Химическое вещество — это уникальная форма вещества с постоянным химическим составом и характерными свойствами . [1] [2] Химические вещества могут иметь форму одного элемента или химических соединений . Если два или более химических веществ можно соединить, не вступая в реакцию , они могут образовать химическую смесь . [3] Если смесь разделяют для выделения одного химического вещества до желаемой степени, полученное вещество считается химически чистым . [4]
Химические вещества могут существовать в нескольких различных физических состояниях или фазах (например, в твердых телах , жидкостях , газах или плазме ) без изменения их химического состава. Вещества переходят между этими фазами вещества в ответ на изменения температуры или давления . Некоторые химические вещества могут соединяться или превращаться в новые вещества посредством химических реакций . Химические вещества, не обладающие этой способностью, называются инертными .
Чистая вода является примером химического вещества с постоянным составом двух атомов водорода , связанных с одним атомом кислорода (т.е. H 2 O). Атомное соотношение водорода и кислорода в каждой молекуле воды всегда составляет 2:1. Чистая вода имеет тенденцию кипеть при температуре около 100 °C (212 °F), что является примером одного из характерных свойств, определяющих ее. Другие известные химические вещества включают алмазы (образованные из элемента углерода ), поваренную соль (NaCl; ионное соединение ) и рафинированный сахар (C 12 H 22 O 11 ; органическое соединение ).
В дополнение к общему определению, предложенному выше, существует несколько нишевых областей, в которых термин «химическое вещество» может иметь альтернативные широко принятые значения, некоторые из которых описаны в разделах ниже.
Служба химических рефератов (CAS) перечисляет несколько сплавов неопределенного состава в рамках индекса их химического вещества. [5] Хотя сплав можно было бы более точно определить как смесь , упоминание их в указателе химических веществ позволяет CAS предложить конкретные рекомендации по стандартному наименованию составов сплавов. Нестехиометрические соединения — еще один частный случай неорганической химии , нарушающий требование постоянного состава. Для этих веществ может быть сложно провести границу между смесью и соединением, как в случае с гидридом палладия . Можно найти более широкие определения химических веществ или химических веществ, например: «Термин «химическое вещество» означает любое органическое или неорганическое вещество определенной молекулярной идентичности, включая: (i) любую комбинацию таких веществ, встречающуюся полностью или частично в виде результате химической реакции или происходящего в природе». [6]
В области геологии минералами называют неорганические твердые вещества однородного состава . [7] Когда два или более минералов объединяются в смеси (или агрегаты ), их называют горными породами . [8] Однако многие минералы взаимно растворяются в твердые растворы , так что отдельная порода представляет собой однородное вещество, несмотря на то, что в стехиометрическом отношении она представляет собой смесь. Распространенным примером являются полевые шпаты : анортоклаз представляет собой силикат щелочного алюминия, где щелочной металл взаимозаменяемо представляет собой натрий или 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 нескольких химических веществ; однако их идентичность может быть установлена либо путем прямого химического анализа, либо путем ссылки на один производственный процесс. Например, древесный уголь представляет собой чрезвычайно сложную, частично полимерную смесь, что можно определить по процессу ее производства. Поэтому, хотя точная химическая принадлежность неизвестна, идентификация может быть проведена с достаточной точностью. Индекс CAS также включает смеси.
Полимеры почти всегда представляют собой смеси молекул с несколькими молярными массами, каждую из которых можно рассматривать как отдельное химическое вещество. Однако полимер можно определить по известному предшественнику или реакции(ям) и распределению молярной массы . Например, полиэтилен представляет собой смесь очень длинных цепей повторяющихся звеньев -CH 2 - и обычно продается в нескольких распределениях по молярной массе: LDPE , MDPE , HDPE и UHMWPE .
Понятие «химическое вещество» прочно утвердилось в конце восемнадцатого века после работы химика Жозефа Пруста по составу 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 массовые пропорции элементов, присутствующих в соединении». Сейчас это известно как закон постоянного состава . [10] 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 из химических веществ, привело к созданию современной химии . Эта концепция была определена так, как ее можно найти в большинстве учебников по химии. Однако относительно этого определения существуют некоторые разногласия, главным образом потому, что большое количество химических веществ, описанных в химической литературе, необходимо индексировать.
Изомерия вызвала большое недоумение у ранних исследователей, поскольку изомеры имеют совершенно одинаковый состав, но различаются конфигурацией (расположением) атомов. Например, было много предположений о химической принадлежности 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 – стала еще одним важным шагом в понимании концепции отдельных химических веществ. Например, винная кислота имеет три различных изомера: пару диастереомеров , причем один диастереомер образует два энантиомера .
Элемент — это химическое вещество, состоящее из атомов определенного типа и, следовательно, не может быть расщеплено или преобразовано в результате химической реакции в другой элемент, хотя оно может быть преобразовано в другой элемент посредством ядерной реакции . Это происходит потому, что все атомы в образце элемента имеют одинаковое количество протонов , хотя они могут быть разными изотопами и с разным числом нейтронов .
По состоянию на 2019 год известно 118 элементов, около 80 из которых стабильны, то есть не изменяются при радиоактивном распаде на другие элементы. Некоторые элементы могут встречаться 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 относятся к металлам . Это элементы с характерным блеском , такие как железо , медь и золото . Металлы обычно хорошо проводят электричество и тепло, они податливы и пластичны . [11] От 14 до 21 элемента, [12] таких как углерод , азот и кислород , классифицируются как неметаллы . Неметаллы лишены описанных выше металлических свойств, 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 элемента, объединенные в одно вещество посредством химической реакции, образуют химическое соединение . Все соединения являются веществами, но не все вещества являются соединениями.
Химическое соединение может представлять собой либо атомы, связанные вместе в молекулы , либо кристаллы , в которых атомы, молекулы или ионы образуют кристаллическую решетку . Соединения, основанные преимущественно на атомах углерода и водорода, называются органическими соединениями , а все остальные — 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 , называются ионными соединениями или солями .
Координационные комплексы — это соединения, в которых дативная связь удерживает вещество вместе без ковалентной или ионной связи. Координационные комплексы представляют собой отдельные вещества с особыми свойствами, отличными от простой смеси. Обычно они имеют металл, такой как ион меди, в центре, а атом неметаллов, такой как азот в молекуле аммиака или кислород в воде в молекуле воды, образует дативную связь с металлическим центром, например, тетраамминмеди (II). ) сульфат [Cu(NH 3 ) 4 ]SO 4 ·H 2 O. Металл известен как «металлический центр», а вещество, координирующееся с центром, называется «лигандом». Однако центр не обязательно должен быть металлом, как показано на примере эфирата трифторида бора BF 3 OEt 2 , где роль «металла» берет на себя высококислотный по Льюису , но неметаллический борный центр. Если лиганд связан с металлическим центром несколькими атомами, комплекс называется хелатным .
В органической химии может существовать более одного химического соединения одинакового состава и молекулярной массы. Обычно их называют изомерами . Изомеры обычно имеют существенно разные химические свойства и часто могут быть изолированы без спонтанного взаимного превращения. Типичным примером является сравнение глюкозы и фруктозы . Первый — альдегид , второй — кетон . Их взаимное превращение требует либо ферментативного , либо кислотно-основного катализа .
Однако таутомеры являются исключением: изомеризация происходит самопроизвольно в обычных условиях, так что чистое вещество не может быть выделено на его таутомеры, даже если их можно идентифицировать спектроскопически или даже выделить в особых условиях. Типичным примером является глюкоза , которая имеет открытую цепь и кольцевую форму. Невозможно производить чистую глюкозу с открытой цепью, поскольку глюкоза самопроизвольно циклизуется в полуацетальную форму.
Вся материя состоит из различных элементов и химических соединений, но они часто тесно перемешаны между собой. Смеси содержат более одного химического вещества и не имеют фиксированного состава. Распространенными примерами смесей являются масло , почва и древесина . Иногда смеси можно разделить на составляющие вещества с помощью механических процессов, таких как хроматография , дистилляция или выпаривание . [13]
Серое железо и желтая сера являются химическими элементами, и их можно смешивать в любом соотношении, образуя желто-серую смесь. Никакого химического процесса не происходит, и материал можно идентифицировать как смесь по тому факту, что серу и железо можно разделить с помощью механического процесса, например, с помощью магнита, чтобы отделить железо 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), химическое вещество Происходит 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 особые свойства, такие как температура 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 для химиков является синонимом химического вещества , слово « химическое вещество» используется в общем использовании для обозначения как (чистых) химических веществ, так и смесей (часто называемых соединениями ), [14] и особенно при их производстве. или очищены в лаборатории или промышленном процессе. [15] [16] [17] Другими словами, химические вещества, из которых, например, фрукты и овощи состоят в природе, даже когда они растут в диком виде, в общем смысле не называются «химическими веществами». В странах, где требуется список ингредиентов в продуктах, перечисленные «химические вещества» представляют собой «химические вещества», производимые промышленным способом. 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 по объему производства можно разделить на сыпучие химикаты, тонкие химикаты и химикаты, обнаруженные только в исследованиях:
Причиной разницы в объёмах производства является сложность молекулярной структуры химического вещества. Массовые химикаты обычно гораздо менее сложны. Хотя тонкие химические вещества могут быть более сложными, многие из них достаточно просты, чтобы их можно было продавать в качестве «строительных блоков» при синтезе более сложных молекул, предназначенных для одноразового использования, как указано выше. Производство химического вещества включает не только его синтез, но и его очистку от побочных продуктов и примесей, участвующих в синтезе . Последним этапом производства должен быть анализ партий химикатов с целью выявления и количественного определения процентного содержания примесей для покупателя химикатов. Требуемая чистота и анализ зависят от области применения, но при производстве сыпучих химикатов обычно ожидается более высокая устойчивость к примесям. Таким образом, пользователь химического вещества в США может выбирать между массовым продуктом или «техническим сортом» с более высоким содержанием примесей или гораздо более чистым «фармацевтическим сортом» (с маркировкой «USP», Фармакопея США ). «Химические вещества» в коммерческом и юридическом смысле могут также включать смеси весьма вариативного состава, поскольку они представляют собой продукты, изготовленные в соответствии с техническими условиями, а не конкретными химическими веществами. Например, бензин не представляет собой отдельное химическое соединение или даже конкретную смесь: разные бензины могут иметь очень разные химические составы, 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 наименования ИЮПАК . Альтернативную систему использует Служба химических рефератов (CAS).
Многие соединения также известны под более распространенными и простыми названиями, многие из которых предшествуют систематическому названию. Например, давно известный сахар глюкозы теперь систематически называется 6-(гидроксиметил)оксан-2,3,4,5-тетрол. Натуральным продуктам и фармацевтическим препаратам также даются более простые названия, например, легкое обезболивающее Напроксен — более распространенное название химического соединения (S)-6-метокси-α-метил-2-нафталинуксусной кислоты.
Химики часто называют химические соединения , используя химические формулы или молекулярную структуру соединения. Произошел феноменальный рост числа синтезированных (или выделенных) химических соединений, о которых затем сообщалось в научной литературе профессиональными химиками во всем мире. [18] 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) находятся в научной литературе и зарегистрированы в общедоступных базах данных. [19] Названия многих из этих соединений часто нетривиальны, и поэтому их нелегко запомнить или точно цитировать. Кроме того, их трудно отследить в литературе. Несколько международных организаций, таких как IUPAC и CAS, предприняли шаги по облегчению таких задач. CAS предоставляет услуги реферирования химической литературы и предоставляет числовой идентификатор, известный как регистрационный номер CAS, каждому химическому веществу, 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 компьютеризированными системами, разработанными для информации о веществах, являются SMILES и Международный химический идентификатор или InChI.
Часто чистое вещество необходимо выделить из смеси , например, из природного источника (когда 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 , согласно которому общая масса реагентов равна общей массе продуктов, что приводит к пониманию того, что отношения между количествами реагентов и продуктов обычно образуют соотношение целых положительных чисел. Это означает, что если известны количества отдельных реагентов, то можно рассчитать количество продукта. И наоборот, если количество одного реагента известно и количество продуктов можно определить эмпирически, то количество других реагентов также можно рассчитать.
Это показано на изображении здесь, где сбалансированное уравнение:
Здесь одна молекула метана реагирует с двумя молекулами газообразного кислорода с образованием одной молекулы углекислого газа и двух молекул воды . Это конкретное химическое уравнение является примером полного сгорания. Стехиометрия измеряет эти количественные отношения и используется для определения количества продуктов и реагентов, которые образуются или необходимы в данной реакции. Описание количественных отношений между веществами, участвующими в химических реакциях, называется реакционной стехиометрией . 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 массами соотношения, полученные с помощью стехиометрии, можно использовать для определения массовых количеств в реакции, описываемой сбалансированным уравнением. Это называется стехиометрией состава .
Газовая стехиометрия занимается реакциями с участием газов, где газы имеют известные температуру, давление и объем и могут считаться идеальными газами . Для газов соотношение объемов идеально одинаково по закону идеального газа , но массовое соотношение отдельной реакции должно быть рассчитано на основе молекулярных масс реагентов и продуктов. На практике из-за существования изотопов при расчете отношения масс вместо этого используются молярные массы .
СМИ, связанные с химическими веществами, на Викискладе?