Chemische Substanz - Chemical substance

Dampf und flüssiges Wasser sind zwei verschiedene Formen derselben chemischen (reinen) Substanz: Wasser.

Eine chemische Substanz ist eine Form von Materie mit konstanter chemischer Zusammensetzung und charakteristischen Eigenschaften. Einige Referenzen fügen hinzu, dass chemische Substanzen nicht durch physikalische Trennverfahren in ihre Bestandteile zerlegt werden können, dh ohne chemische Bindungen aufzubrechen . Chemische Stoffe können einfache Stoffe, chemische Verbindungen oder Legierungen sein . Chemische Elemente können je nach Expertenmeinung in die Definition eingeschlossen sein oder nicht.

Chemische Stoffe werden oft als „rein“ bezeichnet, um sie von Gemischen zu unterscheiden . Ein übliches Beispiel für eine chemische Substanz ist reines Wasser ; Es hat die gleichen Eigenschaften und das gleiche Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff, egal ob es aus einem Fluss isoliert oder in einem Labor hergestellt wird . Andere chemische Substanzen, die häufig in reiner Form vorkommen, sind Diamant (Kohlenstoff), Gold , Kochsalz ( Natriumchlorid ) und raffinierter Zucker ( Saccharose ). In der Praxis ist jedoch kein Stoff vollständig rein, und die chemische Reinheit wird entsprechend dem beabsichtigten Verwendungszweck der Chemikalie angegeben.

Chemische Substanzen existieren als Feststoffe , Flüssigkeiten , Gase oder Plasma , und können zwischen diesen verändern Phasen der Materie mit Änderungen in der Temperatur oder Druck und Zeit . Chemische Stoffe können durch chemische Reaktionen kombiniert oder in andere umgewandelt werden .

Definition

Farben einer einzelnen Chemikalie ( Nilrot ) in verschiedenen Lösungsmitteln unter sichtbarem und UV-Licht, die zeigen, wie die Chemikalie dynamisch mit ihrer Lösungsmittelumgebung interagiert.

Eine chemische Substanz kann in einem einführenden Lehrbuch der allgemeinen Chemie durchaus als "jeder Stoff mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung" definiert werden . Nach dieser Definition kann ein chemischer Stoff entweder ein reines chemisches Element oder eine reine chemische Verbindung sein. Es gibt jedoch Ausnahmen von dieser Definition; ein reiner Stoff kann auch als eine Form von Materie definiert werden , die sowohl eine bestimmte Zusammensetzung als auch bestimmte Eigenschaften hat. Der von CAS veröffentlichte Chemikalienindex enthält auch mehrere Legierungen mit ungewisser Zusammensetzung. Nichtstöchiometrische Verbindungen sind ein Sonderfall (in der anorganischen Chemie ), der gegen das Gesetz der konstanten Zusammensetzung verstößt, und für sie ist es manchmal schwierig, die Grenze zwischen einer Mischung und einer Verbindung zu ziehen, wie im Fall von Palladiumhydrid . Weitergehende Definitionen von Chemikalien oder chemischen Stoffen sind beispielsweise zu finden: „Der Begriff ‚chemischer Stoff‘ bezeichnet jeden organischen oder anorganischen Stoff einer bestimmten molekularen Identität, einschließlich – (i) jeder Kombination solcher Stoffe, die ganz oder teilweise als ein Ergebnis einer chemischen Reaktion oder in der Natur vorkommen".

In der Geologie werden Stoffe einheitlicher Zusammensetzung als Minerale bezeichnet , während physikalische Gemische ( Aggregate ) mehrerer Minerale (verschiedene Stoffe) als Gesteine ​​bezeichnet werden . Viele Mineralien lösen sich jedoch gegenseitig in feste Lösungen auf , so dass ein einzelnes Gestein eine einheitliche Substanz ist, obwohl es stöchiometrisch ein Gemisch ist. Feldspäte sind ein gängiges Beispiel: Anorthoklas ist ein Alkalialuminiumsilikat, bei dem das Alkalimetall austauschbar entweder Natrium oder Kalium ist.

Unter „chemischen Stoffen“ können im Gesetz sowohl Reinstoffe als auch Gemische mit definierter Zusammensetzung oder Herstellungsverfahren verstanden werden. Beispielsweise definiert die EU- Verordnung REACH „Einkomponentige Stoffe“, „Mehrkomponentige Stoffe“ und „Stoffe unbekannter oder variabler Zusammensetzung“. Die beiden letzteren bestehen aus mehreren chemischen Substanzen; ihre Identität kann jedoch entweder durch direkte chemische Analyse oder durch Bezugnahme auf einen einzelnen Herstellungsprozess festgestellt werden. Zum Beispiel Holzkohle ist eine extrem komplexe, teilweise polymere Mischung , die durch sein Herstellungsverfahren definiert werden. Obwohl die genaue chemische Identität unbekannt ist, kann daher eine Identifizierung mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden. Der CAS-Index umfasst auch Mischungen.

Polymere treten fast immer als Mischungen von Molekülen mit mehreren Molmassen auf, von denen jedes als separate chemische Substanz betrachtet werden könnte. Das Polymer kann jedoch durch eine bekannte Vorstufe oder Reaktion(en) und die Molmassenverteilung definiert sein . Zum Beispiel Polyethylen ist ein Gemisch aus sehr langen Ketten von -CH 2 - Wiederholungseinheiten, und ist in mehreren Molmassenverteilungen, die allgemein verkauft LDPE , MDPE , HDPE und UHMWPE .

Geschichte

Der Begriff einer "chemischen Substanz" wurde Ende des 18. Jahrhunderts nach Arbeiten des Chemikers Joseph Proust über die Zusammensetzung einiger reiner chemischer Verbindungen wie basischem Kupfercarbonat fest etabliert . Er folgerte: "Alle Proben einer Verbindung haben die gleiche Zusammensetzung, dh alle Proben haben die gleichen Massenanteile der in der Verbindung vorhandenen Elemente." Dies ist heute als das Gesetz der konstanten Zusammensetzung bekannt . Später mit der Weiterentwicklung der Methoden der chemischen Synthese insbesondere im Bereich der organischen Chemie ; die Entdeckung vieler weiterer chemischer Elemente und neuer Techniken im Bereich der analytischen Chemie zur Isolierung und Reinigung von Elementen und Verbindungen aus Chemikalien, die zur Etablierung der modernen Chemie führten , wurde das Konzept so definiert, wie es in den meisten Chemielehrbüchern zu finden ist. Es gibt jedoch einige Kontroversen bezüglich dieser Definition, hauptsächlich weil die große Anzahl chemischer Substanzen, über die in der Chemieliteratur berichtet wird, indexiert werden muss.

Isomerie verursachte bei frühen Forschern große Bestürzung, da Isomere genau die gleiche Zusammensetzung haben, sich jedoch in der Konfiguration (Anordnung) der Atome unterscheiden. Zum Beispiel gab es viele Spekulationen über die chemische Identität von Benzol , bis die korrekte Struktur von Friedrich August Kekulé beschrieben wurde . Ebenso war die Idee der Stereoisomerie – dass Atome eine starre dreidimensionale Struktur haben und somit Isomere bilden können, die sich nur in ihrer dreidimensionalen Anordnung unterscheiden – ein weiterer entscheidender Schritt zum Verständnis des Konzepts verschiedener chemischer Substanzen. Zum Beispiel hat Weinsäure drei verschiedene Isomere, ein Paar von Diastereomeren, wobei ein Diastereomer zwei Enantiomere bildet .

Chemische Elemente

Einheimische Schwefelkristalle. Schwefel kommt natürlicherweise als elementarer Schwefel, in Sulfid- und Sulfatmineralien und in Schwefelwasserstoff vor .

Ein Element ist eine chemische Substanz, die aus einer bestimmten Atomart besteht und daher nicht durch eine chemische Reaktion in ein anderes Element zerlegt oder umgewandelt werden kann, obwohl sie durch eine Kernreaktion in ein anderes Element umgewandelt werden kann . Dies liegt daran, dass alle Atome in einer Probe eines Elements die gleiche Anzahl von Protonen haben , obwohl sie unterschiedliche Isotope mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen sein können .

Stand 2019 gibt es 118 bekannte Elemente, von denen etwa 80 stabil sind – das heißt, sie gehen durch radioaktiven Zerfall nicht in andere Elemente über. Einige Elemente können als mehr als eine einzelne chemische Substanz vorkommen ( Allotrope ). Zum Beispiel existiert Sauerstoff sowohl als zweiatomiger Sauerstoff (O 2 ) als auch als Ozon (O 3 ). Die meisten Elemente werden als Metalle klassifiziert . Dies sind Elemente mit einem charakteristischen Glanz wie Eisen , Kupfer und Gold . Metalle leiten Strom und Wärme in der Regel gut und sind formbar und duktil . Etwa ein Dutzend Elemente wie Kohlenstoff , Stickstoff und Sauerstoff werden als Nichtmetalle klassifiziert . Nichtmetallen fehlen die oben beschriebenen metallischen Eigenschaften, sie haben auch eine hohe Elektronegativität und neigen zur Bildung negativer Ionen . Bestimmte Elemente wie Silizium ähneln manchmal Metallen und manchmal Nichtmetallen und werden als Halbmetalle bezeichnet .

Chemische Komponenten

Kaliumferricyanid ist eine Verbindung von Kalium, Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff; Obwohl es Cyanidanionen enthält, setzt es diese nicht frei und ist ungiftig.

Eine chemische Verbindung ist eine chemische Substanz, die aus einer bestimmten Gruppe von Atomen oder Ionen besteht . Zwei oder mehr Elemente, die durch eine chemische Reaktion zu einer Substanz verbunden sind, bilden eine chemische Verbindung . Alle Verbindungen sind Stoffe, aber nicht alle Stoffe sind Verbindungen.

Eine chemische Verbindung können entweder Atome sein, die in Molekülen miteinander verbunden sind, oder Kristalle, in denen Atome, Moleküle oder Ionen ein Kristallgitter bilden . Verbindungen, die hauptsächlich auf Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen basieren, werden als organische Verbindungen bezeichnet , alle anderen werden als anorganische Verbindungen bezeichnet . Verbindungen, die Bindungen zwischen Kohlenstoff und einem Metall enthalten, werden als metallorganische Verbindungen bezeichnet .

Verbindungen, in denen Komponenten Elektronen teilen, werden als kovalente Verbindungen bezeichnet. Verbindungen, die aus entgegengesetzt geladenen Ionen bestehen, werden als ionische Verbindungen oder Salze bezeichnet .

In der organischen Chemie kann es mehr als eine chemische Verbindung mit gleicher Zusammensetzung und gleichem Molekulargewicht geben. Im Allgemeinen werden diese Isomere genannt . Isomere haben normalerweise wesentlich unterschiedliche chemische Eigenschaften und können oft ohne spontane Umwandlung isoliert werden. Ein gängiges Beispiel ist Glukose vs. Fruktose . Ersteres ist ein Aldehyd , letzteres ein Keton . Ihre Umwandlung erfordert entweder eine enzymatische oder eine Säure-Base-Katalyse .

Eine Ausnahme bilden jedoch die Tautomeren : Die Isomerisierung erfolgt unter normalen Bedingungen spontan, so dass eine Reinsubstanz nicht in ihre Tautomeren isoliert werden kann, selbst wenn diese spektroskopisch identifiziert oder sogar unter besonderen Bedingungen isoliert werden können. Ein gängiges Beispiel ist Glucose , die offenkettige und Ringformen aufweist. Reine offenkettige Glucose kann nicht hergestellt werden, da Glucose spontan zur Halbacetalform cyclisiert .

Stoffe versus Gemische

Cranberry Glas, während homogen erscheint, ist eine Mischung , bestehend aus Glas und Gold- Kolloidpartikel von etwa 40  nm im Durchmesser, ist es eine rote Farbe.

Alle Materie besteht aus verschiedenen Elementen und chemischen Verbindungen, die jedoch oft innig miteinander vermischt sind. Gemische enthalten mehr als eine chemische Substanz und haben keine feste Zusammensetzung. Grundsätzlich lassen sie sich durch rein mechanische Verfahren in die Bestandteile zerlegen . Butter , Erde und Holz sind gängige Beispiele für Mischungen.

Graues Eisenmetall und gelber Schwefel sind beides chemische Elemente und können in jedem Verhältnis miteinander vermischt werden, um eine gelb-graue Mischung zu bilden. Es findet kein chemischer Prozess statt, und das Material kann als Gemisch erkannt werden, indem der Schwefel und das Eisen durch einen mechanischen Prozess getrennt werden können, z. B. mit einem Magneten , um das Eisen vom Schwefel wegzuziehen.

Im Gegensatz dazu, wenn Eisen und Schwefel in einem bestimmten Verhältnis zusammen erhitzt werden (1 Atom Eisen für jedes Schwefelatom oder nach Gewicht 56 Gramm (1 Mol ) Eisen zu 32 Gramm (1 Mol) Schwefel), eine Chemikalie Es findet eine Reaktion statt und es entsteht eine neue Substanz, die Verbindung Eisen(II)-sulfid mit der chemischen Formel FeS. Die resultierende Verbindung hat alle Eigenschaften einer chemischen Substanz und ist kein Gemisch. Eisen(II)-sulfid hat seine eigenen ausgeprägten Eigenschaften wie Schmelzpunkt und Löslichkeit , und die beiden Elemente können mit normalen mechanischen Verfahren nicht getrennt werden; ein Magnet kann das Eisen nicht zurückgewinnen, da kein metallisches Eisen in der Verbindung enthalten ist.

Chemikalien versus chemische Stoffe

Chemikalien in Messzylindern und Bechern.

Während der Begriff chemische Substanz ein präziser Fachbegriff ist , der für Chemiker gleichbedeutend mit chemisch ist , wird das Wort chemisch im allgemeinen Sprachgebrauch im englischen Sprachraum verwendet, um sich sowohl auf (reine) chemische Substanzen als auch auf Gemische (oft als Verbindungen bezeichnet ) zu beziehen , und insbesondere wenn sie in einem Labor oder einem industriellen Verfahren hergestellt oder gereinigt werden. Mit anderen Worten, die chemischen Stoffe, aus denen beispielsweise Obst und Gemüse auch bei Wildwuchs natürlich zusammengesetzt sind, werden im allgemeinen Sprachgebrauch nicht als "Chemikalien" bezeichnet. In Ländern, die eine Liste der Inhaltsstoffe von Produkten verlangen, handelt es sich bei den aufgeführten „Chemikalien“ um industriell hergestellte „chemische Stoffe“. Das Wort "chemisch" wird auch oft verwendet, um sich auf süchtig machende, betäubende oder bewusstseinsverändernde Drogen zu beziehen.

In der chemischen Industrie sind hergestellte "Chemikalien" chemische Stoffe, die nach Produktionsmenge in Bulk-, Feinchemikalien und nur in der Forschung vorkommende Chemikalien eingeteilt werden können:

  • Massenchemikalien werden in sehr großen Mengen hergestellt, meist mit hochoptimierten kontinuierlichen Prozessen und zu einem relativ niedrigen Preis.
  • Feinchemikalien werden mit hohen Kosten in kleinen Mengen für spezielle Kleinserienanwendungen wie Biozide, Pharmazeutika und Spezialchemikalien für technische Anwendungen hergestellt.
  • Forschungschemikalien werden individuell für die Forschung hergestellt, etwa bei der Suche nach Synthesewegen oder beim Screening von Substanzen auf pharmazeutische Aktivität. Tatsächlich ist ihr Grammpreis sehr hoch, obwohl sie nicht verkauft werden.

Die Ursache für den Unterschied im Produktionsvolumen liegt in der Komplexität der molekularen Struktur der Chemikalie. Massenchemikalien sind normalerweise viel weniger komplex. Auch wenn Feinchemikalien komplexer sein können, sind viele von ihnen einfach genug, um als "Bausteine" bei der Synthese komplexerer Moleküle, die wie oben erwähnt für den einmaligen Gebrauch bestimmt sind, verkauft zu werden. Die Herstellung einer Chemikalie umfasst nicht nur ihre Synthese, sondern auch ihre Reinigung, um bei der Synthese beteiligte Nebenprodukte und Verunreinigungen zu entfernen. Der letzte Schritt in der Produktion sollte die Analyse von Chargenchargen von Chemikalien sein, um die Prozentsätze der Verunreinigungen für den Käufer der Chemikalien zu identifizieren und zu quantifizieren. Die erforderliche Reinheit und Analyse hängt von der Anwendung ab, jedoch wird bei der Herstellung von Massenchemikalien in der Regel eine höhere Toleranz gegenüber Verunreinigungen erwartet. Somit kann der Anwender der Chemikalie in den USA zwischen der Bulk- oder "Technical Grade" mit höheren Mengen an Verunreinigungen oder einer viel reineren "Pharmazeutical Grade" (mit der Bezeichnung "USP", United States Pharmacopeia ) wählen . "Chemikalien" im kaufmännischen und rechtlichen Sinne können auch Gemische unterschiedlichster Zusammensetzung umfassen, da es sich um Produkte nach technischer Spezifikation anstelle bestimmter chemischer Stoffe handelt. Zum Beispiel Benzin ist nicht eine einzige chemische Verbindung oder sogar eine bestimmte Mischung: verschiedene Benzine chemische Zusammensetzungen sehr unterschiedlich haben können, als „Benzin“ in erster Linie durch Quelle, Eigenschaften und definierte Oktanzahl .

Benennung und Indizierung

Jeder chemische Stoff hat einen oder mehrere systematische Namen , die normalerweise nach den IUPAC-Bezeichnungsregeln benannt werden . Ein alternatives System wird vom Chemical Abstracts Service (CAS) verwendet.

Viele Verbindungen sind auch unter ihren häufigeren, einfacheren Namen bekannt, von denen viele älter sind als der systematische Name. Beispielsweise wird der seit langem bekannte Zucker Glucose nun systematisch als 6-(Hydroxymethyl)oxan-2,3,4,5-tetrol bezeichnet. Auch Naturstoffe und Pharmazeutika erhalten einfachere Bezeichnungen, beispielsweise ist das milde Schmerzmittel Naproxen die gebräuchlichere Bezeichnung für die chemische Verbindung (S)-6-Methoxy-α-methyl-2-naphthalin-essigsäure.

Chemiker beziehen sich häufig auf chemische Verbindungen unter Verwendung chemischer Formeln oder der Molekülstruktur der Verbindung. Die Zahl chemischer Verbindungen, die synthetisiert (oder isoliert) und dann von professionellen Chemikern auf der ganzen Welt in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben wurden, ist phänomenal gewachsen . Durch die chemische Kombination der bekannten chemischen Elemente sind eine enorme Zahl chemischer Verbindungen möglich. Ab Februar 2021 sind etwa „177 Millionen organische und anorganische Stoffe“ (darunter 68 Millionen Biopolymere mit definierter Sequenz) in der wissenschaftlichen Literatur und in öffentlichen Datenbanken registriert. Die Namen vieler dieser Verbindungen sind oft nicht trivial und daher nicht sehr leicht zu merken oder genau zu zitieren. Auch ist es schwierig, sie in der Literatur zu verfolgen. Mehrere internationale Organisationen wie IUPAC und CAS haben Schritte eingeleitet, um solche Aufgaben zu erleichtern. CAS stellt die Dienste der chemischen Literatur zu abstrahieren, und liefert einen numerischen Identifikator, bekannt als CAS - Registrierungsnummer an jede chemische Substanz , die in der chemischen Literatur (wie berichtet wurde , Chemie Zeitschriften und Patente ). Diese Informationen werden als Datenbank zusammengestellt und im Volksmund als Chemikalienindex bezeichnet. Andere computerfreundliche Systeme, die für Stoffinformationen entwickelt wurden, sind: SMILES und der International Chemical Identifier oder InChI.

Identifizierung einer typischen chemischen Substanz
Gemeinsamen Namen Systematischer Name Chemische Formel Chemische Struktur CAS-Registrierungsnummer InChI
Alkohol oder
Ethylalkohol
Ethanol C 2 H 5 OH
Ethanol-2D-skelett.png
[64-17-5] 1/C2H6O/c1-2-3/h3H,2H2,1H3

Isolierung, Reinigung, Charakterisierung und Identifizierung

Oft muss ein Reinstoff aus einem Gemisch isoliert werden , zum Beispiel aus einer natürlichen Quelle (wo eine Probe oft zahlreiche chemische Substanzen enthält) oder nach einer chemischen Reaktion (die oft chemische Substanzgemische ergeben).

Siehe auch

Hinweise und Referenzen

Externe Links