Kemiallinen aine - Chemical substance
Kemiallinen aine on muodossa, aineen muuttumattomia kemiallinen koostumus ja erityiset ominaisuudet. Joitakin viittauksia lisätä, että kemiallinen aine ei voida erottaa sen osatekijän elementit fysikaalisilla erotusmenetelmillä, eli rikkomatta kemiallisia sidoksia . Kemialliset aineet voivat olla yksinkertaisia aineita, kemiallisia yhdisteitä tai seoksia . Kemialliset alkuaineet voidaan sisällyttää määritelmään asiantuntijan näkökulmasta riippuen.
Kemiallisia aineita kutsutaan usein "puhtaiksi" erottaakseen ne seoksista . Yleinen esimerkki kemiallisesta aineesta on puhdas vesi ; se on samat ominaisuudet ja sama suhde on vety ja happi , onko se on eristetty joesta tai valmistettu on laboratoriossa . Muita kemiallisia aineita, joita tavallisesti tavataan puhtaassa muodossa, ovat timantti (hiili), kulta , ruokasuola ( natriumkloridi ) ja puhdistettu sokeri ( sakkaroosi ). Käytännössä mikään aine ei kuitenkaan ole täysin puhdasta, ja kemiallinen puhtaus määritetään kemikaalin käyttötarkoituksen mukaan.
Kemialliset aineet ovat kiinteitä aineita , nesteitä , kaasuja tai plasmaa , ja ne voivat muuttua näiden ainefaasien välillä lämpötilan tai paineen ja ajan muuttuessa . Kemialliset aineet voidaan yhdistää tai muuttaa muiksi kemiallisten reaktioiden avulla .
Määritelmä
Kemiallinen aine voidaan hyvin määritellä "mitä tahansa materiaalia, jolla on tietty kemiallinen koostumus" yleisen kemian johdanto -oppikirjassa. Tämän määritelmän mukaan kemiallinen aine voi olla joko puhdas kemiallinen alkuaine tai puhdas kemiallinen yhdiste. Tästä määritelmästä on kuitenkin poikkeuksia; puhdas aine voidaan myös määritellä aineeksi, jolla on sekä selkeä koostumus että erilaiset ominaisuudet. Kemiallisen aineen indeksi julkaissut CAS sisältää myös useita seokset epävarma koostumuksen. Ei-stökiometriset yhdisteet ovat erityistapaus ( epäorgaanisessa kemiassa ), joka rikkoo vakio koostumuksen lakia, ja niille on joskus vaikeaa vetää raja seoksen ja yhdisteen välillä, kuten palladiumhydridin tapauksessa . Kemikaaleille tai kemiallisille aineille voidaan löytää laajemmat määritelmät, esimerkiksi: "termi" kemiallinen aine "tarkoittaa mitä tahansa orgaanista tai epäorgaanista ainetta, jolla on tietty molekyylinen identiteetti, mukaan lukien - i) mikä tahansa näiden aineiden yhdistelmä, joka esiintyy kokonaan tai osittain kemiallisen reaktion seurauksena tai luonnossa tapahtuvan ".
In geologia , aineiden tasainen koostumus kutsutaan mineraaleja , kun taas fyysinen seokset ( aggregaatit ) useiden mineraalien (eri aineet) on määritelty kiviä . Monet mineraalit kuitenkin liukenevat toisiinsa kiinteiksi liuoksiksi , joten yksittäinen kivi on yhtenäinen aine, vaikka se on seos stökiometrisessä mielessä. Feldspars ovat yleinen esimerkki: anortoklaasi on alkalialumiinisilikaatti, jossa alkalimetalli on vaihdettavissa joko natrium tai kalium.
Lain mukaan "kemialliset aineet" voivat sisältää sekä puhtaita aineita että seoksia, joilla on tietty koostumus tai valmistusmenetelmä. Esimerkiksi EU -asetus REACH määrittelee "yhdestä aineosasta koostuvat aineet", "monikomponenttiset aineet" ja "aineet, joiden koostumus on tuntematon tai vaihteleva". Jälkimmäiset kaksi koostuvat useista kemiallisista aineista; niiden identiteetti voidaan kuitenkin vahvistaa joko suorilla kemiallisilla analyyseillä tai viittaamalla yhteen valmistusprosessiin. Esimerkiksi puuhiili on erittäin monimutkainen, osittain polymeerinen seos, joka voidaan määritellä sen valmistusprosessilla. Siksi, vaikka tarkka kemiallinen identiteetti ei ole tiedossa, tunnistaminen voidaan tehdä riittävän tarkasti. CAS -indeksi sisältää myös seoksia.
Polymeerit esiintyvät lähes aina usean moolimassan molekyylien seoksina, joista kutakin voidaan pitää erillisenä kemiallisena aineena. Polymeeri voidaan kuitenkin määritellä tunnetun esiasteen tai reaktion (reaktioiden) ja moolimassajakauman perusteella . Esimerkiksi, polyeteeniä on sekoitus hyvin pitkiä ketjuja, -CH 2 - toistuvia yksiköitä, ja myydään yleensä useita moolimassajakaumat, LDPE , MDPE , HDPE ja UHMWPE .
Historia
Käsite on "kemiallinen aine" vakiintui myöhään kahdeksastoista-luvulla, kun työskentely kemisti Joseph Proust koostumuksesta joillakin puhtailla kemialliset yhdisteet, kuten kuparikarbonaatti . Hän päättelee, että "Kaikilla yhdisteen näytteillä on sama koostumus; eli kaikilla näytteillä on samat massaosuudet yhdisteessä läsnä olevista elementeistä." Tätä kutsutaan nykyään jatkuvan koostumuksen laiksi . Myöhemmin kehittyessä kemiallisen synteesin menetelmiä erityisesti orgaanisen kemian alalla ; Monien muiden kemiallisten alkuaineiden ja uusien tekniikoiden löytäminen analyyttisen kemian alalla, jota käytetään alkuaineiden ja yhdisteiden eristämiseen ja puhdistamiseen kemikaaleista, mikä johti modernin kemian perustamiseen , käsite määriteltiin kuten useimmissa kemian oppikirjoissa. Tästä määritelmästä on kuitenkin erimielisyyksiä lähinnä siksi, että kemian kirjallisuudessa ilmoitettu suuri määrä kemiallisia aineita on indeksoitava.
Isomerismi aiheutti paljon hämmennystä varhaisille tutkijoille, koska isomeereillä on täsmälleen sama koostumus, mutta ne eroavat atomien kokoonpanosta (järjestelystä). Esimerkiksi bentseenin kemiallisesta identiteetistä spekuloitiin paljon , kunnes Friedrich August Kekulé kuvasi oikean rakenteen . Samoin ajatus stereoisomerismista- että atomit ovat jäykkiä kolmiulotteisia rakenteita ja voivat siten muodostaa isomeerejä, jotka eroavat vain kolmiulotteisesta järjestelystään-oli toinen ratkaiseva askel erilaisten kemiallisten aineiden käsitteen ymmärtämisessä. Esimerkiksi viinihapossa on kolme erillistä isomeeriä, diastereomeeripari, jossa yksi diastereomeeri muodostaa kaksi enantiomeeriä .
Kemialliset alkuaineet
Elementti on kemiallinen aine, joka koostuu tietynlaista atomi ja näin ollen ei voida jakaa alas tai transformoitu kemiallisen reaktion osaksi eri elementin, vaikka se voidaan muuntaa toiseen elementtiin kautta ydinreaktio . Tämä johtuu siitä, että kaikilla alkuaineen näytteen atomeilla on sama määrä protoneja , vaikka ne voivat olla erilaisia isotooppeja , joilla on eri määrä neutroneja .
Vuodesta 2019 lähtien tunnetaan 118 alkuaineita, joista noin 80 on stabiileja - eli ne eivät muutu radioaktiivisen hajoamisen seurauksena muiksi alkuaineiksi. Jotkut alkuaineet voivat esiintyä useamman kuin yhden kemiallisen aineen ( allotrooppien ) muodossa. Esimerkiksi happea esiintyy sekä kaksiatomisena hapena (O 2 ) että otsonina (O 3 ). Suurin osa aineista luokitellaan metalleiksi . Nämä ovat elementtejä, joilla on ominainen kiilto , kuten rauta , kupari ja kulta . Metallit tyypillisesti johtavat sähköä ja lämpöä hyvin, ja ne ovat muokattaviksi ja sitkeää . Noin kymmenkunta alkuaineita, kuten hiili , typpi ja happi , luokitellaan ei-metalleiksi . Ei-metalleilla ei ole edellä kuvattuja metalliominaisuuksia, niillä on myös suuri elektronegatiivisuus ja taipumus muodostaa negatiivisia ioneja . Tietyt elementit, kuten pii, muistuttavat joskus metalleja ja toisinaan muita kuin metalleja, ja ne tunnetaan metalloideina .
Kemialliset yhdisteet
Kemiallinen yhdiste on kemiallinen aine, joka koostuu tietystä atomien tai ionien joukosta . Kaksi tai useampi alkuaine yhdistettynä yhdeksi aineeksi kemiallisen reaktion kautta muodostaa kemiallisen yhdisteen . Kaikki yhdisteet ovat aineita, mutta kaikki aineet eivät ole yhdisteitä.
Kemiallinen yhdiste voi olla joko atomia on sidottu yhteen molekyylien tai kiteitä , joissa atomit, molekyylit tai ionit muodostavat kidehilassa . Pääasiassa hiili- ja vetyatomeihin perustuvia yhdisteitä kutsutaan orgaanisiksi yhdisteiksi ja kaikkia muita epäorgaanisiksi yhdisteiksi . Yhdisteitä, jotka sisältävät sidoksia hiilen ja metallin välillä, kutsutaan organometallisiksi yhdisteiksi .
Yhdisteet, joissa komponentit jakavat elektroneja, tunnetaan kovalenttisina yhdisteinä. Yhdisteet, jotka koostuvat vastakkaisesti varautuneista ioneista, tunnetaan ioniyhdisteinä tai suoloina .
Orgaanisessa kemiassa voi olla useampi kuin yksi kemiallinen yhdiste, jolla on sama koostumus ja molekyylipaino. Yleensä näitä kutsutaan isomeereiksi . Isomeereillä on yleensä olennaisesti erilaisia kemiallisia ominaisuuksia, ja ne voidaan usein eristää spontaanisti keskenään muuttumatta. Yleinen esimerkki on glukoosi vs. fruktoosi . Ensimmäinen on aldehydi , jälkimmäinen on ketoni . Niiden keskinäinen muuntaminen vaatii joko entsymaattista tai happo-emäs-katalyysiä .
Kuitenkin, tautomeerit ovat poikkeus: isomerointi tapahtuu spontaanisti tavallisissa olosuhteissa siten, että saadaan puhdasta ainetta ei voida eristää osaksi sen tautomeerit, vaikka nämä voidaan tunnistaa spektroskooppisesti tai jopa eristää erityisiä ehtoja. Yleinen esimerkki on glukoosi , jolla on avoimen ketjun ja renkaan muodot. Puhdasta avoimen ketjun glukoosia ei voida valmistaa, koska glukoosi syklisoituu spontaanisti hemiasetaaliseen muotoon.
Aineet vs. seokset
Kaikki aine koostuu eri alkuaineista ja kemiallisista yhdisteistä, mutta ne sekoitetaan usein läheisesti toisiinsa. Seokset sisältävät useamman kuin yhden kemiallisen aineen, eikä niillä ole kiinteää koostumusta. Periaatteessa ne voidaan erottaa aineosiksi puhtaasti mekaanisilla prosesseilla. Voi , maaperä ja puu ovat yleisiä esimerkkejä seoksista.
Harmaa rautametalli ja keltainen rikki ovat molemmat kemiallisia alkuaineita, ja ne voidaan sekoittaa keskenään missä tahansa suhteessa, jolloin muodostuu keltaharmaa seos. Mitään kemiallista prosessia ei tapahdu, ja materiaali voidaan tunnistaa seokseksi sen perusteella, että rikki ja rauta voidaan erottaa mekaanisella menetelmällä, kuten magneetin avulla houkutella rauta pois rikkiä.
Sitä vastoin, jos rautaa ja rikkiä kuumennetaan yhdessä tietyssä suhteessa (1 rautaatomi kullekin rikkiatomille tai painon mukaan 56 grammaa (1 mol ) rautaa 32 grammalle (1 mol) rikkiä), kemiallinen reaktio tapahtuu ja muodostuu uusi aine, rauta (II) sulfidiyhdiste , jonka kemiallinen kaava on FeS. Saadulla yhdisteellä on kaikki kemiallisen aineen ominaisuudet, eikä se ole seos. Rauta (II) sulfidilla on omat erityisominaisuutensa, kuten sulamispiste ja liukoisuus , eikä näitä kahta elementtiä voida erottaa normaaleilla mekaanisilla prosesseilla; magneetti ei pysty ottamaan rautaa talteen, koska yhdisteessä ei ole metallista rautaa.
Kemikaalit vastaan kemialliset aineet
Vaikka termi kemiallinen aine on määritelty tekninen termi, joka on samaa kemiallista kemistit, sana kemikaali käytetään yleisesti käyttö Englanti ottaen maailmassa viittaa sekä (puhdas) kemiallisten aineiden ja seosten (usein kutsutaan yhdisteitä ), ja erityisesti kun se on valmistettu tai puhdistettu laboratoriossa tai teollisessa prosessissa. Toisin sanoen kemiallisia aineita, joista esimerkiksi hedelmät ja vihannekset koostuvat luonnollisesti, vaikka ne kasvavatkin villinä, ei yleisessä käytössä kutsuta "kemikaaleiksi". Maissa, joissa vaaditaan tuotteiden ainesosaluettelo, luetellut "kemikaalit" ovat teollisesti tuotettuja "kemiallisia aineita". Sanaa "kemikaali" käytetään usein myös viittaamaan riippuvuutta aiheuttaviin, huumausaineisiin tai mielenmuutoksiin.
Kemianteollisuudessa valmistetut "kemikaalit" ovat kemiallisia aineita, jotka voidaan luokitella tuotantomäärän mukaan irtotavarakemikaaleiksi, hienokemikaaleiksi ja vain tutkimuksessa löydetyiksi kemikaaleiksi:
- Bulkkikemikaaleja valmistetaan erittäin suuria määriä, yleensä erittäin optimoiduilla jatkuvilla prosesseilla ja suhteellisen alhaisella hinnalla.
- Hienoja kemikaaleja valmistetaan kalliilla hinnoilla pieninä määrinä pieniä tilavuussovelluksia varten, kuten biosideja, lääkkeitä ja teknisiä sovelluksia varten tarkoitettuja erikoiskemikaaleja.
- Tutkimuskemikaaleja tuotetaan yksilöllisesti tutkimusta varten, esimerkiksi kun etsitään synteettisiä reittejä tai seulotaan aineita farmaseuttiselle toiminnalle. Itse asiassa niiden grammahinta on erittäin korkea, vaikka niitä ei myydä.
Syynä tuotantomäärien eroon on kemikaalin molekyylirakenteen monimutkaisuus. Bulk -kemikaalit ovat yleensä paljon vähemmän monimutkaisia. Vaikka hienokemikaalit voivat olla monimutkaisempia, monet niistä ovat riittävän yksinkertaisia myytäväksi "rakennuspalikoina" monimutkaisempien kertakäyttöisten molekyylien synteesissä, kuten edellä on mainittu. Kemikaalin tuotanto sisältää paitsi sen synteesin myös sen puhdistamisen synteesiin liittyvien sivutuotteiden ja epäpuhtauksien poistamiseksi. Tuotannon viimeisen vaiheen tulisi olla kemikaalien eräanalyysi, jotta voidaan tunnistaa ja mitata epäpuhtauksien prosenttiosuudet kemikaalin ostajalle. Vaadittu puhtaus ja analyysi riippuvat sovelluksesta, mutta epäpuhtauksien siedettävyyttä odotetaan yleensä suurempien kemikaalien valmistuksessa. Näin ollen kemikaalin käyttäjä Yhdysvalloissa voi valita irtotavarana tai "teknisenä laatuna", jossa on enemmän epäpuhtauksia, tai paljon puhtaammasta "farmaseuttisesta laadusta" (merkitty "USP", United States Pharmacopeia ). "Kemikaalit" kaupallisessa ja oikeudellisessa mielessä voivat sisältää myös seoksia, joiden koostumus on hyvin vaihteleva, koska ne ovat teknisten eritelmien mukaisesti valmistettuja tuotteita tiettyjen kemiallisten aineiden sijasta. Esimerkiksi bensiini ei ole yksittäinen kemiallinen yhdiste tai edes erityinen seos: eri bensiinien kemialliset koostumukset voivat olla hyvin erilaisia, koska "bensiini" määritellään ensisijaisesti lähteen, ominaisuuksien ja oktaaniluvun perusteella .
Nimeäminen ja indeksointi
Jokaisella kemiallisella aineella on yksi tai useampia järjestelmällisiä nimiä , jotka on yleensä nimetty IUPACin nimeämissääntöjen mukaisesti . Chemical Abstracts Service (CAS) käyttää vaihtoehtoista järjestelmää .
Monet yhdisteet tunnetaan myös niiden yleisimmillä, yksinkertaisemmilla nimillä, joista monet ovat ennen järjestelmällistä nimeä. Esimerkiksi pitkän tunnettu sokeri glukoosi on nyt nimitetään systemaattisesti 6- (hydroksimetyyli) oksaani-2,3,4,5-tetroli. Luonnontuotteille ja lääkkeille annetaan myös yksinkertaisempia nimiä, esimerkiksi mieto kipulääke Naprokseeni on yleisempi nimi kemialliselle yhdisteelle (S) -6-metoksi-a-metyyli-2-naftaleenietikkahappo.
Kemistit viittaavat usein kemiallisiin yhdisteisiin käyttämällä kemiallisia kaavoja tai yhdisteen molekyylirakennetta . Syntetisoitujen (tai eristettyjen) kemiallisten yhdisteiden määrä on kasvanut ilmiömäisesti, minkä jälkeen ammattikemistit ympäri maailmaa raportoivat tieteellisessä kirjallisuudessa . Tunnettujen kemiallisten alkuaineiden kemiallisen yhdistelmän avulla on mahdollista valtava määrä kemiallisia yhdisteitä. Helmikuusta 2021 lähtien noin "177 miljoonaa orgaanista ja epäorgaanista ainetta" (mukaan lukien 68 miljoonaa määritetyn sekvenssin biopolymeeriä) on tieteellisessä kirjallisuudessa ja rekisteröity julkisiin tietokantoihin. Monien näiden yhdisteiden nimet ovat usein epävirallisia, joten niitä ei ole helppo muistaa tai lainata tarkasti. Niitä on myös vaikea seurata kirjallisuudessa. Useat kansainväliset järjestöt, kuten IUPAC ja CAS, ovat aloittaneet toimenpiteitä tällaisten tehtävien helpottamiseksi. CAS tarjoaa kemiallisen kirjallisuuden abstraktio -palveluja ja antaa numeerisen tunnisteen, joka tunnetaan nimellä CAS -rekisterinumero , jokaiselle kemialliselle aineelle, joka on raportoitu kemiallisessa kirjallisuudessa (kuten kemian aikakauslehdet ja patentit ). Nämä tiedot on koottu tietokantaksi ja tunnetaan yleisesti nimellä kemiallisten aineiden indeksi. Muita tietoihin sopivia järjestelmiä, jotka on kehitetty aineiden tiedoksi, ovat: SMILES ja kansainvälinen kemiallinen tunniste tai InChI.
| Yleinen nimi | Järjestelmällinen nimi | Kemiallinen kaava | Kemiallinen rakenne | CAS -rekisterinumero | InChI |
|---|---|---|---|---|---|
| Alkoholi tai etyylialkoholi |
Etanoli | C 2 H 5 OH |
 |
[64-17-5] | 1/C2H6O/c1-2-3/h3H, 2H2,1H3 |
Eristys, puhdistus, karakterisointi ja tunnistaminen
Usein puhdas aine on eristettävä seoksesta , esimerkiksi luonnollisesta lähteestä (jossa näyte sisältää usein lukuisia kemiallisia aineita) tai kemiallisen reaktion jälkeen (joka usein antaa kemiallisten aineiden seoksia).
Katso myös
- Vaaran symboli
- Homogeeniset ja heterogeeniset seokset
- Kemiallisten alkuaineiden hinnat
- Omistettu biopohjainen kemikaali
- Palotimantti
- Tutkimuskemikaali
Huomautuksia ja viitteitä
Ulkoiset linkit
-
Media, joka liittyy kemiallisiin aineisiin Wikimedia Commonsissa
