Sustancia (química)

Una sustancia química es una forma de materia que tiene una composición química constante y propiedades características. Algunas referencias agregan que la sustancia química no puede separarse en sus elementos constituyentes por 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 una sustancia química es el agua pura; tiene las mismas propiedades y la misma proporción de hidrógeno a oxígeno, ya sea aislado de un río o hecho 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 refinada (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 pueden combinarse o convertirse en otras mediante reacciones químicas.

Definición

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, que incluye: (i) cualquier combinación de dichas sustancias que se presente total o parcialmente 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 (diferentes sustancias) 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 REACH de la UE define "sustancias monoconstituyentes", "sustancias multiconstituyentes" y "sustancias de composición desconocida o variable". Los dos últimos consisten en múltiples sustancias químicas; sin embargo, su identidad se puede establecer ya sea por análisis químico directo o por referencia a un solo proceso de fabricación. Por ejemplo, el carbón vegetal es una mezcla parcialmente polimérica extremadamente compleja que puede definirse por 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 conocido o reacción(es) y la distribución de masa molar. Por ejemplo, el polietileno es una mezcla de cadenas muy largas de -CH ₂ - unidades repetitivas 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 fines 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 campo de la química orgánica; el descubrimiento de muchos más elementos químicos y nuevas técnicas en el ámbito de la química analítica utilizada para el aislamiento y la purificación de elementos y compuestos de productos químicos que condujeron 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 es necesario indexar la gran cantidad de sustancias químicas reportadas en la literatura química.

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, hubo mucha especulación sobre la identidad química del benceno, hasta que Friedrich August Kekulé describió la estructura correcta. Asimismo, la idea del estereoisomerismo (que los átomos tienen una estructura tridimensional rígida y, por lo tanto, pueden formar isómeros que difieren solo en su disposición tridimensional) fue otro paso crucial para comprender el concepto de sustancias químicas distintas. Por ejemplo, el ácido tartárico tiene tres isómeros distintos, un par de diastereómeros con un diastereómero que forma dos enantiómeros.

Elementos químicos

Un elemento es una sustancia química formada por un tipo particular de átomo y, por lo tanto, no puede descomponerse ni transformarse mediante una reacción química en un elemento diferente, aunque puede transmutarse en otro elemento mediante una reacción nuclear. Esto se debe a que todos los átomos en una muestra de un elemento tienen el mismo número de protones, aunque pueden ser diferentes isótopos, con diferente número de neutrones.

A partir de 2019, hay 118 elementos conocidos, de los cuales alrededor de 80 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 como oxígeno diatómico (O ₂) y ozono (O ₃). La mayoría de los elementos se clasifican como metales. Son 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 tendencia a formar iones negativos. Ciertos elementos, como el silicio, a veces se parecen a los metales ya veces a los no metales, y se conocen como metaloides.

Compuestos químicos

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.

Los complejos de coordinación son compuestos en los que un enlace dativo mantiene la sustancia unida sin un enlace covalente o iónico. Los complejos de coordinación son sustancias distintas con propiedades distintas diferentes de una mezcla simple. Por lo general, estos tienen un metal, como un ion de cobre, en el centro y un átomo de un no metal, como el nitrógeno en una molécula de amoníaco o el oxígeno en el agua en una molécula de agua, forma un enlace dativo con el centro metálico, por ejemplo, tetraaminocobre (II) sulfato [Cu(NH ₃) ₄ ]SO ₄ ·H ₂ O. El metal se conoce como "centro metálico" y la sustancia que se coordina con el centro se llama "ligando". Sin embargo, el centro no necesita ser un metal, como lo ejemplifica el eterato de trifluoruro de boro BF ₃ OEt ₂, donde el centro de boro altamente ácido de Lewis, pero no metálico, toma el papel del "metal". Si el ligando se une al centro metálico con múltiples átomos, el complejo se llama quelato.

En química orgánica, puede haber más de un compuesto químico con la misma composición y peso molecular. En general, estos se llaman 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 ocurre espontáneamente en condiciones ordinarias, 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

Toda la materia se compone 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. Mantequilla, tierra y 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 ocurre 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 atraer el hierro lejos del azufre.

Por el contrario, si el hierro y el azufre se calientan juntos en una cierta proporción (1 átomo de hierro por cada átomo de azufre, o en peso, 56 gramos (1 mol) de hierro por 32 gramos (1 mol) de azufre), un químico tiene lugar 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 distintas, 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.

Sustancias químicas versus sustancias químicas

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 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 de forma natural, incluso cuando crecen de forma silvestre, no se denominan "productos químicos" en el uso general. En los países que requieren una lista de ingredientes en los productos, los "productos químicos" enumerados 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" fabricados son sustancias químicas que pueden clasificarse por volumen de producción en productos químicos a granel, productos químicos finos y productos químicos que se encuentran solo en 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 produccionde un químico incluye no solo su síntesis sino también su purificación para eliminar los subproductos e impurezas involucrados 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 "grado técnico" o a granel 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 fabricados 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 octanaje.

Nomenclatura e indexación

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

Muchos compuestos también se conocen por sus nombres más simples y comunes, 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 (S)-6-metoxi-α-metil-2-naftalenoacético.

Los químicos frecuentemente se refieren a compuestos químicos usando fórmulas químicas o la estructura molecular del compuesto. Ha habido un crecimiento fenomenal en la cantidad de compuestos químicos que se sintetizan (o aíslan) y luego se informan en la literatura científica por químicos profesionales de todo el mundo. Una enorme cantidad de compuestos químicos son posibles a través de la combinación química de los elementos químicos conocidos. A partir de 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 registradas en bases de datos públicas.Los nombres de muchos de estos compuestos a menudo no son triviales y, por lo tanto, no son muy 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 tales tareas. CAS proporciona los servicios de resúmenes 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 y patentes de química). Esta información se recopila en forma de base de datos y se conoce popularmente como Índice de sustancias químicas. Otros sistemas informáticos amigables que se han desarrollado para la información de sustancias son: SMILES y el Identificador Químico Internacional o InChI.

Nombre común	Nombre sistemático	Fórmula química	Estructura química	Número de registro CAS	InChI
Alcohol oalcohol etílico	Etanol	C2H5OH _ _ _ _		[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 suele contener numerosas sustancias químicas) o después de una reacción química (que a menudo da lugar a mezclas de sustancias químicas).