Sostanza chimica - Chemical substance

Il vapore e l'acqua liquida sono due forme diverse della stessa sostanza chimica (pura): l'acqua.

Una sostanza chimica è una forma di materia avente composizione chimica costante e proprietà caratteristiche. Alcuni riferimenti aggiungono che la sostanza chimica non può essere separata nei suoi elementi costitutivi con metodi di separazione fisica, cioè senza rompere i legami chimici . Le sostanze chimiche possono essere sostanze semplici, composti chimici o leghe . Gli elementi chimici possono o non possono essere inclusi nella definizione, a seconda del punto di vista degli esperti.

Le sostanze chimiche sono spesso chiamate "pure" per distinguerle dalle miscele . Un esempio comune di sostanza chimica è l' acqua pura ; ha le stesse proprietà e lo stesso rapporto tra idrogeno e ossigeno sia che sia isolato da un fiume o prodotto in laboratorio . Altre sostanze chimiche comunemente incontrate in forma pura sono il diamante (carbonio), l' oro , il sale da cucina ( cloruro di sodio ) e lo zucchero raffinato ( saccarosio ). Tuttavia, in pratica, nessuna sostanza è completamente pura e la purezza chimica è specificata in base all'uso previsto della sostanza chimica.

Sostanze chimiche esistono come solidi , liquidi , gas o plasma , e possono variare tra queste fasi della materia con variazioni di temperatura o pressione e tempo . Le sostanze chimiche possono essere combinate o convertite in altre mediante reazioni chimiche .

Definizione

Colori di una singola sostanza chimica ( rosso Nilo ) in diversi solventi, sotto luce visibile e UV, che mostrano come la sostanza chimica interagisce dinamicamente con il suo ambiente solvente.

Una sostanza chimica può essere definita come "qualsiasi materiale con una composizione chimica definita" in un libro di testo introduttivo di chimica generale. Secondo questa definizione una sostanza chimica può essere un elemento chimico puro o un composto chimico puro. Ma ci sono eccezioni a questa definizione; una sostanza pura può anche essere definita come una forma di materia che ha sia una composizione definita che proprietà distinte. L'indice delle sostanze chimiche pubblicato dal CAS comprende anche diverse leghe di composizione incerta. I composti non stechiometrici sono un caso particolare (nella chimica inorganica ) che viola la legge di composizione costante, e per loro a volte è difficile tracciare il confine tra una miscela e un composto, come nel caso dell'idruro di palladio . Si possono trovare definizioni più ampie di sostanze chimiche o sostanze chimiche, ad esempio: "il termine 'sostanza chimica' indica qualsiasi sostanza organica o inorganica di una particolare identità molecolare, compresa: (i) qualsiasi combinazione di tali sostanze presente in tutto o in parte come risultato di una reazione chimica o che si verifica in natura".

In geologia , le sostanze di composizione uniforme sono chiamate minerali , mentre le miscele fisiche ( aggregati ) di più minerali (sostanze diverse) sono definite rocce . Molti minerali, tuttavia, si dissolvono reciprocamente in soluzioni solide , in modo tale che una singola roccia è una sostanza uniforme pur essendo una miscela in termini stechiometrici. I feldspati sono un esempio comune: l' anortoclasio è un silicato di alluminio alcalino, in cui il metallo alcalino è in modo intercambiabile sodio o potassio.

In diritto, le "sostanze chimiche" possono includere sia sostanze pure che miscele con una composizione definita o un processo di fabbricazione. Ad esempio, il regolamento UE REACH definisce "sostanze monocostituente", "sostanze multicostituente" e "sostanze di composizione sconosciuta o variabile". Gli ultimi due sono costituiti da più sostanze chimiche; tuttavia, la loro identità può essere stabilita mediante un'analisi chimica diretta o facendo riferimento a un singolo processo di fabbricazione. Ad esempio, il carbone di legna è una miscela estremamente complessa, parzialmente polimerica, che può essere definita dal suo processo di fabbricazione. Pertanto, sebbene l'identità chimica esatta non sia nota, l'identificazione può essere effettuata con una precisione sufficiente. L'indice CAS include anche le miscele.

I polimeri appaiono quasi sempre come miscele di molecole di più masse molari, ognuna delle quali potrebbe essere considerata una sostanza chimica separata. Tuttavia, il polimero può essere definito da un noto precursore o reazione(i) e dalla distribuzione della massa molare . Ad esempio, il polietilene è una miscela di catene molto lunghe di unità ripetitive -CH 2 ed è generalmente venduto in diverse distribuzioni di massa molare, LDPE , MDPE , HDPE e UHMWPE .

Storia

Il concetto di "sostanza chimica" si affermò saldamente alla fine del XVIII secolo dopo i lavori del chimico Joseph Proust sulla composizione di alcuni composti chimici puri come il carbonato di rame basico . Ha dedotto che "Tutti i campioni di un composto hanno la stessa composizione, cioè tutti i campioni hanno le stesse proporzioni, in massa, degli elementi presenti nel composto". Questa è ora conosciuta come la legge della composizione costante . Successivamente con il progresso dei metodi per la sintesi chimica in particolare nel campo della chimica organica ; la scoperta di molti altri elementi chimici e nuove tecniche nel regno della chimica analitica utilizzate per l'isolamento e la purificazione di elementi e composti da sostanze chimiche che hanno portato alla creazione della chimica moderna , il concetto è stato definito come si trova nella maggior parte dei libri di testo di chimica. Tuttavia, ci sono alcune controversie riguardo a questa definizione principalmente perché il gran numero di sostanze chimiche riportate nella letteratura chimica necessita di essere indicizzato.

L'isomerismo ha causato molta costernazione ai primi ricercatori, poiché gli isomeri hanno esattamente la stessa composizione, ma differiscono nella configurazione (disposizione) degli atomi. Ad esempio, c'erano molte speculazioni sull'identità chimica del benzene , fino a quando la struttura corretta non fu descritta da Friedrich August Kekulé . Allo stesso modo, l'idea di stereoisomeria - che gli atomi hanno una struttura tridimensionale rigida e possono quindi formare isomeri che differiscono solo nella loro disposizione tridimensionale - è stato un altro passo cruciale nella comprensione del concetto di sostanze chimiche distinte. Ad esempio, l'acido tartarico ha tre isomeri distinti, una coppia di diastereomeri con un diastereomero che forma due enantiomeri .

Elementi chimici

Cristalli nativi di zolfo. Lo zolfo si trova naturalmente come zolfo elementare, nei minerali di solfuro e solfato e nell'idrogeno solforato .

Un elemento è una sostanza chimica costituita da un particolare tipo di atomo e quindi non può essere scomposta o trasformata da una reazione chimica in un elemento diverso, sebbene possa essere trasmutata in un altro elemento attraverso una reazione nucleare . Questo perché tutti gli atomi in un campione di un elemento hanno lo stesso numero di protoni , sebbene possano essere isotopi differenti , con differenti numeri di neutroni .

A partire dal 2019, ci sono 118 elementi noti, circa 80 dei quali sono stabili, ovvero non cambiano per decadimento radioattivo in altri elementi. Alcuni elementi possono presentarsi come più di una singola sostanza chimica ( allotropi ). Ad esempio, l'ossigeno esiste sia come ossigeno biatomico (O 2 ) che come ozono (O 3 ). La maggior parte degli elementi sono classificati come metalli . Si tratta di elementi con una lucentezza caratteristica come il ferro , il rame e l' oro . I metalli in genere conducono bene elettricità e calore e sono malleabili e duttili . Circa una dozzina di elementi, come carbonio , azoto e ossigeno , sono classificati come non metalli . I non metalli mancano delle proprietà metalliche sopra descritte, hanno anche un'elevata elettronegatività e una tendenza a formare ioni negativi . Alcuni elementi come il silicio a volte assomigliano ai metalli ea volte assomigliano ai non metalli e sono noti come metalloidi .

Composti chimici

Il ferricianuro di potassio è un composto di potassio, ferro, carbonio e azoto; sebbene contenga anioni di cianuro, non li rilascia ed è atossico.

Un composto chimico è una sostanza chimica composta da un particolare insieme di atomi o ioni . Due o più elementi combinati in una sostanza attraverso una reazione chimica formano un composto chimico . Tutti i composti sono sostanze, ma non tutte le sostanze sono composti.

Un composto chimico può essere costituito da atomi legati insieme in molecole o cristalli in cui atomi, molecole o ioni formano un reticolo cristallino . I composti basati principalmente su atomi di carbonio e idrogeno sono chiamati composti organici e tutti gli altri sono chiamati composti inorganici . I composti che contengono legami tra il carbonio e un metallo sono chiamati composti organometallici .

I composti in cui i componenti condividono gli elettroni sono noti come composti covalenti . I composti costituiti da ioni di carica opposta sono noti come composti ionici o sali .

In chimica organica, può esserci più di un composto chimico con la stessa composizione e peso molecolare. Generalmente, questi sono chiamati isomeri . Gli isomeri di solito hanno proprietà chimiche sostanzialmente diverse e spesso possono essere isolati senza interconversione spontanea. Un esempio comune è il glucosio contro il fruttosio . Il primo è un'aldeide , il secondo è un chetone . La loro interconversione richiede catalisi enzimatica o acido-base .

Tuttavia, i tautomeri sono un'eccezione: l'isomerizzazione avviene spontaneamente in condizioni ordinarie, per cui una sostanza pura non può essere isolata nei suoi tautomeri, anche se questi possono essere identificati spettroscopicamente o addirittura isolati in condizioni particolari. Un esempio comune è il glucosio , che ha forme a catena aperta e ad anello. Non si può produrre glucosio puro a catena aperta perché il glucosio ciclizza spontaneamente nella forma emiacetale .

Sostanze contro miscele

Il vetro al mirtillo rosso , pur apparendo omogeneo, è una miscela costituita da particelle colloidali di vetro e oro di circa 40  nm di diametro, che gli conferiscono un colore rosso.

Tutta la materia è costituita da vari elementi e composti chimici, ma questi sono spesso intimamente mescolati tra loro. Le miscele contengono più di una sostanza chimica e non hanno una composizione fissa. In linea di principio, possono essere separati nelle sostanze componenti mediante processi puramente meccanici . Burro , terra e legno sono esempi comuni di miscele.

Il metallo grigio ferro e lo zolfo giallo sono entrambi elementi chimici e possono essere mescolati insieme in qualsiasi rapporto per formare una miscela giallo-grigia. Non si verifica alcun processo chimico e il materiale può essere identificato come una miscela dal fatto che lo zolfo e il ferro possono essere separati mediante un processo meccanico, ad esempio utilizzando un magnete per attirare il ferro lontano dallo zolfo.

Al contrario, se ferro e zolfo vengono riscaldati insieme in un certo rapporto (1 atomo di ferro per ogni atomo di zolfo, o in peso, 56 grammi (1 mol ) di ferro per 32 grammi (1 mol) di zolfo), una sostanza chimica avviene la reazione e si forma una nuova sostanza, il composto solfuro di ferro(II) , con formula chimica FeS. Il composto risultante ha tutte le proprietà di una sostanza chimica e non è una miscela. Il solfuro di ferro (II) ha le sue proprietà distinte come il punto di fusione e la solubilità e i due elementi non possono essere separati utilizzando i normali processi meccanici; un magnete non sarà in grado di recuperare il ferro, poiché non è presente ferro metallico nel composto.

Prodotti chimici contro sostanze chimiche

Prodotti chimici in cilindri graduati e becher.

Mentre il termine sostanza chimica è un termine tecnico preciso che è sinonimo di chimico per i chimici, la parola chimica è usata nell'uso generale nel mondo di lingua inglese per riferirsi sia alle sostanze chimiche (pure) che alle miscele (spesso chiamate composti ), e soprattutto quando prodotto o purificato in laboratorio o in un processo industriale. In altre parole, le sostanze chimiche di cui frutta e verdura, ad esempio, sono naturalmente composte anche quando crescono spontaneamente, non sono chiamate "sostanze chimiche" nell'uso generale. Nei paesi che richiedono un elenco di ingredienti nei prodotti, le "sostanze chimiche" elencate sono "sostanze chimiche" prodotte industrialmente. La parola "chimico" è spesso usata anche per riferirsi a droghe che creano dipendenza, narcotici o che alterano la mente.

All'interno dell'industria chimica, i "prodotti chimici" fabbricati sono sostanze chimiche, che possono essere classificate in base al volume di produzione in prodotti chimici sfusi, prodotti chimici fini e prodotti chimici trovati solo nella ricerca:

  • I prodotti chimici sfusi vengono prodotti in quantità molto elevate, solitamente con processi continui altamente ottimizzati e a un prezzo relativamente basso.
  • La chimica fine viene prodotta a costi elevati in piccole quantità per applicazioni speciali a basso volume come biocidi, prodotti farmaceutici e prodotti chimici speciali per applicazioni tecniche.
  • I prodotti chimici di ricerca sono prodotti individualmente per la ricerca, ad esempio quando si ricercano percorsi di sintesi o sostanze di screening per l'attività farmaceutica. In effetti, il loro prezzo al grammo è molto alto, anche se non vengono venduti.

La causa della differenza nel volume di produzione è la complessità della struttura molecolare della sostanza chimica. I prodotti chimici sfusi sono generalmente molto meno complessi. Sebbene i prodotti chimici fini possano essere più complessi, molti di essi sono abbastanza semplici da essere venduti come "mattoni" nella sintesi di molecole più complesse mirate per uso singolo, come sopra indicato. La produzione di una sostanza chimica include non solo la sua sintesi ma anche la sua purificazione per eliminare i sottoprodotti e le impurità coinvolte nella sintesi. L'ultima fase della produzione dovrebbe essere l'analisi dei lotti dei lotti di sostanze chimiche al fine di identificare e quantificare le percentuali di impurità per l'acquirente delle sostanze chimiche. La purezza e l'analisi richieste dipendono dall'applicazione, ma nella produzione di prodotti chimici sfusi è solitamente prevista una maggiore tolleranza alle impurità. Pertanto, l'utente della sostanza chimica negli Stati Uniti potrebbe scegliere tra la massa o "grado tecnico" con maggiori quantità di impurità o un "grado farmaceutico" molto più puro (etichettato "USP", United States Pharmacopeia ). Le "sostanze chimiche" in senso commerciale e legale possono comprendere anche miscele di composizione molto variabile, in quanto si tratta di prodotti realizzati secondo una specifica tecnica anziché particolari sostanze chimiche. Ad esempio, la benzina non è un singolo composto chimico e nemmeno una particolare miscela: benzine diverse possono avere composizioni chimiche molto diverse, poiché "benzina" è definita principalmente attraverso la fonte, le proprietà e il numero di ottano .

Denominazione e indicizzazione

Ogni sostanza chimica ha uno o più nomi sistematici , solitamente denominati secondo le regole di denominazione IUPAC . Un sistema alternativo è utilizzato dal Chemical Abstracts Service (CAS).

Molti composti sono anche conosciuti con i loro nomi più comuni e più semplici, molti dei quali precedono il nome sistematico. Ad esempio, il glucosio zucchero noto da tempo è ora sistematicamente chiamato 6-(idrossimetil)ossano-2,3,4,5-tetrol. Ai prodotti naturali e ai prodotti farmaceutici vengono anche dati nomi più semplici, ad esempio il blando analgesico Naproxen è il nome più comune per il composto chimico (S)-6-metossi-α-metil-2-naftalenacetico.

I chimici fanno spesso riferimento a composti chimici utilizzando formule chimiche o struttura molecolare del composto. C'è stata una crescita fenomenale nel numero di composti chimici sintetizzati (o isolati) e poi riportati nella letteratura scientifica dai chimici professionisti di tutto il mondo. Un numero enorme di composti chimici è possibile attraverso la combinazione chimica degli elementi chimici conosciuti. A partire da febbraio 2021, circa "177 milioni di sostanze organiche e inorganiche" (inclusi 68 milioni di biopolimeri a sequenza definita) sono presenti nella letteratura scientifica e registrati in banche dati pubbliche. I nomi di molti di questi composti sono spesso non banali e quindi non molto facili da ricordare o citare con precisione. Inoltre è difficile tenerne traccia nella letteratura. Diverse organizzazioni internazionali come IUPAC e CAS hanno avviato misure per semplificare tali compiti. Il CAS fornisce i servizi di estrazione della letteratura chimica e fornisce un identificatore numerico, noto come numero di registro CAS, a ciascuna sostanza chimica che è stata riportata nella letteratura chimica (come riviste e brevetti di chimica ). Queste informazioni vengono compilate come un database ed è comunemente noto come indice delle sostanze chimiche. Altri sistemi informatici che sono stati sviluppati per le informazioni sulle sostanze sono: SMILES e l' International Chemical Identifier o InChI.

Identificazione di una sostanza chimica tipica
Nome comune Nome sistematico Formula chimica Struttura chimica Numero di registro CAS InChi
Alcool o
alcol etilico
etanolo C 2 H 5 OH
Etanolo-2D-skeletal.png
[64-17-5] 1/C2H6O/c1-2-3/h3H,2H2,1H3

Isolamento, purificazione, caratterizzazione e identificazione

Spesso una sostanza pura necessita di essere isolata da una miscela , ad esempio da una fonte naturale (dove un campione contiene spesso numerose sostanze chimiche) o dopo una reazione chimica (che spesso danno miscele di sostanze chimiche).

Guarda anche

Note e riferimenti

link esterno