A химическое вещество - это форма вещества, имеющая 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. Типичным примером химического вещества является чистая вода ; он имеет одинаковые свойства и одинаковое соотношение водорода к кислороду, независимо от того, выделен ли он из реки или изготовлен в лаборатории. Другие химические вещества, обычно встречающиеся в чистом виде: алмаз (углерод), золото, поваренная соль (хлорид натрия ) и очищенные сахар (сахароза ). Однако на практике ни одно вещество не является полностью чистым, а химическая чистота определяется в соответствии с предполагаемым использованием химического вещества.
Химические вещества существуют в виде твердых веществ, жидкостей, газов или плазмы и могут меняться между этими фазы вещества с изменениями температуры или давления. Химические вещества могут быть объединены или преобразованы в другие посредством химических реакций.
Формы энергии, такие как свет и тепло, не считаются материи, и поэтому не являются «субстанциями» в этом отношении.
Химическое вещество может быть определено как «любой материал с определенным химическим составом» в Вводный учебник общей химии. Согласно этому определению химическое вещество может быть чистым химическим элементом или чистым химическим соединением. Но из этого определения есть исключения; чистое вещество также можно определить как форму материи, которая имеет как определенный состав, так и отличные свойства. Индекс химического вещества, опубликованный CAS, также включает несколько сплавов неопределенного состава. Нестехиометрические соединения представляют собой особый случай (в неорганическая химия ), что нарушает закон постоянного состава, и для них иногда трудно провести грань между смесью и соединением, как в случае гидрида 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 происходящего в природе ».
В геологии вещества однородного состава называются минералами, а физические смеси (агрегаты ) нескольких минералов (разных веществ) определены как породы. Однако многие минералы взаимно растворяются в твердые растворы, так что отдельная порода является однородным веществом, несмотря на то, что она является смесью в стехиометрическом выражении. Полевые шпаты являются типичным примером: анортоклаз представляет собой силикат алюминия щелочного металла, где щелочной металл - это натрий или калий.
По закону «химические вещества» могут включать как чистые вещества, так и смеси с определенным составом или производственным процессом. Например, регламент EU 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, которая может определяться процессом его производства. Следовательно, хотя точная химическая идентичность неизвестна, идентификация может быть произведена с достаточной точностью. В индекс CAS также входят смеси.
Полимеры почти всегда представляют собой смеси молекул с множеством молярных масс, 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.
Концепция «химического вещества» утвердилась в конце восемнадцатого века. столетие спустя работы химика Джозефа Пруста над составом некоторых чистых химических соединений, таких 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, концепции был определен, как и в большинстве учебников химии. Однако есть некоторые разногласия относительно этого определения, главным образом потому, что большое количество химических веществ, о которых сообщается 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 Фридрих Август Кекуле не описал правильную структуру. Точно так же идея стереоизомерии - что атомы имеют жесткую трехмерную структуру и, таким образом, могут образовывать изомеры, различающиеся 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.
. Элемент элемент представляет собой химическое вещество, состоящее из атом определенного типа и, следовательно, не может быть расщеплен или преобразован в результате химической реакции в другой элемент, хотя он может быть преобразован в другой элемент посредством ядерной реакции. 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 они не превращаются в радиоактивный распад на другие элементы. Некоторые элементы могут встречаться более чем в виде одного химического вещества (аллотропы ). Например, кислород существует в виде двухатомного кислорода (O 2) и озона (O3). Большинство элементов классифицируются как металлы. Это элементы с характерным блеском, такие как железо, медь и золото. Металлы обычно хорошо проводят электричество и тепло, и они пластичные и пластичные. 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.
Химическое соединение - это химическое вещество, состоящее из определенного набора атомов или ионов. Два или более элемента, объединенных в одно вещество посредством химической реакции, образуют химическое соединение. Все соединения являются веществами, но не все вещества являются соединениями.
Химическое соединение может представлять собой атомы , связанные вместе в молекулы, или кристаллы, в которых атомы, молекулы или ионы образуют кристаллический решетка. Соединения, в основе которых лежат, в основном, атомы углерода и водорода, называются органическими соединениями, а все остальные называются неорганическими соединениями. Соединения, содержащие связи между углеродом и металлом, называются металлоорганическими соединениями.
. Соединения, в которых компоненты имеют общие электроны, известны как ковалентные соединения. Соединения, состоящие из противоположно заряженных ионов, известны как ионные соединения или соли.
. В органической химии может существовать более одного химического соединения с одинаковым составом и молекулярной массой. вес. Обычно их называют изомерами. Изомеры обычно имеют существенно разные химические свойства и часто могут быть выделены без спонтанного взаимного превращения. Типичный пример - глюкоза vs. фруктоза. Первый - это альдегид, последний - 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 изолированы на таутомеры, даже если их можно идентифицировать спектроскопически или даже изолировать в особых условиях. Типичным примером является глюкоза, имеющая открытую цепь и кольцевую форму. Невозможно произвести чистую глюкозу с открытой цепью, потому что глюкоза спонтанно превращается в форму полуацеталя.
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. Сливочное масло, почва и древесина - распространенные примеры смесей.
Металлический серый чугун и желтая сера являются химическими элементами, и их можно смешивать вместе 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), происходит химическая реакция и образуется новое вещество - соединение сульфид железа (II) с химической формулой FeS. Полученное соединение обладает всеми свойствами химического вещества и не является смесью. Сульфид железа (II) имеет свои собственные отличительные свойства, такие как точка плавления и растворимость, и эти два элемента нельзя разделить с помощью обычных механических процессов; магнит не сможет восстановить железо, поскольку в соединении нет металлического железа.
Хотя термин химическое вещество является точным техническим термином, который является синонимом химического вещества для химиков, в англоязычном мире слово «химическое вещество» широко используется для обозначения как (чистые) химические вещества, так и смеси (часто называемые соединениями), особенно когда они производятся или очищаются в лабораторных или промышленных условиях. Другими словами, химические вещества, из которых, например, фрукты и овощи естественным образом состоят даже при выращивании в дикой природе, обычно не называют «химическими веществами». В странах, где требуется перечень ингредиентов в продуктах, перечисленные «химические вещества» являются «химическими веществами» промышленного производства. Слово «химический» также часто используется для обозначения вызывающих привыкание, наркотических или изменяющих сознание наркотиков.
В химической промышленности производимые «химические вещества» - это химические вещества, которые можно классифицировать по объему производства на массовые. химикаты, химикаты тонкого помола и химикаты, обнаруженные только в ходе исследований:
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 не только его синтез, но и его очистку для удаления 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. Необходимая 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 большим количеством 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 не является одним химическим соединением или даже конкретной смесью: разные бензины могут иметь очень разный химический состав, поскольку «бензин» в первую очередь определяется по источнику, свойствам и октановому числу.
Каждое химическое вещество имеет одно или несколько систематических названий, обычно называемых в соответствии с правилами ИЮПАК для наименования. Альтернативная система используется Chemical Abstracts Service (CAS).
Многие соединения также известны под их более общими и простыми названиями, многие из которых предшествуют систематическому названию. Например, давно известный сахар 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-нафталинуксусная кислота.
Химики часто ссылаются на химические соединения, используя химические формулы или молекулярную структуру соединения. Произошел феноменальный рост числа синтезируемых (или выделенных) химических соединений, о которых затем сообщают в научной литературе профессиональные химики всего мира. Огромное количество химических соединений возможно благодаря химическому сочетанию известных химических элементов. По состоянию на май 2011 года известно около шестидесяти миллионов химических соединений. Названия многих из этих соединений часто нетривиальны, и поэтому 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, химических журналах и патенты ). Эта информация собрана в виде базы данных и широко известна как индекс химических веществ. Другие удобные для компьютера системы, которые были разработаны для информации о веществах, включают: SMILES и Международный химический идентификатор или InChI.
Обычное название | Систематическое название | Химическая формула | Химическая структура | Регистрационный номер CAS | InChI |
---|---|---|---|---|---|
Спирт или. этиловый спирт | Этанол | C2H5OH | [64-17-5] | 1 / C2H6O / c1-2-3 / h3H, 2H2,1H3 |
Часто чистое вещество необходимо выделить из смеси, например, из природного источника (где образец часто содержит множество химических веществ) или после химической реакции (которая часто дает смеси химических веществ).