ها و ناچیز بودن جرم الکترون‌ها و هم‌چنین به‌خاطر وجود انرژی بستگی هسته‌ای، جرم اتمی با عدد جرمی متفاوت است.

با آن‌که جرم اتمی برخی اتم‌ها برابر یا بسیار نزدیك به عدد جرمی آن‌ها است، اما جرم اتمی برخی دیگر از اتم‌ها، تفاوت چشم‌گیری با عدد جرمی دارند، زیرا این عنصرها مانند مس و كلر دارای چند ایزوتوپ طبیعی با اعداد جرمی متفاوت هستند كه جرم اتمی آن‌ها به‌صورت جرم اتمی میانگین بیان می‌شود؛ به‌همین دلیل، بین عدد جرمی و جرم اتمی آن‌ها اختلاف دیده می‌شود. بنابراین به اختصار می‌توان گفت كه: عدد جرمی، مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌هاست، در حالی‌كه جرم اتمی عبارت است از جرم یك اتم بر حسب واحد جرم اتمی (یکای جرم اتمی. در واقع، Amu، واحد اندازه‌گیری جرم اتم است که جرم سایر اتم‌ها نسبت به آن سنجیده می‌شود).

از آن‌جا که جرم پروتون‌ها و نوترون‌ها با هم برابر و حدوداً برابر با ۱amu است، می‌توان از روی عدد جرمی یک اتم، جرم آن را تخمین زد. برای مثال جرم یکی از ایزوتوپ‌های لیتیم که ٣ پروتون و ۴ نوترون دارد (٧٣Li) برابر ٧amu است.

با توجه به‌وجود ایزوتوپ‌ها و تفاوت در فراوانی آن‌ها، برای گزارش جرم نمونه‌های طبیعی از اتمِ عنصرهای مختلف، جرم اتمی میانگین به‌کار می‌رود.

ایزوتوپ

تمام‌ اتم‌های یک عنصر، عدد اتمی یکسان دارند، ولی برخی عناصر مرکب از چند نوع اتم هستند که از لحاظ عدد جرمی با یکدیگر متفاوت‌اند. اتم‌هایی که دارای عدد اتمی یکسان ولی عدد جرمی متفاوت باشند، ایزوتوپ نامیده می‌شوند.

از این‌رو، ایزوتوپ‌های یک عنصر، اتم‌هایی با تعداد پروتون‌های برابر و تعداد نوترون‌های متفاوت می‌باشند. برای مثال، عنصر کربن سه ایزوتوپ اصلی دارد. تمام اتم‌های کربن دارای شش پروتون در درون هسته خود هستند؛ ولی می‌توانند دارای شش، هفت و یا هشت نوترون باشند. بنابراین سه ایزوتوپ کربن به ترتیب دارای عدد جرمی ۱۲، ۱۳ و ۱۴ بوده و کربن-۱۲، کربن-۱۳ و کربن-۱۴ نام دارند.

به جز هیدروژن که ایزوتوپ‌های آن دارای جرم نسبی بسیار متفاوت با یکدیگر و در نتیجه اثرات شیمیایی متفاوت می‌باشند، ایزوتوپ‌های دیگر عناصر به‌راحتی از هم قابل شناسایی نیستند. به‌هر حال، هر ایزوتوپ طبیعی یک عنصر، بخش معینی از جرم اتمی آن را تشکیل می‌دهد.

تمام عناصر دارای تعدادی ایزوتوپ رادیواکتیو یا رادیوایزوتوپ می‌باشند. هر چند تمام این رادیوایزوتوپ‌ها طبیعی نیستند. رادیوایزوتوپ‌ها معمولاً با تابش پرتو آلفا یا پرتو بتا به عناصر دیگری تبدیل می‌شوند. ایزوتوپ‌های غیر رادیو اکتیو از هر عنصر، ایزوتوپ پایدار نام دارند. تمام ایزوتوپ‌های پایدار شناخته‌شده به‌صورت طبیعی یافت می‌شوند. بیشتر عناصری که در طبیعت یافت می‌شوند، بیش از یک ایزوتوپ پایدار دارند. بسیاری از رادیوایزوتوپ‌ها که در طبیعت یافت نمی‌شوند، پس از سنتز مصنوعی توصیف و معرفی می‌شوند. برخی عناصر نیز دارای هیچ ایزوتوپ پایداری نیستند.

برای تعیین نوع ایزوتوپ‌های یک عنصر، جرم دقیق ایزوتوپ‌ها، و مقدار نسبی هر ایزوتوپ از «طیف‌نگار جرمی» استفده می‌شود.

دگرشکل

توانایی یک عنصر برای وجود داشتن به اشکال مختلف آلوتروپی، (حالت‌های ساختاری متفاوت برای یک عنصر) نامیده می‌شود. اتم‌های عناصر خالص می‌توانند با یکدیگر بیش از یک نوع پیوند، ایجاد کرده و در نتیجه با چندین ساختار متفاوت مشاهده شوند. به این اشکال مختلف، آلوتروپ می‌گویند. آلوتروپ‌ها در خواص شیمیایی با یکدیگر متفاوت هستند. برای مثال، گاز اکسیژن، در طبیعت، یک ماده ساده دو اتمی این عنصر است که «دی‌اکسیژن» یا «اکسیژن مولکولی» (O₂) نامیده می‌شود. ازن شکل دیگری از عنصر اکسیژن است که در طبیعت با فرمول (O₃) یافت می‌شود. رابطه بین دی‌اکسیژن و ازن رابطه‌ای است که به آن دگرشکلی (آلوتروپی) می‌گویند. به سخن دیگر، دی‌اکسیژن و ازن، دگرشکل‌های عنصر اکسیژن هستند.

الماس و گرافیت نیز آلوتروپ‌های عنصر کربن هستند. با این تفصیل که کربن می‌تواند به‌شکل الماس با ساختار چهاروجهی در اطراف هر اتم کربن، به‌شکل گرافیت با ساختار لایه‌لایه و شش‌وجهی، به‌شکل گرافین که تشکیل‌شده از یک لایه گرافیت و بسیار مستحکم است و یا به‌شکل فولرن با ساختار کروی یافت شود. ریزلوله‌های کربن نیز یکی دیگر از آلوتروپ‌های کربن هستند که از لوله‌هایی با ساختار شش‌وجهی تشکیل شده‌اند (که حتی در خواص الکتریکی نیز می‌توانند با یکدیگر متفاوت باشند).

*

افزون بر این مفاهیم، از لحاظ ویژگی‌های عمومی، چندین اصطلاح معمولاً برای توصیف خواص فیزیکی و شیمیایی عناصر استفاده می‌شوند:

حالت ماده

یکی از معیارهای مهم برای متمایز کردن عناصر از یکدیگر، حالت ماده یا فاز ماده است. در دما و فشار استاندارد، فازهای متصور برای یک عنصر عبارتند از جامد، مایع و گاز. بیشتر عناصر در دمای مرسوم و فشار اتمسفر، جامد هستند. در حالی‌که برخی گاز بوده و تنها عناصر مایع در دمای صفر درجه سلسیوس (سی و دو درجه فارنهایت) برم و جیوه هستند. گالیم و سزیم نیز در این دما جامد هستند، اما به ترتیب در دماهای ۲۸،۴ سلسیوس و ۲۹،۸ سلسیوس تبدیل به مایع می‌شوند.

رسانایی الکتریکی

وجه تمایز دیگر بین عناصر (فلزات و غیر فلزات)، توانایی آن‌ها در رسانایی الکتریکی است. عناصری که توانایی هدایت جریان الکتریسیته را دارند، در گروه فلزات تقسیم‌بندی می‌شوند و عناصری که رسانایی الکتریکی آن‌ها بسیار پایین است، غیر فلزات را تشکیل می‌دهند. در این میان، گروه دیگری از عناصر به‌نام شبه فلز نیز وجود دارند که خواصی حد واسط بین فلزات و غیر فلزات را نشان داده و به‌صورت نیم‌رسانا عمل می‌کنند.

دمای جوش و دمای ذوب

دمای جوش و دمای ذوب را که معمولاً در مقیاس سلسیوس در فشار یک اتمسفر ذکر می‌شوند، می‌توان به‌عنوان معیاری برای تشخیص عناصر از یکدیگر مورد استفاده قرار داد. این دو معیار برای بسیاری از عناصر محاسبه شده‌اند، اما دمای ذوب و جوش برای بسیاری از عناصر مصنوعی و برخی عناصر پرتوزای بسیار کمیاب شناخته شده نیست. هلیم در صفر مطلق نیز مایع باقی می‌ماند؛ بنابراین برای این عنصر، نقطه‌ی ذوب تعریف نمی‌شود و تنها نقطه‌ی جوش برای آن معنی‌دار است.

چگالی

چگالی در دما و فشار استاندارد، برای توصیف و تشخیص عناصر از یکدیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. چگالی معمولاً با واحد «گرم بر سانتی‌مترمکغب» (g/cm³) بیان می‌شود. از آنجایی‌که تعداد زیادی از عناصر به شکل گاز یافت می‌شوند، چگالی آن‌ها نیز برای حالت گازی، مایع و یا شکل جامد آن‌ها به‌صورت جداگانه بیان می‌شود. برای عناصری که آلوتروپ‌های متفاوت و در نتیجه چگالی‌های متفاوت دارند، معمولاً چگالی یک آلوتروپ به‌عنوان نماینده چگالی‌های متفاوت آن عنصر عنوان می شود. هر چند در صورت نیاز به جزئیات بیشتر می‌توان چگالی هر آلوتروپ را به‌صورت جداگانه عنوان کرد. مثلاً چگالی سه آلوتروپ معروف کربن یعنی کربن آمورفی، گرافیت و الماس به ترتیب ۱،۸-۲،۱، ۲،۲۶۷ و ۳،۵۱۵ g/cm³ می‌باشد.

ساختار بلوری

عناصری که تاکنون به‌عنوان نمونه عناصر جامد مطالعه شده‌اند، هشت نوع حالت بلور را نشان می‌دهند: مکعبی، مکعبی مرکز-پر، مکعبی وجه-پر، شش‌وجهی، مونو کلینیک، اورتورومیک و چهاروجهی. برای برخی عناصر مصنوعی پس از اورانیوم، بلورهایی موجود است که از فرط کوچکی نمی‌توان برای آن‌ها ساختار بلوری تعیین نمود.

▲	جدول تناوبی

جدول تناوبی عنصرهای شیمیایی، نمایش جدولی عنصرهای شیمیایی بر پایهٔ عدد اتمی، آرایش الکترونی و ویژگی‌های شیمیایی آن‌ها است. در این جدول، عناصر به ترتیب عدد اتمی در سطرها و ستون‌هایی جای گرفته‌اند. به هر سطر، یک تناوب و به هر ستون، یک گروه می‌گویند.

جدول تناوبی عناصر

هیدروژن در جدول تناوبی
نافلز دواتمی	۱	گروه →
گاز		دوره ↓
هسته دیرینه	IA
نام عنصر	هیدروژن ۱ H ۱٫۰۰۷۹۴	۱
عدد اتمی
نماد شیمیایی
جرم نسبی اتم
ایزوتوپ‌های هیدروژن

هیدروژن به‌طور طبیعی دارای سه ایزوتوپ پایدار پروتیوم (۱H)، دوتریوم (۲H) و تریتیوم (۳H) است. ایزوتوپ‌های بسیار ناپایدار (۴H تا ۷H) نیز از هیدروژن شناسایی شده‌اند که همگی سنتزی بوده و در طبیعت یافت نمی‌شود.

لیتیم در جدول تناوبی
فلزات قلیایی	۱	گروه →
جامد		دوره ↓
هسته دیرینه	IA
نام عنصر	لیتیم ٣ Li ٦٫۹۴۱(۲)	۲
عدد اتمی
نماد شیمیایی
جرم نسبی اتم
ایزوتوپ‌های لیتیم	٦Li و ۷Li دو ایزوتوپ پایدار لیتیم و دارای بیشترین فراوانی (۹۲٫۵٪) است

سدیم در جدول تناوبی
فلزات قلیایی	۱	گروه →
جامد		دوره ↓
هسته دیرینه	IA
نام عنصر	سدیم ۱۱ Na ۲۲٫۹٨۹٧٧(۲)	٣
عدد اتمی
نماد شیمیایی
جرم نسبی اتم
ایزوتوپ‌های سدیم	٢٣Na ایزوتوپ پایدار است که ۱٢ نوترون دارد

اعتبار جدول تناوبی به پای دیمیتری مندلیف، شیمی‌دان روس، به‌سال ۱۸٦۹، نوشته شده است. هر چند پیش از او، کسانی سعی کرده بودند که این جدول را شکل دهند؛ ولی این، نخستین جدولی بود که به این گستردگی مرتب شده بود. مندلیف این جدول را تهیه کرد تا ویژگی‌های دوره‌ای آنچه که بعدها «عنصر» نام گرفت را بهتر نشان دهد. وی توانسته بود، حتا برخی ویژگی‌های عنصرهایی که هنوز کشف نشده بود را پیش‌بینی کند و جای آن‌ها را خالی گذاشته بود.

با گذشت زمان و به موازات شناسایی عنصرهای تازه، کم کم جای خالی عنصرها در جدول تناوبی پُر شد؛ چنان‌که در حال حاضر، همه‌ی عنصرهای شیمیایی از عدد اتمی ۱ (هیدروژن) تا ۱۱۸ (آن‌ان‌اکتیوم) شناسایی یا ساخته شده‌اند. دانشمندان هنوز هم به‌دنبال ساخت عنصرهای پس از آن‌ان‌اکتیوم هستند و البته این پرسش را پیش‌رو دارند که عنصرهای تازه‌تر چگونه جدول را اصلاح خواهند کرد. هم‌چنین ایزوتوپ‌های پرتوزای بسیاری هم در آزمایشگاه ساخته شده است. با این حال، این جدول بارها دستخوش تغییر و پالایش گردید و مدل‌های نظری نوین برای توضیح رفتار شیمیایی عناصر ارائه شد. امروزه استفاده از جدول تناوبی در محیط‌های آموزشی به امری روزمره تبدیل شده‌ است.

▲	نام‌گذاری و نمادها

نام‌گذاری مواد مختلف که امروزه به‌نام عنصر شناخته می‌شوند، پیش از ارائه نظریه اتمی آغاز شده بود. اگرچه بسیاری از فلزات، ترکیب‌ها و آلیاژهایی که در آن زمان از سوی شیمی‌دانان به‌عنوان عنصر شناخته نمی‌شدند، اما، با توجه به ویژگی‌های زبانی و فرهنگی خاص هر منطقه، دارای نام‌های محلی بودند. حتی پس از شناخته‌شدن مفهوم عنصر، نام‌های موجود برای عناصر شناخته‌شده قدیمی مانند جیوه، طلا، نقره، آهن و ... در بیشتر کشورهای دنیا حفظ شدند. به‌منظور برقراری ارتباط ساده‌تر در بین محافل آکادمیک و نیز به‌منظور تسهیل اهداف تجاری، نام عناصر قدیمی و همین‌طور عناصری که اخیراً کشف یا ساخته‌ شده‌اند، توسط آیوپاک (اتحادیه بین‌المللی شیمی کاربردی و شیمی محض) و بیشتر با نگاهی مثبت نسبت به‌زبان انگلیسی به‌عنوان یک زبان بین‌المللی انتخاب می‌شود.

در نیمه دوم قرن بیستم، آزمایشگاه‌های فیزیک قادر به ساخت هسته عناصر با نیم‌عمر بسیار کوتاه و در کمیتی‌هایی شدند که در هر بازه زمانی بتوان آن‌ها را ردیابی کرد. این عناصر هم توسط آیوپاک معمولاً با پیشنهاد کاشفان آن‌ها نام‌گذاری می‌شوند. البته در مورد برخی عناصر با عدد اتمی بزرگ‌تر از ۱۰۳ تا مدت‌ها بحث بر سر این بود که کدام گروه زودتر عناصر مذکور را سنتز کرده‌اند و بنابراین نام‌گذاری آن‌ها تا مدت‌ها به تعویق افتاد.

از این گذشته، عناصر شیمیایی طبق قرارداد با نمادهای شیمیایی نشان داده می‌شوند که از یک یا دو حرف ابتدای نام لاتین یا انگلیسی آن عنصر تشکیل شده است. هر چند عناصر بسیاری هستند که نام‌های متفاوتی در زبان‌های مختلف جهان دارند، اما نماد هر عنصر در همه زبان‌ها یکسان است.

افزون بر نمادهای شیمیایی عناصر، نمادهای عمومی دیگری نیز هستند که در شیمی به‌صورت تک حرفی و با مفاهیم مشخص استفاده می‌شوند. مثلاً X برای اشاره به عناصر گروه هفتم یعنی هالوژن‌ها، R برای اشاره به رادیکال‌ها یعنی مواد مرکب مانند زنجیره‌های هیدروکربنی، Q برای نشان دادن گرما در واکنش‌های شیمیایی، L برای اشاره به لیگاندها در شیمی معدنی و شیمی فلزی آلی و M به‌صورت عمومی برای نشان دادن فلزات به کار می‌روند. Ln نیز یک نماد دو حرفی است که برای اشاره به لانتانیدها استفاده می‌شود.

▲	فراوانی عنصرهای شیمیایی

فراوانی یک عنصر شیمیایی عبارت است از اندازه‌گیری این که یک عنصر نسبت به دیگر عنصرها چقدر متداول (یا کمیاب) است، یا چقدر از آن عنصر نسبت به دیگر عنصرها در یک محیط داده‌شده وجود دارد. فراوانی پیمانه‌های متفاوتی دارد، مانند کسر جرمی، کسر مولی (یا کسر مولکولی برای گازها) و یا کسر حجمی. برای گازهای مخلوط مانند جو یک سیاره، بیشتر از کسر حجمی استفاده می‌شود که برای گازهای ایده‌آل (مخلوط گازی با چگالی و فشار نسبتاً پایین) به مقدار کسر مولی-مولکولی نزدیک است.

برای مثال، فراوانی کسر جرمی اکسیژن در آب حدود ۸۹ درصد است اما فراوانی کسر مولی اکسیژن در آب تنها ۳۳ درصد است؛ چون یک اتم از سه اتم آب متعلق به اکسیژن است.

و یا، در گیتی و در جو سیاره‌های غول گازی مانند مشتری فراوانی نسبت جرمی هیدروژن و هلیم به ترتیب حدود ۷۴ درصد و ۲۳-۲۵ درصد است. اما کسر مولی این عنصرها به ترتیب نزدیک به ۹۲ درصد و ۸ درصد است؛ چون هیدروژن دو اتمی است، ولی هلیم این‌گونه نیست.

فراوانی عنصرها در جهان

عناصر شیمیایی که هسته‌ی همه آن‌ها از پروتون و نوترون ساخته شده است، تنها بخش کوچکی از اجزای تشکیل‌دهنده جهان می‌باشند. مشاهدات کیهانی نشان می‌دهند که عناصر شیمیایی، تنها ۴،٦ درصد انرژی موجود و جرم معادل آن در جهان را تشکیل می‌دهند. در حالی که بقیه جهان از ۹۵ درصد انرژی تاریک و ماده تاریک - به ترتیب با فراوانی ۷۲ درصد و ۲۳ درصد شکل یافته‌است.

نسبت‌های برآوردشده برای ماده تاریک و انرژی تاریک در جهان کنونی. به لحاط فراوانی، اتم‌ها که عناصر شیمیایی را تشکیل می‌دهند، تنها کسری از جرم و انرژی در جهان هستند

بخش بزرگی از ماده موجود در جهان، به‌صورت یون یا پلاسما درون ستاره‌ها و ابرهای بین ستاره‌ای قرار دارد. هیدروژن فراوان‌ترین عنصر در جهان شناخته‌شده است و پس از آن هلیم در رتبه دوم قرار دارد. البته برای سایر عنصرها، ترتیب فراوانی مشابه با عدد اتمی نیست. مثلاً اکسیژن با عدد اتمی ۸، سومین رتبه را در فراوانی دارد. می‌توان فراوانی عناصر سبک را با تقریب خوبی براساس مدل استاندارد کیهان‌شناسی پیش‌بینی کرد؛ زیرا بیشتر این عنصرها در فاصله کوتاهی پس از مه‌بانگ ساخته شده‌اند. در حالی‌که عنصرهای سنگین‌تر، مدت‌ها بعد درون ستاره‌ها به‌وجود آمده‌اند.

نسبت‌های برآوردشده برای ماده و انرژی، به لحاط فراوانی، در آغاز جهان

برآورد می‌شود که هیدروژن و هلیم به ترتیب حدود ۷۴ درصد و ۲۴ درصد ماده‌ی مرئی جهان را شکل داده‌اند. البته عنصرهای سنگین‌تر با وجود این‌که ۲ درصد باقی‌مانده را تشکیل می‌دهند، تأثیر زیادی بر فعالیت‌های کیهانی دارند. چنان‌که گفته شد، این عنصرهای عموماً در فرآیندهای ستاره‌ای ساخته می‌شوند.

ده عنصر فراوان در کهکشان راه شیری بر اساس تخمین‌های طیف‌سنجی

نام عنصر	عدد اتمی	فراوانی (قسمت در میلیون)
هیدروژن	۱	۷۳۹۰۰۰
هلیم	۲	۲۴۰۰۰۰
اکسیژن	۸	۱۰۴۰۰
کربن	٦	۴٦۰۰
نئون	۱۰	۱۳۴۰
آهن	۲٦	۱۰۹۰
نیتروژن	۷	۹٦۰
سیلیسیم	۱۴	٦۵۰
منیزیم	۱۲	۵۸۰
گوگرد	۱٦	۴۴۰

بنابراین، هیدروژن و هلیم که بیشترین فراوانی را دارند، محصول مه‌بانگ هستند. سه عنصر بعدی - لیتیم، بریلیم و بور - فراوانی بسیار کمی دارند؛ زیرا زمان کمی برای تشکیل در مه‌بانگ داشتند و در ستاره‌ها نیز ساخته نمی‌شوند. (البته مقدارهای اندکی از این عنصرها از واپاشی عناصر سنگین‌تر بر اثر تابش‌های کیهانی تشکیل می‌شوند.)

فرایند آلفا سه‌گانه باعث گذر از این سه عنصر و تشکیل اتم کربن می‌شود. عنصرهای بعدی (عنصرهای سنگین‌تر از کربن) نیز از هم‌جوشی ذرات آلفا (دارای دو پروتون) در ستاره‌ها ساخته می‌شوند. به همین دلیل، فراوانی عنصرهای با عدد اتمی زوج بسیار بیشتر از عنصرهای فرد است.

آهن، با عدد اتمی ۲۶ فراوانی قابل توجهی دارد. دلیل این فراوانی، آن است که آهن پایدارترین عنصری است که به‌راحتی توسط ذرات آلفا ساخته می‌شود. عنصرهای سنگین‌تر از آهن در فرایندهای انرژی‌گیر در ستاره‌ها ساخته می‌شوند و عموماً فراوانی آن‌ها در جهان با افزایش عدد اتمی، کاهش می‌یابد.

فراوانی عناصر شیمیایی برحسب عدد اتمی در منظومه شمسی

فراوانی عنصرها در زمین

در آغاز، فراوانی عناصر در زمین، مشابه فراوانی آن‌ها در خورشید بود. ولی در طول زمان، این فراوانی دچار تغییر شد. در حال حاضر، بیش از ۹۸ درصد جرم زمین از هشت عنصر شکل گرفته‌ است و سایر عناصر، تنها ۱٫۲ درصد از جرم آن را تشکیل می‌دهند. با این حال، فراوان‌ترین عنصر در کره زمین و اتمسفر آن، اکسیژن با درصد جرمی ۴۹،۲ درصد است. اما فراوان‌ترین عنصر در لایه‌های مختلف کره زمین (هسته، پوسته و گوشته) آهن با درصد جرمی ۴،۷ درصد می‌باشد.

فراوانی عناصر در پوسته زمین برحسب عدد اتمی

فراوانی عنصرها در بدن انسان

حدود ٦۵ تا ۹۰ درصد جرم سلول‌های بدن انسان را آب تشکیل می‌دهد و بخش بزرگی از مقدار باقیمانده نیز شامل مولکول‌های آلی کربن‌دار است. بنابراین، اکسیژن نسبت قابل توجهی از جرم بدن انسان را به‌خود اختصاص می‌دهد و پس از آن نیز کربن قرار می‌گیرد. تقریباً ۹۹ درصد جرم بدن انسان از شش عنصر شکل یافته‌است: اکسیژن (۶۵٪)، کربن (۱۸٪)، هیدروژن (۱۰٪)، نیتروژن (۳٪)، کلسیم (۱٫۵٪) و فسفر (۱٫۲٪). ۰٫۷۵ درصد نیز شامل پنج عنصر است: پتاسیم (۰٫۲٪)، گوگرد (۰٫۲٪)، کلر (۰٫۱٪)، سدیم (۰٫۱٪) و منیزیم (۰٫۰۵٪). با این حال، تنها هفده عنصر، برای زندگی انسان، مورد نیاز هستند. چند عنصر دیگر نیز در حد ناچیز در سلامتی پستانداران نقش دارند. اما دو عنصر آلومینیوم و سیلیسیم با وجود فراوانی در زمین، در بدن انسان تقریباً بی‌تأثیر هستند.

[▲] يادداشت‌ها

[▲] پيوست‌ها

...

[▲] پی‌نوشت‌ها

يونانيان باستان براين باور بودند كه جهان، تنها از تركيب چهار عنصر ساخته شده است. آن‌ها، آب، هوا، خاك و آتش را عنصرهاى سازنده‌ى جهان مى‌دانستند. نور خورشيد را مخلوطى از هوا و آتش تصور مى‌كردند و يخ را همان آب مى‌پنداشتند كه سختى سنگ را به‌دست آورده است. اگر چه، اين ديدگاه بسيار عاميانه به‌نظر مى‌رسد، اما آشنايی با آن اثرهايی ژرف بر درك امروزى بشر از جهان دارد. يكى از اين اثرها، جلب توجه همگان به حالت‌هاى مختلف ماده است. در واقع، خاك نماينده‌ى حالت جامد، آب نمادى از حالت مايع و هوا يادآور حالت گازى است. به اين ترتيب، سه عنصر نخست، سه حالت مختلف ماده را يادآور مى‌شوند. اثر ديگر، معرفی آتش است. آتش، نماينده‌ى مفهوم انرژى است و يادآور تغييراتى است كه انرژى در ماده و حالت‌هاى آن به‌وجود مى‌آورد. به اين ترتيب، مفهوم ماده و انرژى را به آسانی می‌توان از ديدگاه پيشينيان، برداشت كرد.

به‌هر حال، تالِس، فیلسوف یونانی، که در نیمهٔ دوم سده‌ی ششم پیش از میلاد می‌زیست و از او به‌عنوان آغازگر فلسفه و نخستین چهره‌ی علمی یاد می‌شود، آب را نخستین عنصر جهان می‌دانست. به نظر او، خاستگاه همه چیز آب است. دویست سال پس از او، ارسطو سه عنصر هوا، خاک و آتش را به عنصر پیشنهادی تالس افزود و این چهار عنصر را عنصرهای سازندۀ کاینات اعلام کرد. این دیدگاه تا دو هزار سال بعد نیز مورد پذیرش بود تا این‌که در سال ۱٦٦۱ میلادی، رابرت بویل، دانشمند انگلیسی، با انتشار کتابی با عنوان شیمی‌دان شکّاک، مفهوم تازه‌ای از عنصر را معرفی کرد. وی در این کتاب ضمن معرفی عنصر به‌عنوان ماده‌ای که نمی‌توان آن را به مواد ساده‌تری تبدیل کرد، شیمی را علمی تجربی نامید و از دانشمندان خواست که افزون بر مشاهده کردن، اندیشیدن و نتیجه‌گیری‌کردن که هر سه ابزار یونانیان در مطالعۀ طبیعت بود، به پژوهش‌های عملی نیز اقدام کنند. توصیه‌ی او مورد توجه قرار گرفت و در سال ۱٨٠٣، جان دالتون، شیمی‌دان انگلیسی، با نظریه‌ی اتمی خود گام مهمی برای مطالعه‌ی ماده و ساختار آن برداشت.

ملاردی، محمدرضا، «یک بررسی تحقیقی در زمینه‌ی کشف عنصرها»، مجله رشد آموزش شیمی، شماره ۴۱؛ پاییز ۱٣٧۴، صص ۱۴-۱۹
نظریه مِه‌بانگ (انفجار بزرگ)، بیان می‌کند که گیتی از یک وضعیت بسیار چگال (متراکم) نخستین آغاز شده و در گذر زمان انبساط یافته‌ است. این نظریه طیف گسترده‌ای از پدیده‌های مشاهده‌شده را به‌خوبی توضیح می‌دهد. از جمله این پدیده‌ها می‌توان به فراوانی عناصر سبک اولیه اشاره کرد (این نظریه تنها توضیح ممکن برای فراوانی عناصر سبک است). اگر در زمان به عقب برگردیم، به نقطه‌ای در گذشته می‌رسیم که نقطه تکینگی نام دارد و در آن قوانین فیزیکی شناخته‌شده کارایی خود را از دست می‌دهند. این نقطه، لحظه‌ی پیدایش جهان است که بر اساس اندازه‌گیری‌‌های جدید، تخمین زده می‌شود که تقریباً ۱۳،۸ میلیارد سال پیش رخ داده‌ است. پس از انبساط اولیه، جهان به اندازه کافی سرد شد که امکان پیدایش ذرات زیراتمی و بعدها اتم‌های ساده، پدید آمد. به‌هم پیوستن ابرهای غول‌پیکر از عناصر اولیه بر اثر نیروی گرانش، باعث پیدایش ستارگان و کهکشان‌ها شد.

پس از انفجار بزرگ، در کسرس از ثانیه ذرّات بنیادین (کوارک - لپتون - میون - فوتون - نوترینو - پوزیترون ...) و سپس، ذرّات اصلی (پروتون - نوترون و الکترون) پدید آمدند و دقیقه سوم، هیدروژن نخستین عنصری بود که به هستی پا نهاد. پس از چندی، کاهش دما به ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، سبب توانایی الکترون‌ها برای ماندن در مدار هسته گردید و دومین عنصر (هلیم) شکل گرفت و سپس، سومین عنصر (لیتیوم) و بقیه عناصر سبک تشکیل شدند. بعد از یک میلیارد سال، ابرهایی غول‌پیکر که ماده‌ی سازنده‌ی آن هیدروژن و هلیم و لیتیوم و هم‌چنین ذرّات بنیادی اندکی است که هنوز جذب اتم‌ها نشده‌اند، ایجاد شد و چند میلیارد سال طول کشید تا این ابرهای غول‌آسای هیدروژن و هلیم، خوشه‌های کهکشانی را به‌وجود آوردند و سبب پیدایش نسل اوّلیّه‌ی ستارگان شدند.

در سال ۲۰۱۱ میلادی، فضانوردان از طریق بررسی خطوط جذبی طیف اختروش‌های دوردست، چیزی را کشف کردند که به گمان آن‌ها ابرهای دست‌نخورده‌ای از گازهای نخستین بود. پیش از این تمام اجسام نجومی شناخته‌شده حاوی عناصر سنگین‌تری بودند که در ستارگان به‌وجود آمده‌اند. این دو ابر گازی هیچ عنصری سنگین‌تر از هیدروژن و دوتریم نداشتند. از آن‌جا که ابرهای گازی شامل عنصر سنگینی نیستند، احتمالاً می‌بایست در نخستین دقایق پس از مه‌بانگ و در حین هسته‌زایی مه‌بانگ شکل‌گرفته باشند. ترکیب آن‌ها با ترکیب پیش‌بینی‌شده توسط نظریه هسته‌زایی مه‌بانگ همخوانی دارد و این شاهدی مستقیم برای این موضوع ارائه می‌دهد که در دوره‌ای از عمر گیتی، بیشتر ماده معمولی موجود، به‌شکل ابرهای گازی متشکل از هیدروژن خنثی بوده‌ است.

به‌هر حال، ستاره‌ها، از گردهمایی و فشرده شدن تدریجی اتم‌های هیدروژن متولد شدند. ستارگانی که هر روز گرم‌تر می‌شدند و در دمای بسیار بالای آن‌ها، ابتدا شرایط برای تشکیل اتم‌های هلیم و سپس برای تولید عنصرهای سبک بعدی مهیا می‌شد. در این مسیر، گاه ستاره‌ای بسیار چگال‌تر و بسیار گرم‌تر می‌شد و کانی برای تشکیل عنصرهای سنگین فراهم می‌آورد. این ستارگان جرمی بسیار بیشتر از خورشید داشتند و پس از چند میلیون سال نورافشانی و گرما بخشی، پایداری خود را از دست داده با انفجاری مهیب متلاشی می‌شدند. به این ترتیب اتم‌های سنگینِ تولیدشده بر اثر این انفجار در سرتاسر گیتی پراکنده شدند. این عنصرهای سنگین مادۀ اولیۀ مورد نیاز برای تولد دومین نسل از ستارگانی را فراهم آوردند که تصور می‌شود سامانۀ خورشیدی حدود ۴،۵ میلیارد سال پیش از ستاره‌ای متعلق به همین نسل به‌وجود آمده باشد. ستارۀ غول‌آسایی که پس از فروپاشی، عمده‌ی ویژگی‌های خود را در ستاره‌ی کوچک و جوانی چون خورشید به امانت گذاشت و زمین که قطعۀ بسیار کوچکی از آن بود، تنها حدود ۹۴ عنصر سبک و سنگین ساخته شده در آن ستاره را به ارث برد. ضمن آن‌که در هسته‌ی به‌شدت داغ خود نیز اندکی از گرمای آن ستاره‌ی مادر را به یادگار نگاه داشته است.

به‌طور مثال، برای تولید انرژی، خورشید ٧٠٠ میلیون تن هیدروژن را در هر ثانیه به ٦۹۵ میلیون تن هلیوم تبدیل می‌کند.

یکای جرم اتمی یا واحد جرم اتمی (Atomic mass unit)، معمولاً به‌طور مختصر به‌شکل Amu یا U دالتون (نماد Da)، یک واحد اندازه‌گیری برای جِرم در مقیاس‌های اتمی یا مولکولی است که به‌صورت یک‌دوازدهم جِرم اتم کربن-۱۲ در حالت عادی شناخته می‌شود.

[▲] جُستارهای وابسته

□
□
□

[▲] سرچشمه‌ها

□
□
□
□

[▲] پيوند به بیرون

□ [۱ ٢ ٣ ۴ ۵ ٦ ٧ ٨ ٩ ۱٠ ۱۱ ۱٢ ۱٣ ۱۴ ۱۵ ۱٦ ۱٧ ۱٨ ۱۹ ٢٠]

رده‌ها: │ شیمی │ ماده