Chemische substantie

Kleuren van een enkele chemische stof ( Nijlrood ) in verschillende oplosmiddelen, onder zichtbaar en UV-licht, die laten zien hoe de chemische stof dynamisch interageert met zijn oplosmiddelomgeving.

Een chemische stof kan in een inleidend algemeen scheikundeboek worden gedefinieerd als "elk materiaal met een welomlijnde chemische samenstelling". ^[5] Volgens deze definitie kan een chemische stof een puur chemisch element of een puur chemische verbinding zijn. Maar er zijn uitzonderingen op deze definitie; een zuivere stof kan ook worden gedefinieerd als een vorm van materie die zowel een duidelijke samenstelling als verschillende eigenschappen heeft. ^[6] De door CAS gepubliceerde index van chemische stoffen omvat ook verschillende legeringen met een onzekere samenstelling. ^[7] Niet-stoichiometrische verbindingen zijn een speciaal geval (in de anorganische chemie ) dat in strijd is met de wet van constante samenstelling, en voor hen is het soms moeilijk om de grens te trekken tussen een mengsel en een verbinding, zoals in het geval van palladiumhydride. . Er zijn ruimere definities van chemicaliën of chemische stoffen, bijvoorbeeld: 'de term' chemische stof 'betekent elke organische of anorganische stof met een bepaalde moleculaire identiteit, inclusief - (i) elke combinatie van dergelijke stoffen die geheel of gedeeltelijk voorkomt als een resultaat van een chemische reactie of voorkomend in de natuur ". ^[8]

In de geologie worden stoffen met een uniforme samenstelling mineralen genoemd , terwijl fysische mengsels ( aggregaten ) van verschillende mineralen (verschillende stoffen) worden gedefinieerd als gesteenten . Veel mineralen lossen echter onderling op in vaste oplossingen , zodat een enkel gesteente een uniforme substantie is, ondanks dat het een mengsel is in stoichiometrische termen. Veldspaat is een bekend voorbeeld: anorthoklaas is een alkalimetaalsilicaat, waarbij het alkalimetaal uitwisselbaar natrium of kalium is.

Volgens de wet kunnen "chemische stoffen" zowel zuivere stoffen als mengsels met een gedefinieerde samenstelling of fabricageproces omvatten. De EU- verordening REACH definieert bijvoorbeeld "stoffen met één bestanddeel", "stoffen met meerdere bestanddelen" en "stoffen met onbekende of variabele samenstelling". De laatste twee bestaan ​​uit meerdere chemische stoffen; hun identiteit kan echter worden vastgesteld door middel van directe chemische analyse of door verwijzing naar een enkel fabricageproces. Bijvoorbeeld houtskool is een uiterst complex, gedeeltelijk polymeermengsel dat kan worden gedefinieerd door het fabricageproces. Hoewel de exacte chemische identiteit onbekend is, kan de identificatie daarom met voldoende nauwkeurigheid worden uitgevoerd. De CAS-index omvat ook mengsels.

Polymeren verschijnen bijna altijd als mengsels van moleculen met meerdere molecuulgewichten, die elk als een afzonderlijke chemische stof kunnen worden beschouwd. Het polymeer kan echter worden gedefinieerd door een bekende precursor of reactie (s) en de molaire massaverdeling . Bijvoorbeeld polyethyleen is een mengsel van zeer lange ketens van -CH ₂ - repeterende eenheden en wordt gewoonlijk verkocht in verschillende molaire massaverdeling, LDPE , MDPE , HDPE en UHMWPE .

Het concept van een ‘chemische stof’ werd stevig verankerd aan het einde van de achttiende eeuw nadat de chemicus Joseph Proust had gewerkt aan de samenstelling van enkele zuivere chemische verbindingen, zoals basisch kopercarbonaat . ^[9] Hij leidde hieruit af dat: "Alle monsters van een verbinding dezelfde samenstelling hebben; dat wil zeggen, alle monsters hebben dezelfde massaverhoudingen van de elementen die in de verbinding aanwezig zijn." Dit staat nu bekend als de wet van constante samenstelling . ^[10] Later met de ontwikkeling van methoden voor chemische synthese, met name op het gebied van organische chemie ; de ontdekking van veel meer chemische elementen en nieuwe technieken op het gebied van analytische chemie die worden gebruikt voor het isoleren en zuiveren van elementen en verbindingen uit chemicaliën die hebben geleid tot de oprichting van de moderne chemie , het concept werd gedefinieerd zoals het in de meeste scheikundeboeken wordt aangetroffen. Er zijn echter enkele controverses over deze definitie, voornamelijk omdat het grote aantal chemische stoffen dat in de chemieliteratuur wordt vermeld, moet worden geïndexeerd.

Isomerie veroorzaakte veel opschudding bij vroege onderzoekers, aangezien isomeren precies dezelfde samenstelling hebben, maar verschillen in configuratie (rangschikking) van de atomen. Er werd bijvoorbeeld veel gespeculeerd over de chemische identiteit van benzeen , totdat de juiste structuur werd beschreven door Friedrich August Kekulé . Evenzo was het idee van stereo-isomerie - dat atomen een starre driedimensionale structuur hebben en dus isomeren kunnen vormen die alleen verschillen in hun driedimensionale rangschikking - een andere cruciale stap in het begrijpen van het concept van verschillende chemische stoffen. Bijvoorbeeld wijnsteenzuur drie afzonderlijke isomeren, een paar diastereomeren met één diastereomeer vormen van twee enantiomeren .

Inheemse zwavelkristallen. Zwavel komt van nature voor als elementaire zwavel, in sulfide- en sulfaatmineralen en in waterstofsulfide .

Een element is een chemische substantie die bestaat uit een bepaald soort atoom en kan daarom niet worden afgebroken of omgezet door een chemische reactie in een ander element, hoewel het wel kan worden getransmuteerd in een ander element door middel van een nucleaire reactie . Dit komt doordat alle atomen in een monster van een element hetzelfde aantal protonen hebben , hoewel het verschillende isotopen kunnen zijn , met een verschillend aantal neutronen .

Vanaf 2019 zijn er 118 bekende elementen, waarvan er ongeveer 80 stabiel zijn, dat wil zeggen dat ze door radioactief verval niet veranderen in andere elementen. Sommige elementen kunnen voorkomen als meer dan een enkele chemische stof ( allotropen ). Zuurstof bestaat bijvoorbeeld zowel als diatomische zuurstof (O ₂ ) als als ozon (O ₃ ). De meeste elementen zijn geclassificeerd als metalen . Dit zijn elementen met een karakteristieke glans zoals ijzer , koper en goud . Metalen geleiden elektriciteit en warmte doorgaans goed, en ze zijn buigzaam en taai . ^[11] Ongeveer een dozijn elementen, ^[12] zoals koolstof , stikstof en zuurstof , worden geclassificeerd als niet-metalen . Niet-metalen missen de hierboven beschreven metallische eigenschappen, ze hebben ook een hoge elektronegativiteit en hebben de neiging om negatieve ionen te vormen . Bepaalde elementen, zoals silicium, lijken soms op metalen en soms op niet-metalen, en staan ​​bekend als metalloïden .

Kaliumferricyanide is een verbinding van kalium, ijzer, koolstof en stikstof; hoewel het cyanide-anionen bevat, geeft het ze niet af en is het niet giftig.

Een chemische verbinding is een chemische stof die is samengesteld uit een bepaalde reeks atomen of ionen . Twee of meer elementen die door een chemische reactie tot één stof worden gecombineerd, vormen een chemische verbinding . Alle verbindingen zijn stoffen, maar niet alle stoffen zijn verbindingen.

Een chemische verbinding kan atomen zijn die aan elkaar zijn gebonden in moleculen of kristallen waarin atomen, moleculen of ionen een kristallijn rooster vormen . Verbindingen die voornamelijk op koolstof- en waterstofatomen zijn gebaseerd, worden organische verbindingen genoemd en alle andere worden anorganische verbindingen genoemd . Verbindingen die bindingen tussen koolstof en een metaal bevatten, worden organometaalverbindingen genoemd .

Verbindingen waarin componenten elektronen delen, staan ​​bekend als covalente verbindingen. Verbindingen die bestaan ​​uit tegengesteld geladen ionen staan ​​bekend als ionische verbindingen of zouten .

In de organische chemie kan er meer dan één chemische verbinding zijn met dezelfde samenstelling en hetzelfde molecuulgewicht. Over het algemeen worden dit isomeren genoemd . Isomeren hebben gewoonlijk aanzienlijk verschillende chemische eigenschappen en kunnen vaak worden geïsoleerd zonder spontaan onderling om te zetten. Een bekend voorbeeld is glucose versus fructose . De eerste is een aldehyde , de laatste is een keton . Hun onderlinge omzetting vereist ofwel enzymatische of zuur-base-katalyse .

Echter, tautomeren vormen een uitzondering: de isomerisatie spontaan in normale omstandigheden, zodat een zuivere stof niet kan worden geïsoleerd in zijn tautomeren, zelfs indien deze kunnen worden geïdentificeerd spectroscopisch of zelfs geïsoleerd in de bijzondere voorwaarden. Een bekend voorbeeld is glucose , dat open-keten- en ringvormen heeft. Men kan geen zuivere open-keten glucose produceren omdat glucose spontaan cycliseert naar de hemiacetaal vorm.

Robijnglas weliswaar voorkomt homogene, is een mengsel van glas en goud colloïdale deeltjes van ongeveer 40  nm in diameter, waardoor het een rode kleur.

Alle materie bestaat uit verschillende elementen en chemische verbindingen, maar deze zijn vaak innig met elkaar vermengd. Mengsels bevatten meer dan één chemische stof en hebben geen vaste samenstelling. In principe kunnen ze worden gescheiden in de samenstellende stoffen door puur mechanische processen. Boter , aarde en hout zijn veelvoorkomende voorbeelden van mengsels.

Grijs ijzermetaal en gele zwavel zijn beide chemische elementen en ze kunnen in elke verhouding met elkaar worden gemengd om een ​​geelgrijs mengsel te vormen. Er vindt geen chemisch proces plaats en het materiaal kan als een mengsel worden geïdentificeerd door het feit dat de zwavel en het ijzer kunnen worden gescheiden door een mechanisch proces, zoals het gebruik van een magneet om het ijzer uit de zwavel te trekken.

Als daarentegen ijzer en zwavel samen worden verhit in een bepaalde verhouding (1 atoom ijzer voor elk atoom zwavel, of in gewicht 56 gram (1 mol ) ijzer tot 32 gram (1 mol) zwavel), kan een chemische stof reactie vindt plaats en een nieuwe stof wordt gevormd, de verbinding ijzer (II) sulfide , met chemische formule FeS. De resulterende verbinding heeft alle eigenschappen van een chemische stof en is geen mengsel. IJzer (II) sulfide heeft zijn eigen specifieke eigenschappen, zoals smeltpunt en oplosbaarheid , en de twee elementen kunnen niet worden gescheiden met normale mechanische processen; een magneet zal het ijzer niet kunnen terugwinnen, aangezien er geen metallisch ijzer in de verbinding aanwezig is.

Chemicaliën in maatcilinders en beker.

Hoewel de term chemische stof een precieze technische term is die synoniem is met chemie voor chemici, wordt het woord chemie in het algemeen in de Engelssprekende wereld gebruikt om te verwijzen naar zowel (zuivere) chemische stoffen als mengsels (vaak verbindingen genoemd ), ^{[13 ]} en vooral wanneer geproduceerd of gezuiverd in een laboratorium of een industrieel proces. ^{[14] [15] [16]} Met andere woorden, de chemische stoffen waaruit bijvoorbeeld fruit en groenten van nature zijn samengesteld, zelfs wanneer ze in het wild groeien, worden in het algemeen geen "chemicaliën" genoemd. In landen die een lijst van ingrediënten in producten vereisen, zijn de vermelde "chemicaliën" industrieel geproduceerde "chemische stoffen". Het woord 'chemisch' wordt ook vaak gebruikt om te verwijzen naar verslavende, verdovende of geestverruimende middelen. ^{[14] [15]}

Binnen de chemische industrie zijn gefabriceerde 'chemicaliën' chemische stoffen, die naar productievolume kunnen worden ingedeeld in bulkchemicaliën, fijnchemicaliën en chemicaliën die alleen in onderzoek worden aangetroffen:

• Bulkchemicaliën worden in zeer grote hoeveelheden geproduceerd, meestal met sterk geoptimaliseerde continue processen en tegen een relatief lage prijs.
• Fijnchemicaliën worden tegen hoge kosten in kleine hoeveelheden geproduceerd voor speciale toepassingen met een klein volume, zoals biociden, farmaceutische producten en speciale chemicaliën voor technische toepassingen.
• Onderzoekschemicaliën worden afzonderlijk geproduceerd voor onderzoek, zoals bij het zoeken naar synthetische routes of het screenen van stoffen voor farmaceutische activiteit. In feite is hun prijs per gram erg hoog, hoewel ze niet worden verkocht.

De oorzaak van het verschil in productievolume is de complexiteit van de moleculaire structuur van de chemische stof. Bulkchemicaliën zijn meestal veel minder complex. Hoewel fijnchemicaliën complexer kunnen zijn, zijn veel ervan eenvoudig genoeg om te worden verkocht als "bouwstenen" voor de synthese van complexere moleculen die bedoeld zijn voor eenmalig gebruik, zoals hierboven genoemd. De productie van een chemische stof omvat niet alleen de synthese, maar ook de zuivering om bijproducten en onzuiverheden die bij de synthese betrokken zijn, te verwijderen. De laatste stap in de productie zou de analyse van batchpartijen chemicaliën moeten zijn om de percentages onzuiverheden voor de koper van de chemicaliën te identificeren en te kwantificeren. De vereiste zuiverheid en analyse is afhankelijk van de toepassing, maar bij de productie van bulkchemicaliën wordt doorgaans een hogere tolerantie voor onzuiverheden verwacht. De gebruiker van de chemische stof in de VS zou dus kunnen kiezen tussen bulk of "technische kwaliteit" met grotere hoeveelheden onzuiverheden of een veel zuiverdere "farmaceutische kwaliteit" (aangeduid met "USP", United States Pharmacopeia ). "Chemische stoffen" in commerciële en juridische zin kunnen ook mengsels met sterk wisselende samenstelling omvatten, aangezien het producten zijn die volgens een technische specificatie zijn gemaakt in plaats van bepaalde chemische stoffen. Bijvoorbeeld benzine is geen enkele chemische verbinding of een bepaald mengsel: verschillende benzines kunnen zeer verschillende chemische samenstellingen hebben, als "benzine" wordt hoofdzakelijk bepaald door de bron, eigenschappen en octaangetal .

Elke chemische stof heeft een of meer systematische namen , meestal genoemd volgens de IUPAC-regels voor naamgeving . Een alternatief systeem wordt gebruikt door de Chemical Abstracts Service (CAS).

Veel verbindingen zijn ook bekend onder hun meer algemene, eenvoudigere namen, waarvan er vele ouder zijn dan de systematische naam. Bijvoorbeeld, de lange bekende suiker glucose is nu systematisch genoemd 6- (hydroxymethyl) oxaan-2,3,4,5-tetrol. Natuurlijke producten en geneesmiddelen krijgen ook eenvoudiger namen, zo is de milde pijnstiller Naproxen de meer gebruikelijke naam voor de chemische verbinding (S) -6-methoxy-α-methyl-2-naftaleenazijnzuur.

Chemici verwijzen vaak naar chemische verbindingen met behulp van chemische formules of moleculaire structuur van de verbinding. Er is een fenomenale groei geweest in het aantal chemische verbindingen dat wordt gesynthetiseerd (of geïsoleerd) en vervolgens wordt gerapporteerd in de wetenschappelijke literatuur door professionele chemici over de hele wereld. ^[17] Een enorm aantal chemische verbindingen is mogelijk door de chemische combinatie van de bekende chemische elementen. Sinds februari 2021 zijn er ongeveer "177 miljoen organische en anorganische stoffen" (waaronder 68 miljoen biopolymeren met gedefinieerde sequenties) in de wetenschappelijke literatuur en geregistreerd in openbare databases. ^[18] De namen van veel van deze verbindingen zijn vaak niet triviaal en daarom niet erg gemakkelijk te onthouden of nauwkeurig te citeren. Ook is het moeilijk om ze in de literatuur bij te houden. Verschillende internationale organisaties zoals IUPAC en CAS hebben stappen ondernomen om dergelijke taken gemakkelijker te maken. CAS biedt de abstraheringsdiensten van de chemische literatuur en geeft een numerieke identificatie, bekend als CAS-registratienummer, aan elke chemische stof die in de chemische literatuur is vermeld (zoals scheikundetijdschriften en patenten ). Deze informatie is samengesteld als een database en staat in de volksmond bekend als de chemische stoffenindex. Andere computervriendelijke systemen die zijn ontwikkeld voor informatie over stoffen, zijn: SMILES and the International Chemical Identifier of InChI.

Identificatie van een typische chemische stof

Gemeenschappelijke naam	Systematische naam	Chemische formule	Chemische structuur	CAS-registratienummer	InChI
Alcohol of ethylalcohol	Ethanol	C 2 H 5 OH		[64-17-5]	1 / C2H6O / c1-2-3 / h3H, 2H2,1H3

Vaak moet uit een mengsel een zuivere stof worden geïsoleerd , bijvoorbeeld uit een natuurlijke bron (waar een monster vaak tal van chemische stoffen bevat) of na een chemische reactie (die vaak mengsels van chemische stoffen opleveren).

• Gevaarsymbool
• Homogene en heterogene mengsels
• Prijzen van chemische elementen
• Toegewijde biogebaseerde chemische stof
• Vuur diamant
• Onderzoek chemicaliën

• Media met betrekking tot chemische stoffen op Wikimedia Commons