Substancja chemiczna - Chemical substance

Para i woda w stanie ciekłym to dwie różne formy tej samej (czystej) substancji chemicznej: wody.

Substancja chemiczna to forma materii o stałym składzie chemicznym i charakterystycznych właściwościach. W niektórych źródłach dodaje się, że substancji chemicznej nie można rozdzielić na elementy składowe metodami fizycznej separacji, tj. bez zerwania wiązań chemicznych . Substancjami chemicznymi mogą być proste substancje, związki chemiczne lub stopy . Pierwiastki chemiczne mogą, ale nie muszą być zawarte w definicji, w zależności od punktu widzenia eksperta.

Substancje chemiczne są często nazywane „czystymi”, aby odróżnić je od mieszanin . Typowym przykładem substancji chemicznej jest czysta woda ; ma takie same właściwości i ten sam stosunek z wodoru do tlenu , czy jest wydzielany z rzek lub wykonane w laboratorium . Inne substancje chemiczne powszechnie spotykane w czystej postaci to diament (węgiel), złoto , sól kuchenna ( chlorek sodu ) i cukier rafinowany ( sacharoza ). Jednak w praktyce żadna substancja nie jest całkowicie czysta, a czystość chemiczną określa się zgodnie z zamierzonym zastosowaniem substancji chemicznej.

Substancje chemiczne istnieją w postaci ciał stałych , cieczy , gazów lub plazmy i mogą zmieniać się pomiędzy tymi fazami materii wraz ze zmianami temperatury lub ciśnienia i czasu . Substancje chemiczne mogą być łączone lub przekształcane w inne za pomocą reakcji chemicznych .

Definicja

Kolory pojedynczej substancji chemicznej ( czerwień Nilu ) w różnych rozpuszczalnikach, w świetle widzialnym i UV, pokazujące, jak substancja chemiczna dynamicznie oddziałuje z otoczeniem rozpuszczalnika.

Substancję chemiczną można z powodzeniem zdefiniować jako „dowolny materiał o określonym składzie chemicznym” we wstępnym podręczniku chemii ogólnej. Zgodnie z tą definicją substancja chemiczna może być czystym pierwiastkiem chemicznym lub czystym związkiem chemicznym. Ale są wyjątki od tej definicji; czystą substancję można również zdefiniować jako formę materii, która ma zarówno określony skład, jak i odmienne właściwości. Indeks substancji chemicznych opublikowany przez CAS obejmuje również kilka stopów o niepewnym składzie. Związki niestechiometryczne są szczególnym przypadkiem (w chemii nieorganicznej ), który łamie prawo stałego składu i dla nich czasami trudno jest postawić granicę między mieszaniną a związkiem, jak w przypadku wodorku palladu . Można znaleźć szersze definicje chemikaliów lub substancji chemicznych, na przykład: „termin „substancja chemiczna” oznacza dowolną substancję organiczną lub nieorganiczną o określonej tożsamości molekularnej, w tym: (i) dowolną kombinację takich substancji występujących w całości lub w części jako w wyniku reakcji chemicznej lub występującej w przyrodzie”.

W geologii substancje o jednorodnym składzie nazywa się minerałami , natomiast fizyczne mieszaniny ( kruszywa ) kilku minerałów (różnych substancji) określa się mianem skał . Jednak wiele minerałów rozpuszcza się wzajemnie w roztwory stałe , tak że pojedyncza skała jest jednorodną substancją, mimo że jest mieszaniną pod względem stechiometrycznym. Skalenie są częstym przykładem: anorthoclase stanowi glinokrzemian metalu alkalicznego, w którym metalem alkalicznym jest wymiennie albo sól sodową lub potasową.

Zgodnie z prawem „substancje chemiczne” mogą obejmować zarówno substancje czyste, jak i mieszaniny o określonym składzie lub procesie produkcyjnym. Na przykład rozporządzenie UE REACH definiuje „substancje jednoskładnikowe”, „substancje wieloskładnikowe” i „substancje o nieznanym lub zmiennym składzie”. Te dwa ostatnie składają się z wielu substancji chemicznych; jednak ich tożsamość można ustalić poprzez bezpośrednią analizę chemiczną lub odniesienie do pojedynczego procesu produkcyjnego. Na przykład węgiel drzewny jest niezwykle złożoną, częściowo polimeryczną mieszaniną, którą można określić na podstawie procesu produkcyjnego. Dlatego też, chociaż dokładna tożsamość chemiczna nie jest znana, identyfikację można przeprowadzić z wystarczającą dokładnością. Indeks CAS obejmuje również mieszaniny.

Polimery prawie zawsze pojawiają się jako mieszaniny cząsteczek o wielu masach molowych, z których każdą można by uznać za odrębną substancję chemiczną. Jednak polimer może być określony przez znany prekursor lub reakcję (reakcje) i rozkład masy molowej . Na przykład, polietylen jest mieszaniną bardzo długich łańcuchów -CH 2 - powtarzających się jednostek i jest zwykle sprzedawany w różnych rozkładów masy molowej, LDPE , MDPE , HDPE i UHMWPE .

Historia

Pojęcie o „substancji chemicznej” stało się ugruntowaną koniec XVIII po pracy przez aptekarza Joseph Prousta w skład niektórych czystych związków chemicznych, takich jak zasadowy węglan miedzi . Wydedukował, że „Wszystkie próbki związku mają ten sam skład; to znaczy, że wszystkie próbki mają takie same proporcje masowe pierwiastków obecnych w związku”. Jest to obecnie znane jako prawo stałego składu . Później wraz z rozwojem metod syntezy chemicznej, szczególnie w dziedzinie chemii organicznej ; odkrycie znacznie większej liczby pierwiastków chemicznych i nowych technik w dziedzinie chemii analitycznej stosowanych do izolacji i oczyszczania pierwiastków i związków z substancji chemicznych, które doprowadziły do ​​powstania nowoczesnej chemii , pojęcie to zostało zdefiniowane tak, jak można znaleźć w większości podręczników chemii. Jednak istnieją pewne kontrowersje dotyczące tej definicji, głównie z powodu konieczności indeksowania dużej liczby substancji chemicznych zgłaszanych w literaturze chemicznej.

Izomeria wywołała wiele konsternacji u wczesnych badaczy, ponieważ izomery mają dokładnie taki sam skład, ale różnią się konfiguracją (układem) atomów. Na przykład, było wiele spekulacji na temat chemicznej tożsamości benzenu , dopóki poprawna struktura nie została opisana przez Friedricha Augusta Kekulé . Podobnie idea stereoizomerii – że atomy mają sztywną trójwymiarową strukturę i mogą w ten sposób tworzyć izomery, które różnią się tylko swoim trójwymiarowym układem – była kolejnym kluczowym krokiem w zrozumieniu koncepcji różnych substancji chemicznych. Na przykład kwas winowy ma trzy różne izomery, para diastereoizomerów z jednym diastereomerem tworzy dwa enancjomery .

Pierwiastki chemiczne

Natywne kryształy siarki. Siarka występuje naturalnie jako siarka elementarna, w minerałach siarczkowych i siarczanowych oraz w siarkowodorze .

Elementem jest związek chemiczny składający się z danego rodzaju atomów, a zatem nie mogą być podzielone lub przekształcone w wyniku reakcji chemicznej w różnych elementów, chociaż może być przekształcona w inną przez elementu reakcji jądrowej . Dzieje się tak, ponieważ wszystkie atomy w próbce pierwiastka mają tę samą liczbę protonów , chociaż mogą to być różne izotopy , z różną liczbą neutronów .

Od 2019 roku znanych jest 118 pierwiastków, z których około 80 jest stabilnych – to znaczy nie zmieniają się w wyniku rozpadu promieniotwórczego na inne pierwiastki. Niektóre pierwiastki mogą występować jako więcej niż jedna substancja chemiczna ( alotropy ). Na przykład tlen występuje zarówno jako tlen dwuatomowy (O 2 ) jak i ozon (O 3 ). Większość pierwiastków zaliczana jest do metali . Są to pierwiastki o charakterystycznym połysku, takie jak żelazo , miedź , złoto . Metale zazwyczaj dobrze przewodzą prąd i ciepło, są plastyczne i ciągliwe . Około tuzina pierwiastków, takich jak węgiel , azot i tlen , jest klasyfikowanych jako niemetale . Niemetalom brakuje opisanych powyżej właściwości metalicznych, mają również wysoką elektroujemność i skłonność do tworzenia jonów ujemnych . Niektóre pierwiastki, takie jak krzem, czasami przypominają metale, a czasami niemetale i są znane jako metaloidy .

Związki chemiczne

Żelazicyjanek potasu jest związkiem potasu, żelaza, węgla i azotu; chociaż zawiera aniony cyjankowe, nie uwalnia ich i jest nietoksyczny.

Związek chemiczny to substancja chemiczna składająca się z określonego zestawu atomów lub jonów . Dwa lub więcej pierwiastków połączone w jedną substancję w wyniku reakcji chemicznej tworzą związek chemiczny . Wszystkie związki są substancjami, ale nie wszystkie substancje są związkami.

Związkiem chemicznym mogą być atomy połączone w cząsteczki lub kryształy, w których atomy, cząsteczki lub jony tworzą sieć krystaliczną . Związki oparte głównie na atomach węgla i wodoru nazywane są związkami organicznymi , a wszystkie inne nazywane są związkami nieorganicznymi . Związki zawierające wiązania między węglem a metalem nazywane są związkami metaloorganicznymi .

Związki, w których składniki mają wspólne elektrony, są znane jako związki kowalencyjne . Związki składające się z przeciwnie naładowanych jonów są znane jako związki jonowe lub sole .

W chemii organicznej może występować więcej niż jeden związek chemiczny o tym samym składzie i masie cząsteczkowej. Na ogół są to tak zwane izomery . Izomery mają zwykle zasadniczo różne właściwości chemiczne i często można je izolować bez spontanicznego wzajemnego przekształcania. Typowym przykładem jest glukoza kontra fruktoza . Pierwszy to aldehyd , drugi to keton . Ich wzajemne przekształcenie wymaga katalizy enzymatycznej lub kwasowo-zasadowej .

Wyjątkiem są jednak tautomery : izomeryzacja zachodzi spontanicznie w zwykłych warunkach, tak że czysta substancja nie może zostać wyizolowana na jej tautomery, nawet jeśli można je zidentyfikować spektroskopowo lub nawet wyizolować w specjalnych warunkach. Typowym przykładem jest glukoza , która ma formy otwartego łańcucha i pierścienia. Nie można wytworzyć czystej glukozy o otwartym łańcuchu, ponieważ glukoza spontanicznie cyklizuje się do postaci półacetalu .

Substancje a mieszaniny

Szkło żurawinowe, choć wydaje się jednorodne, jest mieszaniną szkła i koloidalnych cząstek złota o  średnicy około 40 nm, nadających mu czerwony kolor.

Cała materia składa się z różnych pierwiastków i związków chemicznych, ale często są one ze sobą ściśle wymieszane. Mieszaniny zawierają więcej niż jedną substancję chemiczną i nie mają stałego składu. W zasadzie można je rozdzielić na substancje składowe za pomocą procesów czysto mechanicznych . Masło , ziemia i drewno to typowe przykłady mieszanek.

Żelazo szare i żółta siarka są pierwiastkami chemicznymi i można je mieszać ze sobą w dowolnym stosunku, tworząc żółto-szarą mieszaninę. Nie zachodzi żaden proces chemiczny, a materiał można zidentyfikować jako mieszaninę na podstawie faktu, że siarkę i żelazo można oddzielić za pomocą procesu mechanicznego, takiego jak użycie magnesu do odciągnięcia żelaza od siarki.

W przeciwieństwie do tego, jeśli żelazo i siarka są ogrzewane razem w określonym stosunku (1 atom żelaza na każdy atom siarki lub wagowo 56 gramów (1 mol ) żelaza do 32 gramów (1 mol) siarki), substancja chemiczna zachodzi reakcja i powstaje nowa substancja, związek siarczek żelaza(II) o wzorze chemicznym FeS. Powstały związek ma wszystkie właściwości substancji chemicznej i nie jest mieszaniną. Siarczek żelaza(II) ma swoje własne odrębne właściwości, takie jak temperatura topnienia i rozpuszczalność , a tych dwóch pierwiastków nie można rozdzielić za pomocą normalnych procesów mechanicznych; magnes nie będzie w stanie odzyskać żelaza, ponieważ w związku nie ma metalicznego żelaza.

Chemikalia a substancje chemiczne

Chemikalia w cylindrach miarowych i zlewkach.

Chociaż określenie substancja chemiczna jest precyzyjne określenie techniczne, które jest synonimem chemiczne dla chemików słowo chemiczne stosuje się w powszechnym użyciu w angielskojęzycznej świat odnosi się zarówno do (czysty) substancji chemicznych i ich mieszaniny (często nazywane związki ), a zwłaszcza gdy są produkowane lub oczyszczane w laboratorium lub w procesie przemysłowym. Innymi słowy, substancje chemiczne, z których naturalnie składają się na przykład owoce i warzywa, nawet gdy rosną dziko, nie są powszechnie nazywane „chemikaliami”. W krajach, które wymagają wykazu składników w produktach, wymienione „chemikalia” są „substancjami chemicznymi” produkowanymi przemysłowo. Słowo „chemikalia” jest również często używane w odniesieniu do narkotyków uzależniających, odurzających lub zmieniających umysł.

W przemyśle chemicznym produkowane „chemikalia” to substancje chemiczne, które ze względu na wielkość produkcji można podzielić na chemikalia luzem, chemikalia wysokowartościowe i chemikalia występujące wyłącznie w badaniach:

  • Chemia luzem jest produkowana w bardzo dużych ilościach, zwykle w wysoce zoptymalizowanych procesach ciągłych i po stosunkowo niskiej cenie.
  • Chemikalia wysokowartościowe są produkowane po wysokich kosztach w niewielkich ilościach do specjalnych zastosowań w małych ilościach, takich jak biocydy, farmaceutyki i specjalistyczne chemikalia do zastosowań technicznych.
  • Chemikalia badawcze są produkowane indywidualnie do celów badawczych, na przykład podczas poszukiwania szlaków syntezy lub badań przesiewowych substancji pod kątem aktywności farmaceutycznej. W efekcie ich cena za gram jest bardzo wysoka, chociaż nie są sprzedawane.

Przyczyną różnicy w wielkości produkcji jest złożoność struktury molekularnej substancji chemicznej. Chemikalia luzem są zwykle znacznie mniej złożone. Chociaż wysokowartościowe chemikalia mogą być bardziej złożone, wiele z nich jest na tyle prostych, że można je sprzedawać jako „cegiełki” w syntezie bardziej złożonych cząsteczek przeznaczonych do jednorazowego użytku, jak wspomniano powyżej. Produkcji chemikaliów obejmuje nie tylko jego syntezy, ale również jego oczyszczania, aby wyeliminować zanieczyszczenia i udział w syntezie produktów ubocznych. Ostatnim etapem produkcji powinna być analiza partii chemikaliów w partii w celu zidentyfikowania i ilościowego określenia procentowej zawartości zanieczyszczeń dla nabywcy chemikaliów. Wymagana czystość i analiza zależy od zastosowania, ale zwykle oczekuje się wyższej tolerancji zanieczyszczeń w produkcji chemikaliów luzem. Zatem użytkownik chemikaliów w USA może wybierać pomiędzy masową lub „techniczną” z większą ilością zanieczyszczeń lub znacznie czystszą „klasą farmaceutyczną” (oznaczoną „USP”, Farmakopea Stanów Zjednoczonych ). „Chemikalia” w sensie handlowym i prawnym mogą również obejmować mieszaniny o bardzo zmiennym składzie, ponieważ są to produkty wykonane zgodnie ze specyfikacją techniczną, a nie poszczególne substancje chemiczne. Na przykład benzyna nie jest pojedynczym związkiem chemicznym ani nawet konkretną mieszaniną: różne benzyny mogą mieć bardzo różne składy chemiczne, ponieważ „benzyna” jest definiowana przede wszystkim poprzez źródło, właściwości i liczbę oktanową .

Nazewnictwo i indeksowanie

Każda substancja chemiczna ma jedną lub więcej nazw systematycznych , zwykle określanych zgodnie z zasadami nazewnictwa IUPAC . Alternatywny system jest używany przez Chemical Abstracts Service (CAS).

Wiele związków jest również znanych pod ich bardziej powszechnymi, prostszymi nazwami, z których wiele poprzedza nazwę systematyczną. Na przykład od dawna znana glukoza cukrowa jest obecnie systematycznie nazywana 6-(hydroksymetylo)oksano-2,3,4,5-tetrolem. Produkty naturalne i farmaceutyki mają również prostsze nazwy, na przykład łagodny środek przeciwbólowy Naproksen to bardziej powszechna nazwa związku chemicznego kwasu (S)-6-metoksy-α-metylo-2-naftalenooctowego.

Chemicy często odwołują się do związków chemicznych za pomocą wzorów chemicznych lub struktury cząsteczkowej związku. Nastąpił fenomenalny wzrost liczby związków chemicznych, które są syntetyzowane (lub izolowane), a następnie opisywane w literaturze naukowej przez profesjonalnych chemików na całym świecie. Dzięki chemicznemu połączeniu znanych pierwiastków chemicznych możliwa jest ogromna liczba związków chemicznych. Według stanu na luty 2021 r. w literaturze naukowej i zarejestrowanych w publicznych bazach danych znajduje się około „177 milionów substancji organicznych i nieorganicznych” (w tym 68 milionów biopolimerów o określonej sekwencji). Nazwy wielu z tych związków są często nietrywialne, a zatem niełatwe do zapamiętania lub dokładnego zacytowania. Trudno też śledzić je w literaturze. Kilka organizacji międzynarodowych, takich jak IUPAC i CAS, podjęło kroki w celu ułatwienia takich zadań. CAS świadczy usługi abstraktowania literatury chemicznej i zapewnia identyfikator numeryczny, znany jako numer rejestru CAS, dla każdej substancji chemicznej, która została zgłoszona w literaturze chemicznej (takiej jak czasopisma chemiczne i patenty ). Informacje te są kompilowane jako baza danych i są powszechnie znane jako indeks substancji chemicznych. Inne przyjazne dla komputera systemy, które zostały opracowane dla informacji o substancjach, to: SMILES i Międzynarodowy Identyfikator Chemiczny lub InChI.

Identyfikacja typowej substancji chemicznej
Nazwa zwyczajowa Nazwa systematyczna Wzór chemiczny Struktura chemiczna Numer rejestru CAS InChI
Alkohol lub
alkohol etylowy
Etanol C 2 H 5 OH
Etanol-2D-szkielet.png
[64-17-5] 1/C2H6O/c1-2-3/h3H,2H2,1H3

Izolacja, oczyszczanie, charakterystyka i identyfikacja

Często czysta substancja musi zostać wyizolowana z mieszaniny , na przykład ze źródła naturalnego (gdzie próbka często zawiera wiele substancji chemicznych) lub po reakcji chemicznej (które często dają mieszaniny substancji chemicznych).

Zobacz też

Uwagi i referencje

Zewnętrzne linki