Sustancia química - Chemical substance

El vapor y el agua líquida son dos formas diferentes de la misma sustancia química (pura): el agua.

Una sustancia química es una forma de materia que tiene una composición química constante y propiedades características. Algunas referencias añaden que la sustancia química no se puede separar en sus elementos constituyentes mediante métodos de separación física, es decir, sin romper los enlaces químicos . Las sustancias químicas pueden ser sustancias simples, compuestos químicos o aleaciones . Los elementos químicos pueden o no estar incluidos en la definición, según el punto de vista de los expertos.

Las sustancias químicas a menudo se denominan "puras" para diferenciarlas de las mezclas . Un ejemplo común de sustancia química es el agua pura ; tiene las mismas propiedades y la misma proporción de hidrógeno a oxígeno, ya sea que se aísle de un río o se fabrique en un laboratorio . Otras sustancias químicas que se encuentran comúnmente en forma pura son el diamante (carbono), el oro , la sal de mesa ( cloruro de sodio ) y el azúcar refinado ( sacarosa ). Sin embargo, en la práctica, ninguna sustancia es completamente pura y la pureza química se especifica de acuerdo con el uso previsto del producto químico.

Las sustancias químicas existen como sólidos , líquidos , gases o plasma , y pueden cambiar entre estas fases de la materia con cambios de temperatura o presión y tiempo . Las sustancias químicas se pueden combinar o convertir en otras mediante reacciones químicas .

Definición

Colores de una sola sustancia química ( rojo Nilo ) en diferentes disolventes, bajo luz visible y ultravioleta, que muestran cómo la sustancia química interactúa dinámicamente con su entorno de disolvente.

Una sustancia química bien puede definirse como "cualquier material con una composición química definida" en un libro de texto de introducción a la química general. Según esta definición, una sustancia química puede ser un elemento químico puro o un compuesto químico puro. Pero hay excepciones a esta definición; una sustancia pura también se puede definir como una forma de materia que tiene una composición definida y propiedades distintas. El índice de sustancias químicas publicado por CAS también incluye varias aleaciones de composición incierta. Los compuestos no estequiométricos son un caso especial (en química inorgánica ) que viola la ley de composición constante, y para ellos, a veces es difícil trazar la línea entre una mezcla y un compuesto, como en el caso del hidruro de paladio . Se pueden encontrar definiciones más amplias de productos químicos o sustancias químicas, por ejemplo: "el término 'sustancia química' significa cualquier sustancia orgánica o inorgánica de una identidad molecular particular, incluida: (i) cualquier combinación de dichas sustancias que se presente en su totalidad o en parte como como resultado de una reacción química o que ocurre en la naturaleza ".

En geología , las sustancias de composición uniforme se denominan minerales , mientras que las mezclas físicas ( agregados ) de varios minerales (sustancias diferentes) se definen como rocas . Sin embargo, muchos minerales se disuelven mutuamente en soluciones sólidas , de modo que una sola roca es una sustancia uniforme a pesar de ser una mezcla en términos estequiométricos. Los feldespatos son un ejemplo común: la anortoclasa es un silicato de aluminio alcalino, donde el metal alcalino es indistintamente sodio o potasio.

Según la ley, las "sustancias químicas" pueden incluir tanto sustancias puras como mezclas con una composición o un proceso de fabricación definidos. Por ejemplo, el reglamento de la UE REACH define "sustancias monoconstituyentes", "sustancias multiconstituyentes" y "sustancias de composición variable o desconocida". Los dos últimos consisten en múltiples sustancias químicas; sin embargo, su identidad puede establecerse mediante análisis químico directo o referencia a un solo proceso de fabricación. Por ejemplo, el carbón vegetal es una mezcla parcialmente polimérica extremadamente compleja que puede definirse mediante su proceso de fabricación. Por lo tanto, aunque se desconoce la identidad química exacta, la identificación se puede realizar con suficiente precisión. El índice CAS también incluye mezclas.

Los polímeros casi siempre aparecen como mezclas de moléculas de múltiples masas molares, cada una de las cuales podría considerarse una sustancia química separada. Sin embargo, el polímero puede estar definido por un precursor o reacción (s) conocida y la distribución de masa molar . Por ejemplo, el polietileno es una mezcla de cadenas muy largas de -CH 2 - unidades repetidas, y generalmente se vende en varias distribuciones de masa molar, LDPE , MDPE , HDPE y UHMWPE .

Historia

El concepto de "sustancia química" quedó firmemente establecido a finales del siglo XVIII después del trabajo del químico Joseph Proust sobre la composición de algunos compuestos químicos puros como el carbonato de cobre básico . Dedujo que "todas las muestras de un compuesto tienen la misma composición; es decir, todas las muestras tienen las mismas proporciones, en masa, de los elementos presentes en el compuesto". Esto ahora se conoce como la ley de composición constante . Más tarde, con el avance de los métodos de síntesis química, particularmente en el ámbito de la química orgánica ; el descubrimiento de muchos más elementos químicos y nuevas técnicas en el ámbito de la química analítica utilizadas para el aislamiento y la purificación de elementos y compuestos a partir de productos químicos que llevaron al establecimiento de la química moderna , el concepto se definió como se encuentra en la mayoría de los libros de texto de química. Sin embargo, existen algunas controversias con respecto a esta definición principalmente porque la gran cantidad de sustancias químicas reportadas en la literatura química necesitan ser indexadas.

La isomería causó mucha consternación a los primeros investigadores, ya que los isómeros tienen exactamente la misma composición, pero difieren en la configuración (disposición) de los átomos. Por ejemplo, se especuló mucho sobre la identidad química del benceno , hasta que Friedrich August Kekulé describió la estructura correcta . Del mismo modo, la idea de estereoisomería , que los átomos tienen una estructura tridimensional rígida y, por lo tanto, pueden formar isómeros que solo difieren en su disposición tridimensional, fue otro paso crucial en la comprensión del concepto de sustancias químicas distintas. Por ejemplo, el ácido tartárico tiene tres isómeros distintos, un par de diastereómeros con un diastereómero formando dos enantiómeros .

Elementos químicos

Cristales de azufre nativo. El azufre se encuentra naturalmente como azufre elemental, en sulfuros y minerales de sulfato y en sulfuro de hidrógeno .

Un elemento es una sustancia química formada por un tipo particular de átomo y, por lo tanto, no se puede descomponer ni transformar mediante una reacción química en un elemento diferente, aunque se puede transmutar en otro elemento mediante una reacción nuclear . Esto es así porque todos los átomos de una muestra de un elemento tienen el mismo número de protones , aunque pueden ser isótopos diferentes , con diferentes números de neutrones .

A partir de 2019, hay 118 elementos conocidos, aproximadamente 80 de los cuales son estables, es decir, no cambian por desintegración radiactiva en otros elementos. Algunos elementos pueden presentarse como más de una sola sustancia química ( alótropos ). Por ejemplo, el oxígeno existe tanto como oxígeno diatómico (O 2 ) como como ozono (O 3 ). La mayoría de elementos se clasifican como metales . Se trata de elementos con un brillo característico como el hierro , el cobre y el oro . Los metales suelen conducir bien la electricidad y el calor, y son maleables y dúctiles . Alrededor de una docena de elementos, como el carbono , el nitrógeno y el oxígeno , se clasifican como no metales . Los no metales carecen de las propiedades metálicas descritas anteriormente, también tienen una alta electronegatividad y una tendencia a formar iones negativos . Ciertos elementos, como el silicio, a veces se parecen a los metales y a veces a los no metales, y se conocen como metaloides .

Compuestos químicos

El ferricianuro de potasio es un compuesto de potasio, hierro, carbono y nitrógeno; aunque contiene aniones de cianuro, no los libera y no es tóxico.

Un compuesto químico es una sustancia química que se compone de un conjunto particular de átomos o iones . Dos o más elementos combinados en una sustancia a través de una reacción química forman un compuesto químico . Todos los compuestos son sustancias, pero no todas las sustancias son compuestos.

Un compuesto químico puede ser átomos unidos en moléculas o cristales en los que los átomos, moléculas o iones forman una red cristalina . Los compuestos basados ​​principalmente en átomos de carbono e hidrógeno se denominan compuestos orgánicos y todos los demás se denominan compuestos inorgánicos . Los compuestos que contienen enlaces entre el carbono y un metal se denominan compuestos organometálicos .

Los compuestos en los que los componentes comparten electrones se conocen como compuestos covalentes . Los compuestos que consisten en iones con carga opuesta se conocen como compuestos iónicos o sales .

En química orgánica, puede haber más de un compuesto químico con la misma composición y peso molecular. Generalmente, estos se denominan isómeros . Los isómeros suelen tener propiedades químicas sustancialmente diferentes y, a menudo, pueden aislarse sin interconvertirse espontáneamente. Un ejemplo común es la glucosa frente a la fructosa . El primero es un aldehído , el segundo es una cetona . Su interconversión requiere catálisis enzimática o ácido-base .

Sin embargo, los tautómeros son una excepción: la isomerización se produce espontáneamente en condiciones normales, de modo que una sustancia pura no puede aislarse en sus tautómeros, incluso si estos pueden identificarse espectroscópicamente o incluso aislarse en condiciones especiales. Un ejemplo común es la glucosa , que tiene formas de cadena abierta y de anillo. No se puede fabricar glucosa pura de cadena abierta porque la glucosa se cicla espontáneamente a la forma hemiacetal .

Sustancias versus mezclas

El vidrio de arándano, aunque parece homogéneo, es una mezcla que consta de partículas coloidales de vidrio y oro de aproximadamente 40  nm de diámetro, lo que le da un color rojo.

Toda la materia consta de varios elementos y compuestos químicos, pero estos a menudo están íntimamente mezclados. Las mezclas contienen más de una sustancia química y no tienen una composición fija. En principio, pueden separarse en las sustancias componentes mediante procesos puramente mecánicos . La mantequilla , la tierra y la madera son ejemplos comunes de mezclas.

El metal de hierro gris y el azufre amarillo son elementos químicos y se pueden mezclar en cualquier proporción para formar una mezcla amarillo-gris. No se produce ningún proceso químico y el material puede identificarse como una mezcla por el hecho de que el azufre y el hierro pueden separarse mediante un proceso mecánico, como el uso de un imán para alejar el hierro del azufre.

Por el contrario, si el hierro y el azufre se calientan juntos en una determinada proporción (1 átomo de hierro por cada átomo de azufre, o por peso, 56 gramos (1 mol ) de hierro por 32 gramos (1 mol) de azufre), una sustancia química se produce la reacción y se forma una nueva sustancia, el compuesto sulfuro de hierro (II) , con fórmula química FeS. El compuesto resultante tiene todas las propiedades de una sustancia química y no es una mezcla. El sulfuro de hierro (II) tiene sus propias propiedades distintivas, como el punto de fusión y la solubilidad , y los dos elementos no se pueden separar mediante procesos mecánicos normales; un imán no podrá recuperar el hierro, ya que no hay hierro metálico presente en el compuesto.

Productos químicos versus sustancias químicas

Productos químicos en probetas graduadas y vaso de precipitados.

Si bien el término sustancia química es un término técnico preciso que es sinónimo de químico para los químicos, la palabra químico se usa en el uso general en el mundo de habla inglesa para referirse tanto a sustancias químicas (puras) como a mezclas (a menudo llamadas compuestos ), y especialmente cuando se produce o purifica en un laboratorio o en un proceso industrial. En otras palabras, las sustancias químicas de las que las frutas y verduras, por ejemplo, se componen naturalmente, incluso cuando crecen en estado silvestre, no se denominan "sustancias químicas" en el uso general. En los países que requieren una lista de ingredientes en los productos, las "sustancias químicas" enumeradas son "sustancias químicas" producidas industrialmente. La palabra "químico" también se usa a menudo para referirse a drogas adictivas, narcóticas o que alteran la mente.

Dentro de la industria química, los "productos químicos" manufacturados son sustancias químicas, que pueden clasificarse por volumen de producción en productos químicos a granel, productos químicos finos y productos químicos que se encuentran únicamente en la investigación:

  • Los productos químicos a granel se producen en cantidades muy grandes, generalmente con procesos continuos altamente optimizados y a un precio relativamente bajo.
  • Los productos químicos finos se producen a un alto costo en pequeñas cantidades para aplicaciones especiales de bajo volumen, como biocidas, productos farmacéuticos y productos químicos especiales para aplicaciones técnicas.
  • Los productos químicos de investigación se producen individualmente para la investigación, como cuando se buscan rutas sintéticas o se examinan sustancias para la actividad farmacéutica. En efecto, su precio por gramo es muy elevado, aunque no se venden.

La causa de la diferencia en el volumen de producción es la complejidad de la estructura molecular del producto químico. Los productos químicos a granel suelen ser mucho menos complejos. Si bien los productos químicos finos pueden ser más complejos, muchos de ellos son lo suficientemente simples como para venderse como "bloques de construcción" en la síntesis de moléculas más complejas destinadas a un solo uso, como se mencionó anteriormente. La producción de una sustancia química incluye no solo su síntesis, sino también su purificación para eliminar los subproductos y las impurezas involucradas en la síntesis. El último paso en la producción debe ser el análisis de lotes de productos químicos para identificar y cuantificar los porcentajes de impurezas para el comprador de los productos químicos. La pureza y el análisis requeridos dependen de la aplicación, pero generalmente se espera una mayor tolerancia a las impurezas en la producción de productos químicos a granel. Por lo tanto, el usuario de la sustancia química en los EE. UU. Puede elegir entre el volumen o el "grado técnico" con mayores cantidades de impurezas o un "grado farmacéutico" mucho más puro (etiquetado como "USP", Farmacopea de los Estados Unidos ). Los "productos químicos" en el sentido comercial y legal también pueden incluir mezclas de composición muy variable, ya que son productos elaborados con una especificación técnica en lugar de sustancias químicas particulares. Por ejemplo, la gasolina no es un solo compuesto químico o incluso una mezcla particular: diferentes gasolinas pueden tener composiciones químicas muy diferentes, ya que la "gasolina" se define principalmente a través de la fuente, las propiedades y el índice de octanaje .

Nombrar e indexar

Cada sustancia química tiene uno o más nombres sistemáticos , generalmente nombrados de acuerdo con las reglas de denominación de la IUPAC . El Chemical Abstracts Service (CAS) utiliza un sistema alternativo .

Muchos compuestos también se conocen por sus nombres más comunes y simples, muchos de los cuales son anteriores al nombre sistemático. Por ejemplo, la glucosa de azúcar conocida desde hace mucho tiempo ahora se denomina sistemáticamente 6- (hidroximetil) oxano-2,3,4,5-tetrol. Los productos naturales y los productos farmacéuticos también reciben nombres más simples, por ejemplo, el analgésico suave Naproxeno es el nombre más común del compuesto químico ácido (S) -6-metoxi-α-metil-2-naftalenoacético.

Los químicos se refieren con frecuencia a los compuestos químicos mediante fórmulas químicas o la estructura molecular del compuesto. Ha habido un crecimiento fenomenal en la cantidad de compuestos químicos que se sintetizan (o aislan) y luego se informan en la literatura científica por químicos profesionales de todo el mundo. Es posible una enorme cantidad de compuestos químicos mediante la combinación química de los elementos químicos conocidos. En febrero de 2021, alrededor de "177 millones de sustancias orgánicas e inorgánicas" (incluidos 68 millones de biopolímeros de secuencia definida) se encuentran en la literatura científica y están registradas en bases de datos públicas. Los nombres de muchos de estos compuestos a menudo no son triviales y, por lo tanto, no son fáciles de recordar o citar con precisión. También es difícil seguirles la pista en la literatura. Varias organizaciones internacionales como IUPAC y CAS han iniciado pasos para facilitar estas tareas. CAS proporciona los servicios de resumen de la literatura química y proporciona un identificador numérico, conocido como número de registro CAS, para cada sustancia química que se ha informado en la literatura química (como revistas de química y patentes ). Esta información se compila como una base de datos y se conoce popularmente como índice de sustancias químicas. Otros sistemas informáticos que se han desarrollado para la información de sustancias son: SMILES y el Identificador Químico Internacional o InChI.

Identificación de una sustancia química típica
Nombre común Nombre sistemático Fórmula química Estructura química Número de registro CAS InChI
Alcohol o
alcohol etílico
Etanol C 2 H 5 OH
Etanol-2D-esquelético.png
[64-17-5] 1 / C2H6O / c1-2-3 / h3H, 2H2,1H3

Aislamiento, purificación, caracterización e identificación

A menudo, una sustancia pura debe aislarse de una mezcla , por ejemplo, de una fuente natural (donde una muestra a menudo contiene numerosas sustancias químicas) o después de una reacción química (que a menudo da lugar a mezclas de sustancias químicas).

Ver también

notas y referencias

enlaces externos