Una sustancia química es una forma única de materia con composición química constante y propiedades características . [1] [2] Las sustancias químicas pueden tomar la forma de un solo elemento o de compuestos químicos . Si dos o más sustancias químicas se pueden combinar sin reaccionar , pueden formar una mezcla química . [3] Si se separa una mezcla para aislar una sustancia química en el grado deseado, se dice que la sustancia resultante es químicamente pura . [4]
Las sustancias químicas pueden existir en varios estados o fases físicas diferentes (por ejemplo , sólidos , líquidos , gases o plasma ) sin cambiar su composición química. Las sustancias transitan entre estas fases de la materia en respuesta a cambios de temperatura o presión . Algunas sustancias químicas pueden combinarse o convertirse en nuevas sustancias mediante reacciones químicas . Se dice que las sustancias químicas que no poseen esta capacidad son inertes .
El agua pura es un ejemplo de sustancia química, con una composición constante de dos átomos de hidrógeno unidos a un solo átomo de oxígeno (es decir, H 2 O). La proporción atómica de hidrógeno a oxígeno es siempre de 2:1 en cada molécula de agua. El agua pura tenderá a hervir cerca de los 100 °C (212 °F), un ejemplo de una de las propiedades características que la definen. Otras sustancias químicas notables incluyen el diamante (una forma del elemento carbono ), la sal de mesa (NaCl; un compuesto iónico ) y el azúcar refinada (C 12 H 22 O 11 ; un compuesto orgánico ).
Además de la definición genérica ofrecida anteriormente, existen varios campos especializados en los que el término "sustancia química" puede tener usos alternativos que son ampliamente aceptados, algunos de los cuales se describen en las secciones siguientes.
Chemical Abstracts Service (CAS) enumera varias aleaciones de composición incierta dentro de su índice de sustancias químicas. [5] Si bien una aleación podría definirse más estrechamente como una mezcla , hacer referencia a ellas en el índice de sustancias químicas permite a CAS ofrecer orientación específica sobre la denominación estándar de las composiciones de aleaciones. Otro caso especial de la química inorgánica son los compuestos no estequiométricos , que violan el requisito de una composición constante. Para estas sustancias, puede resultar 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, incluyendo – (i) cualquier combinación de dichas sustancias que se presenten total o parcialmente como resultado de una reacción química o que ocurre en la naturaleza". [6]
En el ámbito de la geología , se conoce como minerales a las sustancias sólidas inorgánicas de composición uniforme . [7] Cuando dos o más minerales se combinan para formar mezclas (o agregados ), se definen como rocas . [8] Muchos minerales, sin embargo, 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 proceso de fabricación definido. Por ejemplo, el reglamento de la UE REACH define "sustancias monoconstituyentes", "sustancias multiconstituyentes" y "sustancias de composición desconocida o variable". Los dos últimos constan de múltiples sustancias químicas; sin embargo, su identidad puede establecerse mediante análisis químico directo o haciendo referencia a un único 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 definirse por un precursor o reacción(es) conocidos y la distribución de masa molar . Por ejemplo, el polietileno es una mezcla de cadenas muy largas de unidades repetidas -CH 2 - y generalmente se vende en varias distribuciones de masa molar, LDPE , MDPE , HDPE y UHMWPE .
El concepto de "sustancia química" quedó firmemente establecido a finales del siglo XVIII tras los trabajos del químico Joseph Proust sobre la composición de algunos compuestos químicos puros como el carbonato básico de cobre . [9] 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 se conoce ahora como la ley de composición constante . [10] Más tarde, con el avance de los métodos de síntesis química , particularmente en el ámbito de la química orgánica ; El descubrimiento de muchos más elementos químicos y nuevas técnicas en el ámbito de la química analítica utilizadas para el aislamiento y purificación de elementos y compuestos de sustancias químicas que llevaron 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, se especuló mucho sobre la identidad química del benceno , hasta que Friedrich August Kekulé describió la estructura correcta . Asimismo, la idea de la estereoisomería (que los átomos tienen una estructura tridimensional rígida y, por lo tanto, pueden formar isómeros que difieren sólo 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 y un diastereómero forma dos enantiómeros .
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 isótopos diferentes , con diferentes números de neutrones .
En 2019, hay 118 elementos conocidos, de los cuales alrededor de 80 son estables, es decir, no se transforman mediante 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 como ozono (O 3 ). La mayoría de elementos se clasifican como metales . Se trata de 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 . [11] Alrededor de 14 a 21 elementos, [12] como el carbono , el nitrógeno y el oxígeno , se clasifican como no metales . Los no metales carecen de las propiedades metálicas descritas anteriormente, además tienen una alta electronegatividad y tendencia a formar iones negativos . Ciertos elementos como el silicio a veces se parecen a los metales y otras veces a los no metales, y se conocen como metaloides .
Un compuesto químico es una sustancia química que está compuesta por un conjunto particular de átomos o iones . Dos o más elementos combinados en una sustancia mediante 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 entre sí 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 formados por iones con cargas opuestas se conocen como compuestos iónicos o sales .
Los complejos de coordinación son compuestos en los que un enlace dativo mantiene unida la sustancia sin un enlace covalente o iónico. Los complejos de coordinación son sustancias distintas con propiedades distintas a las de una mezcla simple. Normalmente, estos tienen un metal, como un ion cobre, en el centro y un átomo no metálico, como el nitrógeno en una molécula de amoníaco o el oxígeno en 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 coordina con el centro se llama "ligando". Sin embargo, no es necesario que el centro sea 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, asume 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. Generalmente, estos se denominan 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 se produce espontáneamente en condiciones normales, de modo que una sustancia pura no puede aislarse en sus tautómeros, aunque éstos puedan 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 .
Toda la materia se compone de diversos elementos y compuestos químicos, pero éstos a menudo están íntimamente mezclados. Las mezclas contienen más de una sustancia química y no tienen una composición fija. La mantequilla , la tierra y la madera son ejemplos habituales de mezclas. A veces, las mezclas se pueden separar en las sustancias que las componen mediante procesos mecánicos , como cromatografía , destilación o evaporación . [13]
El hierro gris metálico y el azufre amarillo son elementos químicos y se pueden mezclar en cualquier proporción para formar una mezcla de color amarillo grisáceo. No se produce ningún proceso químico y el material puede identificarse como una mezcla por el hecho de que el azufre y el hierro se pueden separar mediante un proceso mecánico, como el uso de un imán para alejar el hierro del azufre.
Por el contrario, si el hierro y el azufre se calientan juntos en una proporción determinada (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), una sustancia química Tiene lugar la reacción y se forma una nueva sustancia, el compuesto sulfuro de hierro (II) , de 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.
Si bien el término sustancia química es un término técnico preciso que es sinónimo de sustancia química para los químicos, la palabra sustancia química se usa en el uso general para referirse tanto a sustancias químicas (puras) como a mezclas (a menudo llamadas compuestos ), [14] y especialmente cuando se producen. o purificado en un laboratorio o en un proceso industrial. [15] [16] [17] En otras palabras, las sustancias químicas que componen naturalmente las frutas y verduras, por ejemplo, incluso cuando crecen de forma silvestre no se denominan "químicas" en el uso general. En los países que exigen una lista de ingredientes en los productos, los "químicos" enumerados son "sustancias químicas" producidas industrialmente. La palabra "químico" también se utiliza a menudo para referirse a drogas adictivas, narcóticas o que alteran la mente. [15] [16]
Dentro de la industria química, los "productos químicos" manufacturados son sustancias químicas que pueden clasificarse según el volumen de producción en productos químicos a granel, productos químicos finos y productos químicos que se encuentran únicamente en la investigación:
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 "componentes básicos" en la síntesis de moléculas más complejas destinadas a un solo uso, como se mencionó anteriormente. La producción de una sustancia química incluye no sólo su síntesis sino también su purificación para eliminar los subproductos y las impurezas involucradas 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. podría elegir entre el "grado técnico" o a granel con mayores cantidades de impurezas o un "grado farmacéutico" mucho más puro (etiquetado "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 elaborados según una especificación técnica en lugar de sustancias químicas concretas. Por ejemplo, la gasolina no es un compuesto químico único ni siquiera una mezcla particular: diferentes gasolinas pueden tener composiciones químicas muy diferentes, ya que "gasolina" se define principalmente a través de la fuente, las propiedades y el octanaje .
Cada sustancia química tiene uno o más nombres sistemáticos , generalmente nombrados según las reglas de denominación de la IUPAC . El Chemical Abstracts Service (CAS) utiliza un sistema alternativo .
Muchos compuestos también se conocen por sus nombres más comunes y simples, muchos de los cuales son anteriores al nombre sistemático. Por ejemplo, el conocido azúcar glucosa ahora se denomina sistemáticamente 6-(hidroximetil)oxano-2,3,4,5-tetrol. Los productos naturales y farmacéuticos también reciben nombres más sencillos; por ejemplo, el analgésico suave naproxeno es el nombre más común para el compuesto químico ácido (S)-6-metoxi-α-metil-2-naftalenoacético.
Los químicos frecuentemente se refieren a compuestos químicos utilizando fórmulas químicas o la estructura molecular del compuesto. Ha habido un crecimiento fenomenal en el número de compuestos químicos que se sintetizan (o aíslan) y luego se informan en la literatura científica por químicos profesionales de todo el mundo. [18] Un enorme número de compuestos químicos son posibles mediante la combinación química de los elementos químicos conocidos. En 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 están registradas en bases de datos públicas. [19] 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. Además, es difícil seguirles la pista en la literatura. Varias organizaciones internacionales como la IUPAC y la CAS han iniciado medidas para facilitar estas tareas. CAS proporciona servicios de resumen 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 que se han desarrollado para la información de sustancias son: SMILES y el Identificador Químico Internacional o InChI.
A menudo es necesario aislar una sustancia pura 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).
La estequiometría ( / ˌ s t ɔɪ k i ˈ ɒ m ɪ t r i / ) es la relación entre los pesos de los reactivos y los productos antes, durante y después de las reacciones químicas .
La estequiometría se basa en la ley de conservación de la masa , donde la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos, lo que lleva a la idea de que las relaciones entre cantidades de reactivos y productos suelen formar una proporción de números enteros positivos. Esto significa que si se conocen las cantidades de los reactivos separados, entonces se puede calcular la cantidad del producto. Por el contrario, si un reactivo tiene una cantidad conocida y la cantidad de los productos se puede determinar empíricamente, entonces también se puede calcular la cantidad de los otros reactivos.
Esto se ilustra en la imagen aquí, donde la ecuación balanceada es:
Aquí, una molécula de metano reacciona con dos moléculas de oxígeno gaseoso para producir una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua . Esta ecuación química particular es un ejemplo de combustión completa. La estequiometría mide estas relaciones cuantitativas y se utiliza para determinar la cantidad de productos y reactivos que se producen o se necesitan en una reacción determinada. Describir las relaciones cuantitativas entre sustancias a medida que participan en reacciones químicas se conoce como estequiometría de reacción . En el ejemplo anterior, la estequiometría de reacción mide la relación entre las cantidades de metano y oxígeno que reaccionan para formar dióxido de carbono y agua.
Debido a la bien conocida relación entre moles y pesos atómicos , las proporciones a las que se llega mediante estequiometría se pueden utilizar para determinar cantidades en peso en una reacción descrita mediante una ecuación balanceada. Esto se llama estequiometría de composición .
La estequiometría de gases se ocupa de reacciones que involucran gases, donde los gases están a una temperatura, presión y volumen conocidos y se puede suponer que son gases ideales . Para los gases, la relación de volumen es idealmente la misma según la ley de los gases ideales , pero la relación de masa de una sola reacción debe calcularse a partir de las masas moleculares de los reactivos y productos. En la práctica, debido a la existencia de isótopos , se utilizan masas molares para calcular la relación de masas.
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