Substância química - Chemical substance

O vapor e a água líquida são duas formas diferentes da mesma substância química (pura): água.

Uma substância química é uma forma de matéria com composição química e propriedades características constantes . Algumas referências acrescentam que a substância química não pode ser separada em seus elementos constituintes por métodos de separação física, ou seja, sem quebrar ligações químicas . As substâncias químicas podem ser substâncias simples, compostos químicos ou ligas . Os elementos químicos podem ou não ser incluídos na definição, dependendo do ponto de vista do especialista.

As substâncias químicas são freqüentemente chamadas de "puras" para diferenciá-las das misturas . Um exemplo comum de substância química é água pura ; ele tem as mesmas propriedades e a mesma proporção de hidrogênio para oxigênio, quer seja isolado de um rio ou feito em um laboratório . Outras substâncias químicas comumente encontradas na forma pura são diamante (carbono), ouro , sal de cozinha ( cloreto de sódio ) e açúcar refinado ( sacarose ). No entanto, na prática, nenhuma substância é inteiramente pura e a pureza química é especificada de acordo com o uso pretendido do produto químico.

As substâncias químicas existem como sólidos , líquidos , gases ou plasma e podem mudar entre essas fases da matéria com mudanças na temperatura ou pressão e tempo . As substâncias químicas podem ser combinadas ou convertidas em outras por meio de reações químicas .

Definição

Cores de um único produto químico ( vermelho do Nilo ) em diferentes solventes, sob luz visível e UV, mostrando como o produto químico interage dinamicamente com seu ambiente solvente.

Uma substância química pode muito bem ser definida como "qualquer material com uma composição química definida" em um livro introdutório de química geral. De acordo com esta definição, uma substância química pode ser um elemento químico puro ou um composto químico puro. Mas, há exceções a esta definição; uma substância pura também pode ser definida como uma forma de matéria que tem composição definida e propriedades distintas. O índice de substâncias químicas publicado pela CAS também inclui várias ligas de composição incerta. Os compostos não estequiométricos são um caso especial (na química inorgânica ) que viola a lei da composição constante e, para eles, às vezes é difícil traçar a linha entre uma mistura e um composto, como no caso do hidreto de paládio . Definições mais amplas de produtos químicos ou substâncias químicas podem ser encontradas, por exemplo: "o termo 'substância química' significa qualquer substância orgânica ou inorgânica de uma identidade molecular particular, incluindo - (i) qualquer combinação de tais substâncias ocorrendo no todo ou em parte como resultado de uma reação química ou ocorrendo na natureza ".

Em geologia , as substâncias de composição uniforme são chamadas de minerais , enquanto as misturas físicas ( agregados ) de vários minerais (diferentes substâncias) são definidas como rochas . Muitos minerais, no entanto, se dissolvem mutuamente em soluções sólidas , de modo que uma única rocha é uma substância uniforme, apesar de ser uma mistura em termos estequiométricos. Os feldspatos são um exemplo comum: anortoclase é um silicato de alumínio alcalino, onde o metal alcalino é alternadamente sódio ou potássio.

Na lei, "substâncias químicas" podem incluir substâncias puras e misturas com uma composição ou processo de fabricação definidos. Por exemplo, o regulamento da UE REACH define "substâncias monoconstituintes", "substâncias multiconstituintes" e "substâncias de composição desconhecida ou variável". Os dois últimos consistem em várias substâncias químicas; no entanto, sua identidade pode ser estabelecida por análise química direta ou referência a um único processo de fabricação. Por exemplo, o carvão vegetal é uma mistura extremamente complexa parcialmente polimérica que pode ser definida por seu processo de fabricação. Portanto, embora a identidade química exata seja desconhecida, a identificação pode ser feita com uma precisão suficiente. O índice CAS também inclui misturas.

Os polímeros quase sempre aparecem como misturas de moléculas de múltiplas massas molares, cada uma das quais podendo ser considerada uma substância química separada. No entanto, o polímero pode ser definido por um precursor conhecido ou reação (ões) e a distribuição de massa molar . Por exemplo, o polietileno é uma mistura de cadeias muito longas de unidades de repetição -CH 2 e é geralmente vendido em várias distribuições de massa molar, LDPE , MDPE , HDPE e UHMWPE .

História

O conceito de "substância química" tornou-se firmemente estabelecido no final do século XVIII, após o trabalho do químico Joseph Proust sobre a composição de alguns compostos químicos puros, como o carbonato de cobre básico . Ele deduziu que, "Todas as amostras de um composto têm a mesma composição; isto é, todas as amostras têm as mesmas proporções, em massa, dos elementos presentes no composto." Isso agora é conhecido como a lei da composição constante . Mais tarde, com o avanço dos métodos de síntese química, particularmente no domínio da química orgânica ; a descoberta de muitos mais elementos químicos e novas técnicas no reino da química analítica usadas para isolamento e purificação de elementos e compostos de produtos químicos que levaram ao estabelecimento da química moderna , o conceito foi definido como é encontrado na maioria dos livros de química. No entanto, existem algumas controvérsias em relação a essa definição, principalmente porque o grande número de substâncias químicas relatadas na literatura química precisam ser indexadas.

O isomerismo causou muita consternação aos primeiros pesquisadores, uma vez que os isômeros têm exatamente a mesma composição, mas diferem na configuração (arranjo) dos átomos. Por exemplo, houve muita especulação sobre a identidade química do benzeno , até que a estrutura correta foi descrita por Friedrich August Kekulé . Da mesma forma, a ideia de estereoisomeria - que os átomos têm uma estrutura tridimensional rígida e podem, portanto, formar isômeros que diferem apenas em seu arranjo tridimensional - foi outro passo crucial na compreensão do conceito de substâncias químicas distintas. Por exemplo, o ácido tartárico tem três isômeros distintos, um par de diastereômeros com um diastereômero formando dois enantiômeros .

Elementos químicos

Cristais de enxofre nativos. O enxofre ocorre naturalmente como enxofre elementar, em minerais de sulfeto e sulfato e em sulfeto de hidrogênio .

Um elemento é uma substância química composta de um tipo específico de átomo e, portanto, não pode ser decomposta ou transformada por uma reação química em um elemento diferente, embora possa ser transmutada em outro elemento por meio de uma reação nuclear . Isso ocorre porque todos os átomos em uma amostra de um elemento têm o mesmo número de prótons , embora possam ser diferentes isótopos , com diferentes números de nêutrons .

Em 2019, havia 118 elementos conhecidos, cerca de 80 dos quais são estáveis ​​- ou seja, eles não mudam por decaimento radioativo em outros elementos. Alguns elementos podem ocorrer como mais de uma única substância química ( alótropos ). Por exemplo, o oxigênio existe como oxigênio diatômico (O 2 ) e ozônio (O 3 ). A maioria dos elementos são classificados como metais . São elementos com brilho característico , como ferro , cobre e ouro . Os metais normalmente conduzem bem a eletricidade e o calor e são maleáveis e dúcteis . Cerca de uma dúzia de elementos, como carbono , nitrogênio e oxigênio , são classificados como não metais . Os não-metais não possuem as propriedades metálicas descritas acima, eles também têm uma alta eletronegatividade e uma tendência a formar íons negativos . Certos elementos, como o silício, às vezes se assemelham a metais e às vezes se assemelham a não metais, e são conhecidos como metaloides .

Compostos químicos

O ferricianeto de potássio é um composto de potássio, ferro, carbono e nitrogênio; embora contenha ânions cianetos, não os libera e não é tóxico.

Um composto químico é uma substância química composta por um determinado conjunto de átomos ou íons . Dois ou mais elementos combinados em uma substância por meio de uma reação química formam um composto químico . Todos os compostos são substâncias, mas nem todas as substâncias são compostos.

Um composto químico pode ser átomos ligados entre si em moléculas ou cristais nos quais os átomos, moléculas ou íons formam uma rede cristalina . Os compostos baseados principalmente em átomos de carbono e hidrogênio são chamados de compostos orgânicos e todos os outros são chamados de compostos inorgânicos . Os compostos que contêm ligações entre o carbono e um metal são chamados de compostos organometálicos .

Os compostos nos quais os componentes compartilham elétrons são conhecidos como compostos covalentes . Os compostos que consistem em íons com carga oposta são conhecidos como compostos iônicos ou sais .

Em química orgânica, pode haver mais de um composto químico com a mesma composição e peso molecular. Geralmente, eles são chamados de isômeros . Os isômeros geralmente têm propriedades químicas substancialmente diferentes e muitas vezes podem ser isolados sem se interconverter espontaneamente. Um exemplo comum é glicose vs. frutose . O primeiro é um aldeído , o último é uma cetona . Sua interconversão requer catálise enzimática ou ácido-básica .

No entanto, os tautômeros são uma exceção: a isomerização ocorre espontaneamente em condições normais, de forma que uma substância pura não pode ser isolada em seus tautômeros, mesmo que estes possam ser identificados espectroscopicamente ou mesmo isolados em condições especiais. Um exemplo comum é a glicose , que tem formas de cadeia aberta e em anel. Não se pode fabricar glicose de cadeia aberta pura porque a glicose cicliza espontaneamente para a forma hemiacetal .

Substâncias versus misturas

O vidro cranberry, embora pareça homogêneo, é uma mistura que consiste em partículas coloidais de vidro e ouro com cerca de 40  nm de diâmetro, o que lhe confere uma cor vermelha.

Toda a matéria consiste em vários elementos e compostos químicos, mas frequentemente estes estão intimamente misturados. As misturas contêm mais de uma substância química e não têm uma composição fixa. Em princípio, eles podem ser separados nas substâncias componentes por processos puramente mecânicos . Manteiga , solo e madeira são exemplos comuns de misturas.

O metal de ferro cinzento e o enxofre amarelo são elementos químicos e podem ser misturados em qualquer proporção para formar uma mistura amarelo-cinza. Nenhum processo químico ocorre, e o material pode ser identificado como uma mistura pelo fato de que o enxofre e o ferro podem ser separados por um processo mecânico, como o uso de um ímã para atrair o ferro do enxofre.

Em contraste, se ferro e enxofre são aquecidos juntos em uma certa proporção (1 átomo de ferro para cada átomo de enxofre, ou em peso, 56 gramas (1 mol ) de ferro para 32 gramas (1 mol) de enxofre), um produto químico a reação ocorre e uma nova substância é formada, o composto sulfeto de ferro (II) , com fórmula química FeS. O composto resultante tem todas as propriedades de uma substância química e não é uma mistura. O sulfeto de ferro (II) tem suas próprias propriedades distintas, como ponto de fusão e solubilidade , e os dois elementos não podem ser separados usando processos mecânicos normais; um ímã não será capaz de recuperar o ferro, uma vez que não há ferro metálico presente no composto.

Químicos versus substâncias químicas

Produtos químicos em cilindros graduados e béquer.

Embora o termo substância química seja um termo técnico preciso que é sinônimo de químico para químicos, a palavra química é usada no uso geral no mundo de língua inglesa para se referir a substâncias químicas (puras) e misturas (frequentemente chamadas de compostos ) e, especialmente, quando produzidos ou purificados em um laboratório ou um processo industrial. Em outras palavras, as substâncias químicas das quais frutas e vegetais, por exemplo, são compostos naturalmente, mesmo quando crescem silvestres, não são chamadas de "produtos químicos" no uso geral. Em países que exigem uma lista de ingredientes nos produtos, os "produtos químicos" listados são "substâncias químicas" produzidas industrialmente. A palavra "químico" também é freqüentemente usada para se referir a drogas aditivas, narcóticas ou que alteram a mente.

Na indústria química, os "produtos químicos" manufaturados são substâncias químicas, que podem ser classificadas por volume de produção em produtos químicos a granel, produtos químicos finos e produtos químicos encontrados apenas na pesquisa:

  • Os produtos químicos a granel são produzidos em grandes quantidades, geralmente com processos contínuos altamente otimizados e a um preço relativamente baixo.
  • Os produtos químicos finos são produzidos a um alto custo em pequenas quantidades para aplicações especiais de baixo volume, como biocidas, produtos farmacêuticos e produtos químicos especiais para aplicações técnicas.
  • Os produtos químicos de pesquisa são produzidos individualmente para a pesquisa, como na busca por rotas sintéticas ou na triagem de substâncias para a atividade farmacêutica. Com efeito, seu preço por grama é muito alto, embora não sejam vendidos.

A causa da diferença no volume de produção é a complexidade da estrutura molecular do produto químico. Os produtos químicos a granel são geralmente muito menos complexos. Embora os produtos químicos finos possam ser mais complexos, muitos deles são simples o suficiente para serem vendidos como "blocos de construção" na síntese de moléculas mais complexas direcionadas para uso único, como mencionado acima. A produção de um produto químico inclui não apenas sua síntese, mas também sua purificação para eliminar subprodutos e impurezas envolvidas na síntese. A última etapa da produção deve ser a análise dos lotes de lotes de produtos químicos, a fim de identificar e quantificar os percentuais de impurezas para o comprador dos produtos químicos. A pureza e a análise necessárias dependem da aplicação, mas geralmente espera-se uma tolerância mais alta de impurezas na produção de produtos químicos a granel. Assim, o usuário do produto químico nos EUA pode escolher entre a granel ou "grau técnico" com maiores quantidades de impurezas ou um "grau farmacêutico" muito mais puro (rotulado como "USP", Farmacopeia dos Estados Unidos ). "Produtos químicos" no sentido comercial e legal também podem incluir misturas de composição altamente variável, pois são produtos feitos de acordo com uma especificação técnica, em vez de substâncias químicas particulares. Por exemplo, a gasolina não é um único composto químico ou mesmo uma mistura particular: diferentes gasolinas podem ter composições químicas muito diferentes, já que "gasolina" é definida principalmente por meio da fonte, propriedades e índice de octanagem .

Nomenclatura e indexação

Cada substância química tem um ou mais nomes sistemáticos , geralmente nomeados de acordo com as regras de nomenclatura da IUPAC . Um sistema alternativo é usado pelo Chemical Abstracts Service (CAS).

Muitos compostos também são conhecidos por seus nomes mais comuns e mais simples, muitos dos quais anteriores ao nome sistemático. Por exemplo, o conhecido açúcar glicose é agora sistematicamente denominado 6- (hidroximetil) oxano-2,3,4,5-tetrol. Produtos naturais e farmacêuticos também recebem nomes mais simples, por exemplo, o analgésico leve Naproxen é o nome mais comum para o composto químico ácido (S) -6-metoxi-α-metil-2-naftalenoacético.

Os químicos freqüentemente se referem a compostos químicos usando fórmulas químicas ou a estrutura molecular do composto. Tem havido um crescimento fenomenal no número de compostos químicos sendo sintetizados (ou isolados), e então relatados na literatura científica por químicos profissionais em todo o mundo. Um grande número de compostos químicos é possível por meio da combinação química dos elementos químicos conhecidos. Em fevereiro de 2021, cerca de "177 milhões de substâncias orgânicas e inorgânicas" (incluindo 68 milhões de biopolímeros de sequência definida) estavam na literatura científica e registradas em bancos de dados públicos. Os nomes de muitos desses compostos geralmente não são triviais e, portanto, não são muito fáceis de lembrar ou citar com precisão. Também é difícil acompanhá-los na literatura. Várias organizações internacionais como IUPAC e CAS iniciaram etapas para tornar essas tarefas mais fáceis. O CAS fornece os serviços de abstração da literatura química e fornece um identificador numérico, conhecido como número de registro CAS para cada substância química relatada na literatura química (como revistas de química e patentes ). Essas informações são compiladas como um banco de dados e são popularmente conhecidas como índice de substâncias químicas. Outros sistemas amigáveis ​​para computador que foram desenvolvidos para informações sobre substâncias são: SMILES e o Identificador Químico Internacional ou InChI.

Identificação de uma substância química típica
Nome comum Nome sistemático Fórmula química Estrutura química Número de registro CAS InChI
Álcool ou
álcool etílico
Etanol C 2 H 5 OH
Etanol-2D-skeletal.png
[64-17-5] 1 / C2H6O / c1-2-3 / h3H, 2H2,1H3

Isolamento, purificação, caracterização e identificação

Freqüentemente, uma substância pura precisa ser isolada de uma mistura , por exemplo, de uma fonte natural (onde uma amostra geralmente contém várias substâncias químicas) ou após uma reação química (que geralmente dá origem a misturas de substâncias químicas).

Veja também

Notas e referências

links externos