一、元素概念的含义

化学元素(简称元素)是具有相同核电荷数(核内质子数)的一类原子的总称,是构成世间所有物质的最基本组成要素。这一现代定义精准揭示了元素的本质——元素的种类由原子核内的质子数唯一决定,与中子数、核外电子数的差异无关,即使同种元素的原子质量不同(中子数不同),仍归为同一类元素。

元素概念历经漫长演变:古代有中国“五行说”、古希腊“四元素说”等朴素观念;1661年玻意耳摆脱传统束缚,提出元素是无法用化学方法分解的简单物质;1789年拉瓦锡编制首张化学元素表,明确元素分类准则;19世纪原子论、分子论建立后,元素被定义为“同种类的原子”;直至电子和原子核结构被揭示,才形成如今以质子数为核心的科学定义。

二、元素概念的要点

(一)本质特征:质子数决定元素种类

质子数(核电荷数)是元素的“身份标识”,只要原子核内质子数相同,无论原子处于何种状态(单质或化合物)、中子数是否不同,都属于同一种元素。例如,质子数为6的原子,无论存在于金刚石(单质)还是二氧化碳(化合物)中,均为碳元素;氢元素的三种同位素(氕、氘、氚),中子数分别为0、1、2,但质子数均为1,仍归为氢元素。同时,元素的化学性质主要由核外电子数(取决于质子数)决定,尤其是最外层电子数。

(二)宏观与微观的关联:元素与原子的区别

元素是宏观概念,仅描述物质的组成类别,只讲种类、不讲个数,例如“水由氢元素和氧元素组成”,不能说“2个氢元素”;原子是微观粒子,既讲种类也讲个数,是构成元素的基本单元。二者的联系的是:同种元素由质子数相同的一类原子构成,原子的组合与结合形成了不同物质,进而体现元素的存在价值。

(三)存在形态:游离态与化合态

自然界中元素主要以两种形态存在:游离态(单质形式)和化合态(化合物形式)。多数元素因化学性质较活泼,以化合态存在,如氧元素多存在于水、氧化物中;少数性质稳定的元素可长期以游离态存在,如气体单质氧气、氮气,金属单质金、银等。元素的存在形态由其化学性质决定,且可通过化学反应相互转化。

(四)分类方式:按性质与周期表位置划分1. 按化学性质划分:分为金属元素、非金属元素和稀有气体元素。金属元素(如铁、铝、汞)多具有金属光泽、良好的导电导热性,易失电子形成阳离子;非金属元素(如氧、碳、氯)形态多样,多为气体或固体,易获得电子或形成共价键;稀有气体(如氦、氖、氩)为单原子分子,价电子层全满,化学性质极不活泼。2. 按周期表位置划分:分为主族元素、过渡元素和内过渡元素。主族元素位于s区和p区,化学性质典型;过渡元素位于d区,多有可变价态,常作催化剂;内过渡元素位于f区(镧系、锕系),多为放射性元素。(五)元素符号与命名规范元素符号由拉丁字母表示,书写遵循“一大二小”原则(首字母大写,次字母小写,如Fe、Cu),兼具表示一种元素和该元素一个原子的意义(如H既指氢元素,也指一个氢原子)。元素的认定与命名由国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)负责,命名多源于元素特性、产地或科学家姓名,如碘(因单质呈紫黑色得名)、锗(纪念德国)、锔(纪念居里夫人)。(六)与元素周期表的关联1869年门捷列夫在前人研究基础上,按相对原子质量排序编制元素周期表,后修正为按原子序数(质子数)排列,元素性质随原子序数递增呈现周期性变化,这一规律源于核外电子排布的周期性。周期表纵轴为族(同族元素价电子数相同,性质相似),横轴为周期(周期数等于核外电子层数)。目前周期表收录118种元素,其中94种为自然存在,24种为人工合成,第七周期已被填满,科学家仍在探寻119号及以上元素。元素的核心是“质子数相同的一类原子的总称”,质子数决定元素种类和化学性质,其存在形态、分类均与性质紧密相关,元素周期表则系统呈现了元素的周期性规律。理解元素概念,是掌握物质组成、结构及化学变化规律的基础。