Химическое вещество - Chemical substance

Пар и жидкая вода - это две разные формы одного и того же химического (чистого) вещества: воды.

Химическое вещество представляет собой форму независимо от того , имеющего постоянный химический состав и характерные свойства. Некоторые ссылки добавляют, что химическое вещество не может быть разделено на составляющие его элементы методами физического разделения, то есть без разрыва химических связей . Химические вещества могут быть простыми веществами, химическими соединениями или сплавами . Химические элементы могут или не могут быть включены в определение, в зависимости от точки зрения эксперта.

Химические вещества часто называют «чистыми», чтобы отличить их от смесей . Типичный пример химического вещества - чистая вода ; он имеет то же свойство и то же соотношение от водорода к кислороду ли она изолирована от реки или сделанные в лаборатории . Другие химические вещества, обычно встречающиеся в чистом виде, - это алмаз (углерод), золото , поваренная соль ( хлорид натрия ) и рафинированный сахар ( сахароза ). Однако на практике ни одно вещество не является полностью чистым, и химическая чистота определяется в соответствии с предполагаемым использованием химического вещества.

Химические вещества существуют в виде твердых веществ , жидкостей , газов или плазмы , и может изменяться между этими фазами вещества с изменением температуры или давления и времени . Химические вещества могут быть объединены или преобразованы в другие посредством химических реакций .

Определение

Цвета одного химического вещества ( нильский красный ) в разных растворителях в видимом и ультрафиолетовом свете, показывая, как химическое вещество динамически взаимодействует с окружающей средой растворителя.

Химическое вещество вполне можно определить как «любой материал с определенным химическим составом» во вводном учебнике общей химии. Согласно этому определению химическое вещество может быть либо чистым химическим элементом, либо чистым химическим соединением. Но есть исключения из этого определения; чистое вещество также можно определить как форму материи, которая имеет как определенный состав, так и различные свойства. Индекс химического вещества, опубликованный CAS, также включает несколько сплавов неопределенного состава. Нестехиометрические соединения - это особый случай (в неорганической химии ), который нарушает закон постоянного состава, и для них иногда трудно провести грань между смесью и соединением, как в случае с гидридом палладия . Можно найти более широкие определения химикатов или химических веществ, например: «термин« химическое вещество »означает любое органическое или неорганическое вещество с определенной молекулярной идентичностью, включая - (i) любую комбинацию таких веществ, встречающуюся полностью или частично как в результате химической реакции или в природе ".

В геологии вещества однородного состава называются минералами , а физические смеси ( агрегаты ) нескольких минералов (разных веществ) определяются как горные породы . Однако многие минералы взаимно растворяются в твердые растворы , так что одна порода представляет собой однородное вещество, несмотря на то, что она является смесью в стехиометрическом выражении. Типичный пример - полевые шпаты : анортоклаз представляет собой силикат алюминия щелочного металла, в котором щелочной металл - это как натрий, так и калий.

По закону «химические вещества» могут включать как чистые вещества, так и смеси с определенным составом или производственным процессом. Например, регламент ЕС REACH определяет «однокомпонентные вещества», «многокомпонентные вещества» и «вещества неизвестного или переменного состава». Последние два состоят из множества химических веществ; однако их идентичность может быть установлена ​​либо прямым химическим анализом, либо ссылкой на один производственный процесс. Например, древесный уголь представляет собой чрезвычайно сложную частично полимерную смесь, которую можно определить по процессу производства. Следовательно, хотя точная химическая идентичность неизвестна, идентификация может быть проведена с достаточной точностью. В индекс CAS также входят смеси.

Полимеры почти всегда представляют собой смеси молекул с разными молярными массами, каждую из которых можно рассматривать как отдельное химическое вещество. Однако полимер может быть определен известным предшественником или реакцией (ями) и молярно-массовым распределением . Например, полиэтилен представляет собой смесь очень длинных цепочек повторяющихся звеньев -CH 2 - и обычно продается с несколькими молярно-массовыми распределениями: LDPE , MDPE , HDPE и UHMWPE .

История

Понятие о «химическом веществе» утвердились в конце восемнадцатого века после работы по химику Джозеф Пруст на составе некоторых чистых химических соединений , такие как основной карбонат меди . Он пришел к выводу, что «все образцы соединения имеют одинаковый состав; то есть все образцы имеют одинаковые массовые пропорции элементов, присутствующих в соединении». Теперь это известно как закон постоянного состава . Позже с развитием методов химического синтеза, особенно в области органической химии ; Открытие многих других химических элементов и новых методов в области аналитической химии, используемых для выделения и очистки элементов и соединений от химических веществ, что привело к созданию современной химии , концепция была определена, как и в большинстве учебников химии. Однако есть некоторые разногласия относительно этого определения, главным образом потому, что большое количество химических веществ, описанных в химической литературе, необходимо проиндексировать.

Изомерия вызвала большой ужас у ранних исследователей, поскольку изомеры имеют точно такой же состав, но различаются конфигурацией (расположением) атомов. Например, было много предположений о химической идентичности бензола , пока правильная структура не была описана Фридрихом Августом Кекуле . Точно так же идея стереоизомерии - что атомы имеют жесткую трехмерную структуру и, таким образом, могут образовывать изомеры, которые различаются только своим трехмерным расположением - была еще одним важным шагом в понимании концепции различных химических веществ. Например, винная кислота имеет три различных изомера, пару диастереомеров с одним диастереомером, образующими два энантиомера .

Химические элементы

Кристаллы самородной серы. Сера встречается в природе в виде элементарной серы, в сульфидных и сульфатных минералах и в сероводороде .

Элемент представляет собой химическое вещество , из определенного вида атома и , следовательно , не может быть разбита или трансформировано в результате химической реакции в другой элемент, хотя оно может быть преобразовано в другой элемент через ядерную реакцию . Это так, потому что все атомы в образце элемента имеют одинаковое количество протонов , хотя они могут быть разными изотопами с разным количеством нейтронов .

По состоянию на 2019 год известно 118 элементов, около 80 из которых являются стабильными, то есть не превращаются в результате радиоактивного распада в другие элементы. Некоторые элементы могут встречаться в виде нескольких химических веществ ( аллотропов ). Например, кислород существует как двухатомный кислород (O 2 ), так и озон (O 3 ). Большинство элементов классифицируются как металлы . Это элементы с характерным блеском, такие как железо , медь и золото . Металлы обычно хорошо проводят электричество и тепло, они пластичны и пластичны . Около дюжины элементов, таких как углерод , азот и кислород , классифицируются как неметаллы . Неметаллы не обладают металлическими свойствами, описанными выше, они также обладают высокой электроотрицательностью и склонностью к образованию отрицательных ионов . Некоторые элементы, такие как кремний, иногда напоминают металлы, а иногда и неметаллы, и известны как металлоиды .

Химические соединения

Феррицианид калия - это соединение калия, железа, углерода и азота; Хотя он содержит цианид-анионы, он не выделяет их и не токсичен.

Химическое соединение - это химическое вещество, состоящее из определенного набора атомов или ионов . Два или более элемента, объединенных в одно вещество в результате химической реакции, образуют химическое соединение . Все соединения являются веществами, но не все вещества являются соединениями.

Химическое соединение может быть либо атомами, связанными вместе в молекулы, либо кристаллами, в которых атомы, молекулы или ионы образуют кристаллическую решетку . Соединения, в основе которых лежат в основном атомы углерода и водорода, называются органическими соединениями , а все остальные - неорганическими соединениями . Соединения, содержащие связи между углеродом и металлом, называются металлоорганическими соединениями .

Соединения, компоненты которых имеют общие электроны, известны как ковалентные соединения. Соединения, состоящие из противоположно заряженных ионов , известны как ионные соединения или соли .

В органической химии может быть более одного химического соединения с одинаковым составом и молекулярной массой. Обычно их называют изомерами . Изомеры обычно имеют существенно разные химические свойства и часто могут быть выделены без спонтанного взаимного превращения. Типичный пример - глюкоза или фруктоза . Первый - альдегид , второй - кетон . Их взаимное превращение требует либо ферментативного, либо кислотно-основного катализа .

Однако таутомеры являются исключением: изомеризация происходит спонтанно в обычных условиях, так что чистое вещество не может быть выделено в его таутомеры, даже если они могут быть идентифицированы спектроскопически или даже изолированы в особых условиях. Типичным примером является глюкоза , имеющая открытую цепь и кольцевую форму. Невозможно произвести чистую глюкозу с открытой цепью, потому что глюкоза самопроизвольно превращается в полуацетальную форму.

Вещества против смесей

Стекло клюквы, хотя и выглядит однородным, представляет собой смесь, состоящую из стекла и коллоидных частиц золота диаметром около 40  нм, придающих ему красный цвет.

Вся материя состоит из различных элементов и химических соединений, но часто они тесно смешаны друг с другом. Смеси содержат более одного химического вещества и не имеют фиксированного состава. В принципе, их можно разделить на составляющие вещества чисто механическими способами. Масло , почва и древесина - общие примеры смесей.

Металлическое серое железо и желтая сера являются химическими элементами, и их можно смешивать в любом соотношении с образованием желто-серой смеси. Никакого химического процесса не происходит, и материал можно идентифицировать как смесь по тому факту, что сера и железо могут быть разделены с помощью механического процесса, такого как использование магнита для оттягивания железа от серы.

Напротив, если железо и сера нагреваются вместе в определенном соотношении (1 атом железа на каждый атом серы или по весу 56 граммов (1 моль ) железа на 32 грамма (1 моль) серы), химический В результате реакции образуется новое вещество - сульфид железа (II) с химической формулой FeS. Полученное соединение обладает всеми свойствами химического вещества и не является смесью. Сульфид железа (II) имеет свои собственные отличные свойства, такие как точка плавления и растворимость , и два элемента не могут быть разделены с помощью обычных механических процессов; магнит не сможет восстановить железо, поскольку в соединении нет металлического железа.

Химические вещества против химических веществ

Химикаты в мерных цилиндрах и стакане.

В то время как термин химическое вещество является точным техническим термином, который является синонимом химического вещества для химиков, слово химическое вещество широко используется в англоязычном мире для обозначения как (чистых) химических веществ, так и смесей (часто называемых соединениями ), и особенно при производстве или очистке в лаборатории или промышленном процессе. Другими словами, химические вещества, из которых, например, фрукты и овощи, естественным образом состоят даже при выращивании в дикой природе, в общем не называются «химическими веществами». В странах, где требуется список ингредиентов в продуктах, перечисленные «химические вещества» являются промышленно производимыми «химическими веществами». Слово «химический» также часто используется для обозначения вызывающих привыкание, наркотических или изменяющих сознание наркотиков.

В химической промышленности производимые «химические вещества» - это химические вещества, которые по объему производства можно разделить на химические вещества в сыпучих материалах, тонкие химические вещества и химические вещества, обнаруженные только в ходе исследований:

  • Массовые химикаты производятся в очень больших количествах, обычно с использованием оптимизированных непрерывных процессов и по относительно низкой цене.
  • Тонкие химические вещества производятся по высокой цене в небольших количествах для специальных небольших объемов, таких как биоциды, фармацевтика и специальные химические вещества для технических применений.
  • Исследовательские химические вещества производятся индивидуально для исследований, например, при поиске путей синтеза или скрининге веществ на предмет фармацевтической активности. Фактически, их цена за грамм очень высока, хотя они не продаются.

Причина разницы в объемах производства - сложность молекулярной структуры химического вещества. Массовые химикаты обычно намного менее сложны. Хотя тонкие химические вещества могут быть более сложными, многие из них достаточно просты для продажи в качестве «строительных блоков» для синтеза более сложных молекул, предназначенных для одноразового использования, как указано выше. Производство химического вещества включает в себя не только его синтез , но и его очистку для устранения побочных продуктов и примесей , участвующих в синтезе. Последним этапом производства должен быть анализ партий химикатов с целью выявления и количественной оценки процентного содержания примесей для покупателя химикатов. Требуемая чистота и анализ зависят от области применения, но обычно ожидается более высокая устойчивость к примесям при производстве сыпучих химикатов. Таким образом, пользователь химического вещества в США может выбирать между оптовым или «техническим сортом» с более высоким содержанием примесей или более чистым «фармацевтическим сортом» (обозначенным «USP», Фармакопея США ). «Химические вещества» в коммерческом и юридическом смысле могут также включать смеси сильно изменяющегося состава, поскольку они представляют собой продукты, изготовленные в соответствии с техническими условиями, а не определенные химические вещества. Например, бензин - это не одно химическое соединение или даже конкретная смесь: разные бензины могут иметь очень разные химические составы, поскольку «бензин» в первую очередь определяется по источнику, свойствам и октановому числу .

Именование и индексация

Каждое химическое вещество имеет одно или несколько систематических названий , обычно называемых в соответствии с правилами наименования ИЮПАК . Альтернативная система используется Химической службой рефератов (CAS).

Многие соединения также известны под их более распространенными и простыми названиями, многие из которых предшествуют систематическому названию. Например, давно известная сахарная глюкоза теперь систематически называется 6- (гидроксиметил) оксан-2,3,4,5-тетрол. Натуральные продукты и фармацевтические препараты также имеют более простые названия, например, легкое болеутоляющее напроксен - более распространенное название химического соединения (S) -6-метокси-α-метил-2-нафталинуксусной кислоты.

Химики часто ссылаются на химические соединения, используя химические формулы или молекулярную структуру соединения. Произошел феноменальный рост количества синтезируемых (или выделенных) химических соединений, о которых в научной литературе сообщают профессиональные химики по всему миру. Огромное количество химических соединений возможно благодаря химическому сочетанию известных химических элементов. По состоянию на февраль 2021 года около «177 миллионов органических и неорганических веществ» (включая 68 миллионов биополимеров с определенной последовательностью) фигурируют в научной литературе и зарегистрированы в общедоступных базах данных. Названия многих из этих соединений часто нетривиальны, и, следовательно, их нелегко запомнить или точно процитировать. Также сложно отследить их в литературе. Несколько международных организаций, таких как IUPAC и CAS, инициировали шаги по облегчению таких задач. CAS предоставляет услуги реферирования химической литературы и предоставляет числовой идентификатор, известный как регистрационный номер CAS, для каждого химического вещества, о котором сообщается в химической литературе (например, в химических журналах и патентах ). Эта информация собрана в виде базы данных и широко известна как индекс химических веществ. Другими удобными для компьютера системами, которые были разработаны для информации о веществах, являются: SMILES и Международный химический идентификатор или InChI.

Идентификация типичного химического вещества
Распространенное имя Систематическое название Химическая формула Химическая структура Регистрационный номер CAS ИнЧИ
Спирт или
этиловый спирт
Спирт этиловый С 2 Н 5 ОН
Этанол-2D-скелет.png
[64-17-5] 1 / C2H6O / c1-2-3 / h3H, 2H2,1H3

Выделение, очистка, характеристика и идентификация

Часто чистое вещество необходимо изолировать от смеси , например, из природного источника (где образец часто содержит множество химических веществ) или после химической реакции (которая часто дает смеси химических веществ).

Смотрите также

Примечания и ссылки

внешние ссылки