Химическое вещество — это уникальная форма материи с постоянным химическим составом и характерными свойствами . [1] [2] Химические вещества могут принимать форму одного элемента или химических соединений . Если два или более химических веществ могут быть объединены без реакции , они могут образовать химическую смесь . [3] Если смесь разделяется для выделения одного химического вещества в желаемой степени, то полученное вещество называется химически чистым . [4]
Химические вещества могут существовать в нескольких различных физических состояниях или фазах (например, твердые тела , жидкости , газы или плазма ) без изменения их химического состава. Вещества переходят между этими фазами материи в ответ на изменения температуры или давления . Некоторые химические вещества могут быть объединены или преобразованы в новые вещества посредством химических реакций . Химические вещества, которые не обладают этой способностью, называются инертными .
Чистая вода является примером химического вещества с постоянным составом из двух атомов водорода , связанных с одним атомом кислорода (т. е. H 2 O). Атомное соотношение водорода к кислороду всегда составляет 2:1 в каждой молекуле воды. Чистая вода будет иметь тенденцию к кипению около 100 °C (212 °F), что является примером одного из характерных свойств, которые ее определяют. Другие известные химические вещества включают алмаз (форма элемента углерода ), поваренную соль (NaCl; ионное соединение ) и рафинированный сахар (C 12 H 22 O 11 ; органическое соединение ).
Помимо общего определения, предложенного выше, существует несколько узкоспециализированных областей, в которых термин «химическое вещество» может иметь альтернативные общепринятые значения, некоторые из которых описаны в разделах ниже.
Chemical Abstracts Service (CAS) перечисляет несколько сплавов неопределенного состава в своем индексе химических веществ. [5] Хотя сплав можно было бы точнее определить как смесь , ссылка на них в индексе химических веществ позволяет CAS предлагать конкретные указания по стандартному наименованию составов сплавов. Нестехиометрические соединения являются еще одним особым случаем из неорганической химии , которые нарушают требование постоянного состава. Для этих веществ может быть сложно провести границу 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 определенной молекулярной идентичности, включая – (i) любую комбинацию таких веществ, возникающую полностью или частично в результате химической реакции или встречающуюся в природе». [6]
В области геологии неорганические твердые вещества однородного состава известны как минералы . [7] Когда два или более минерала объединяются, образуя смеси (или агрегаты ), они определяются как горные породы . [8] Многие минералы, однако, взаимно растворяются в твердых растворах , так что отдельная горная порода является однородным веществом, несмотря на то, что является смесью в стехиометрических терминах. Полевые шпаты являются распространенным примером: анортоклаз представляет собой щелочной алюмосиликат, где щелочным металлом попеременно является либо натрий, либо калий.
В законе «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 нескольких химических веществ; однако их идентичность может быть установлена либо прямым химическим анализом, либо ссылкой на единый производственный процесс. Например, древесный уголь представляет собой чрезвычайно сложную, частично полимерную смесь, которая может быть определена его производственным процессом. Поэтому, хотя точная химическая идентичность неизвестна, идентификацию можно провести с достаточной точностью. Индекс CAS также включает смеси.
Полимеры почти всегда появляются как смеси молекул с несколькими молярными массами, каждая из которых может рассматриваться как отдельное химическое вещество. Однако полимер может быть определен известным предшественником или реакцией(ями) и распределением молярной массы . Например, полиэтилен представляет собой смесь очень длинных цепей -CH 2 - повторяющихся звеньев и обычно продается в нескольких распределениях молярной массы, LDPE , MDPE , HDPE и UHMWPE .
Понятие «химическое вещество» прочно утвердилось в конце восемнадцатого века после работы химика Джозефа Пруста над составом некоторых чистых химических соединений, таких как основной карбонат меди . [9] Он пришел к выводу, что «Все образцы соединения имеют одинаковый состав; то есть все образцы имеют одинаковые пропорции по массе элементов, присутствующих в соединении». Теперь это известно как закон постоянства состава . [10] Позже, с развитием методов химического синтеза , особенно в области органической химии ; открытием гораздо большего количества химических элементов и новых методов в области аналитической химии, используемых для выделения и очистки элементов и соединений из химикатов, что привело к созданию современной химии , это понятие было определено так, как оно встречается в большинстве учебников по химии. Однако существуют некоторые разногласия относительно этого определения, в основном потому, что большое количество химических веществ, описанных в химической литературе, необходимо индексировать.
Изомерия вызвала много смущения у ранних исследователей, поскольку изомеры имеют абсолютно одинаковый состав, но различаются по конфигурации (расположению) атомов. Например, было много спекуляций о химической идентичности бензола , пока правильная структура не была описана Фридрихом Августом Кекуле . Аналогично, идея стереоизомерии — что атомы имеют жесткую трехмерную структуру и, таким образом, могут образовывать изомеры, которые отличаются только своим трехмерным расположением — была еще одним важным шагом в понимании концепции отдельных химических веществ. Например, винная кислота имеет три отдельных изомера, пару диастереомеров с одним диастереомером, образующим два энантиомера .
Элемент — это химическое вещество, состоящее из определенного вида атомов, и, следовательно, не может быть разрушено или преобразовано посредством химической реакции в другой элемент, хотя его можно преобразовать в другой элемент посредством ядерной реакции . Это происходит потому, что все атомы в образце элемента имеют одинаковое число протонов , хотя они могут быть разными изотопами с разным числом нейтронов .
По состоянию на 2019 год известно 118 элементов, около 80 из которых стабильны, то есть не превращаются в другие элементы в результате радиоактивного распада . Некоторые элементы могут существовать в виде более чем одного химического вещества ( аллотропы ). Например, кислород существует как в виде двухатомного кислорода (O 2 ), так и в виде озона (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 ковкие и пластичные . [11] Около 14-21 элемента, [12] такие 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 — неметаллы и известны как металлоиды .
Химическое соединение — это химическое вещество, состоящее из определенного набора атомов или ионов . Два или более элементов, объединенных в одно вещество посредством 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 называются неорганическими соединениями . Соединения, содержащие связи между углеродом и металлом, называются металлоорганическими соединениями .
Соединения, в которых компоненты делят электроны, известны как ковалентные соединения. Соединения, состоящие из противоположно заряженных ионов , известны как ионные соединения, или соли .
Координационные комплексы — это соединения, в которых дативная связь удерживает вещество вместе без ковалентной или ионной связи. Координационные комплексы — это отдельные вещества с различными свойствами, отличными от простой смеси. Обычно они имеют металл, такой как ион меди, в центре и атом неметалла, такой как азот в молекуле аммиака или кислород в молекуле воды, образующий дативную связь с металлическим центром, например, сульфат тетраамминмеди(II) [Cu(NH 3 ) 4 ]SO 4 ·H 2 O. Металл известен как «металлический центр», а вещество, которое координируется с центром, называется «лигандом». Однако центр не обязательно должен быть металлом, как показано на примере эфирата трифторида бора BF 3 OEt 2 , где сильно кислотный по Льюису , но неметаллический центр бора берет на себя роль «металла». Если лиганд связывается с металлическим центром с несколькими атомами, комплекс называется хелатным .
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 взаимопревращения. Распространенным примером является глюкоза против фруктозы . Первый является альдегидом , последний является кетоном . Их взаимопревращение требует либо ферментативного , либо кислотно-щелочного катализа .
Однако таутомеры являются исключением: изомеризация происходит спонтанно в обычных условиях, так что чистое вещество не может быть разделено на его таутомеры, даже если их можно идентифицировать спектроскопически или даже выделить в специальных условиях. Распространенным примером является глюкоза , которая имеет формы с открытой цепью и кольцо. Невозможно изготовить чистую глюкозу с открытой цепью, поскольку глюкоза спонтанно циклизуется в полуацетальную форму.
Вся материя состоит из различных элементов и химических соединений, но они часто тесно перемешаны друг с другом. Смеси содержат более одного химического вещества, и у них нет фиксированного состава. Масло , почва и древесина являются распространенными примерами смесей. Иногда смеси можно разделить на их компоненты с помощью механических процессов, таких как хроматография , дистилляция или выпаривание . [13]
Серый металл и желтая сера являются химическими элементами, и их можно смешивать в любом соотношении, чтобы получить желто-серую смесь. Никакого химического процесса не происходит, и материал можно идентифицировать как смесь по тому факту, что серу и железо можно разделить механическим способом, например, используя магнит, чтобы оттянуть железо от серы.
Напротив, если железо и серу нагревать 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 сульфида 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 температура плавления и растворимость , и эти два элемента не могут быть разделены с помощью обычных механических процессов; магнит не сможет извлечь железо, поскольку в соединении нет металлического железа.
Хотя термин «химическое вещество» является точным техническим термином, который является синонимом слова «химический» для химиков, слово «химический» используется в общем употреблении для обозначения как (чистых) химических веществ, так и смесей (часто называемых соединениями ), [14] и особенно когда они производятся или очищаются в лабораторных или промышленных процессах. [15] [16] [17] Другими словами, химические вещества, из которых, например, состоят фрукты и овощи, даже если они растут в дикой природе, не называются «химическими веществами» в общем употреблении. В странах, где требуется список ингредиентов в продуктах, перечисленные «химические вещества» являются «химическими веществами» промышленного производства. Слово «химический» также часто используется для обозначения вызывающих привыкание, наркотических или изменяющих сознание препаратов. [15] [16]
В химической промышленности производимые «химические вещества» представляют собой химические вещества, которые можно классифицировать по объему производства на оптовые химикаты, тонкие химикаты и химикаты, встречающиеся только в научных исследованиях:
Причиной разницы в объеме производства является сложность молекулярной структуры химиката. Крупногабаритные химикаты обычно гораздо менее сложны. Хотя тонкие химикаты могут быть более сложными, многие из них достаточно просты, чтобы продаваться в качестве «строительных блоков» в синтезе более сложных молекул, предназначенных для одноразового использования, как указано выше. Производство химиката включает не только его синтез, но и его очистку для устранения побочных продуктов и примесей, участвующих в синтезе. Последним шагом в производстве 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 при производстве крупногабаритных химикатов обычно ожидается более высокая толерантность к примесям. Таким образом, пользователь химиката в США может выбрать между крупной или «технической степенью чистоты» с большим количеством примесей или гораздо более чистой «фармацевтической степенью чистоты» (обозначенной как «USP», Фармакопея США ). «Химические вещества» в коммерческом и юридическом смысле могут также включать смеси с весьма изменчивым составом, поскольку они являются продуктами, изготовленными по технической спецификации, а не конкретными химическими веществами. Например, бензин не является единым химическим соединением или даже конкретной смесью: разные бензины могут иметь очень разные химические составы, поскольку «бензин» в первую очередь определяется через источник, свойства и октановое число .
Каждое химическое вещество имеет одно или несколько систематических названий , обычно именуемых в соответствии с правилами ИЮПАК для наименования . Альтернативная система используется Chemical Abstracts Service (CAS).
Многие соединения также известны под более общими, более простыми названиями, многие из которых появились раньше систематического названия. 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 обезболивающее Напроксен является более общим названием для химического соединения (S)-6-метокси-α-метил-2-нафталинуксусная кислота.
Химики часто ссылаются на химические соединения, используя химические формулы или молекулярную структуру соединения. Наблюдается феноменальный рост числа химических соединений, синтезированных (или выделенных), а затем описанных в научной литературе профессиональными химиками по всему миру. [18] Огромное количество химических соединений возможно посредством химической комбинации известных химических элементов. По состоянию на февраль 2021 года около «177 миллионов органических и неорганических веществ» (включая 68 миллионов биополимеров с определенной последовательностью) находятся в научной литературе и зарегистрированы в публичных базах данных. [19] Названия многих из этих соединений часто нетривиальны и, следовательно, их не очень легко запомнить или точно процитировать. Кроме того, их трудно отслеживать в литературе. Несколько международных организаций, таких как ИЮПАК и CAS, предприняли шаги для упрощения таких задач. CAS предоставляет услуги реферирования химической литературы и предоставляет числовой идентификатор, известный как номер реестра CAS , каждому химическому веществу, которое было описано в химической литературе (например, в химических журналах и патентах ). Эта информация собирается в виде базы данных и широко известна как Индекс химических веществ. Другие компьютерные системы, разработанные для информации о веществах: SMILES и Международный химический идентификатор или InChI.
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).
Стехиометрия ( / ˌ s t ɔɪ k i ˈ ɒ m ɪ t r i / ) — это соотношение между массами реагентов и продуктов до, во время и после химических реакций .
Стехиометрия основана на законе сохранения массы , где общая масса реагентов равна общей массе продуктов, что приводит к пониманию того, что отношения между количествами реагентов и продуктов обычно образуют отношение положительных целых чисел. Это означает, что если количества отдельных реагентов известны, то количество продукта может быть рассчитано. И наоборот, если один реагент имеет известное количество и количество продуктов может быть определено эмпирически, то количество других реагентов также может быть рассчитано.
Это проиллюстрировано на рисунке, где сбалансированное уравнение выглядит следующим образом:
Здесь одна молекула метана реагирует с двумя молекулами газа кислорода , в результате чего получается одна молекула углекислого газа и две молекулы воды . Это конкретное химическое уравнение является примером полного сгорания . Стехиометрия измеряет эти количественные соотношения и используется для определения количества продуктов и реагентов , которые производятся или необходимы в данной реакции. Описание количественных соотношений между веществами, участвующими в химических реакциях, известно как стехиометрия реакции . В приведенном выше примере стехиометрия реакции измеряет соотношение между количествами метана и кислорода, которые реагируют с образованием углекислого газа и воды.
Из-за хорошо известной связи молей с атомными весами , соотношения, которые достигаются стехиометрией, могут быть использованы для определения количеств по весу в реакции, описываемой сбалансированным уравнением. Это называется стехиометрией состава .
Газовая стехиометрия имеет дело с реакциями с участием газов, где газы находятся при известной температуре, давлении и объеме и могут считаться идеальными газами . Для газов соотношение объемов в идеале одинаково по закону идеального газа , но соотношение масс одной реакции должно быть рассчитано из молекулярных масс реагентов и продуктов. На практике из-за существования изотопов вместо этого при расчете соотношения масс используются молярные массы .
Медиа, связанные с химическими веществами на Wikimedia Commons