Chemische Substanz

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

Eine chemische Substanz kann durchaus als "jedes Material mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung" in einem einführenden Lehrbuch zur allgemeinen Chemie definiert werden. ^[5] Nach dieser Definition kann eine chemische Substanz entweder ein reines chemisches Element oder eine reine chemische Verbindung sein. Es gibt jedoch Ausnahmen von dieser Definition; Eine reine Substanz kann auch als eine Form von Materie definiert werden , die sowohl eine bestimmte Zusammensetzung als auch unterschiedliche Eigenschaften aufweist. ^[6] Der von CAS veröffentlichte Index chemischer Substanzen enthält auch mehrere Legierungen mit ungewisser Zusammensetzung. ^[7] 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 Substanzen finden sich beispielsweise: "Der Begriff" chemische Substanz "bezeichnet jede organische oder anorganische Substanz mit einer bestimmten molekularen Identität, einschließlich - (i) jeder Kombination solcher Substanzen, die ganz oder teilweise als vorkommen eine Folge einer chemischen Reaktion oder eines Auftretens in der Natur ". ^[8]

In der Geologie werden Substanzen mit einheitlicher Zusammensetzung als Mineralien bezeichnet , während physikalische Gemische ( Aggregate ) mehrerer Mineralien (verschiedene Substanzen) als Gesteine definiert werden . Viele Mineralien lösen sich jedoch gegenseitig in festen Lösungen auf , so dass ein einzelnes Gestein eine einheitliche Substanz darstellt, obwohl es sich um eine stöchiometrische Mischung handelt. Feldspate sind ein häufiges Beispiel: Anorthoklas ist ein alkalisches Aluminiumsilikat, bei dem das Alkalimetall austauschbar entweder Natrium oder Kalium ist.

Nach dem Gesetz können "chemische Substanzen" sowohl reine Substanzen als auch Gemische mit einer definierten Zusammensetzung oder einem definierten Herstellungsverfahren umfassen. Beispielsweise definiert die EU- Verordnung REACH "monokonstituierende Substanzen", "multikonstituierende Substanzen" und "Substanzen 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. Beispielsweise ist Holzkohle eine äußerst komplexe, teilweise polymere Mischung, die durch ihren Herstellungsprozess definiert werden kann. Obwohl die genaue chemische Identität unbekannt ist, kann die Identifizierung daher mit ausreichender Genauigkeit erfolgen. Der CAS-Index enthält auch Gemische.

Polymere erscheinen fast immer als Gemische von Molekülen mit mehreren Molmassen, von denen jedes als separate chemische Substanz betrachtet werden kann. Das Polymer kann jedoch durch einen bekannten Vorläufer oder eine bekannte Reaktion (en) und die Molmassenverteilung definiert werden . Beispielsweise ist Polyethylen eine Mischung aus sehr langen Ketten von -CH ₂ -Wiederholungseinheiten und wird im Allgemeinen in mehreren Molmassenverteilungen, LDPE , MDPE , HDPE und UHMWPE, verkauft .

Das Konzept einer "chemischen Substanz" wurde im späten 18. Jahrhundert fest etabliert, nachdem der Chemiker Joseph Proust an der Zusammensetzung einiger reiner chemischer Verbindungen wie basischem Kupfercarbonat gearbeitet hatte . ^[9] Er folgerte daraus: "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 Gesetz der konstanten Zusammensetzung bekannt . ^[10] Später mit der Weiterentwicklung von Methoden zur chemischen Synthese, insbesondere im Bereich der organischen Chemie ; Als viele weitere chemische Elemente und neue Techniken im Bereich der analytischen Chemie entdeckt wurden, die zur Isolierung und Reinigung von Elementen und Verbindungen aus Chemikalien verwendet wurden, die zur Etablierung der modernen Chemie führten , wurde das Konzept so definiert, wie es in den meisten Lehrbüchern der Chemie 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.

Die Isomerie bereitete den 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 Friedrich August Kekulé die richtige Struktur beschrieb . 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. Beispielsweise weist Weinsäure drei verschiedene Isomere auf, wobei ein Paar Diastereomere mit einem Diastereomer zwei Enantiomere bildet .

Native Schwefelkristalle. Schwefel kommt auf natürliche Weise als elementarer Schwefel, in Sulfid- und Sulfatmineralien sowie in Schwefelwasserstoff vor .

Ein Element ist eine chemische Substanz, die aus einer bestimmten Art von Atom besteht und daher nicht durch eine chemische Reaktion in ein anderes Element zerlegt oder umgewandelt werden kann, obwohl es 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 es sich um unterschiedliche Isotope mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen handeln kann .

Ab 2019 sind 118 Elemente bekannt, von denen etwa 80 stabil sind - das heißt, sie ändern sich nicht durch radioaktiven Zerfall in andere Elemente. Einige Elemente können als mehr als eine einzelne chemische Substanz ( Allotrope ) auftreten. Beispielsweise liegt Sauerstoff sowohl als zweiatomiger Sauerstoff (O ₂ ) als auch als Ozon (O ₃ ) vor. Die meisten Elemente werden als Metalle klassifiziert . Dies sind Elemente mit einem charakteristischen Glanz wie Eisen , Kupfer und Gold . Metalle leiten Elektrizität und Wärme normalerweise gut und sind formbar und duktil . ^[11] Rund ein Dutzend Elemente ^[12] wie Kohlenstoff , Stickstoff und Sauerstoff werden als Nichtmetalle eingestuft . Nichtmetallen fehlen die oben beschriebenen metallischen Eigenschaften, sie haben auch eine hohe Elektronegativität und eine Tendenz zur Bildung negativer Ionen . Bestimmte Elemente wie Silizium ähneln manchmal Metallen und manchmal Nichtmetallen und werden als Metalloide bezeichnet .

Kaliumferricyanid ist eine Verbindung aus 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 einem bestimmten Satz von Atomen oder Ionen besteht . Zwei oder mehr Elemente, die durch eine chemische Reaktion zu einer Substanz kombiniert werden, bilden eine chemische Verbindung . Alle Verbindungen sind Substanzen, aber nicht alle Substanzen sind Verbindungen.

Eine chemische Verbindung kann entweder Atome sein, die in Molekülen oder Kristallen miteinander verbunden sind, in denen Atome, Moleküle oder Ionen ein Kristallgitter bilden . Verbindungen, die hauptsächlich auf Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen basieren, werden als organische Verbindungen bezeichnet , und 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 derselben Zusammensetzung und demselben Molekulargewicht geben. Im Allgemeinen werden diese Isomere genannt . Isomere haben üblicherweise wesentlich unterschiedliche chemische Eigenschaften und können oft isoliert werden, ohne sich spontan umzuwandeln. Ein häufiges Beispiel ist Glucose vs. Fructose . Ersteres ist ein Aldehyd , letzteres ist ein Keton . Ihre gegenseitige Umwandlung erfordert entweder eine enzymatische oder eine Säure-Base-Katalyse .

Eine Ausnahme bilden jedoch Tautomere : Die Isomerisierung erfolgt unter normalen Bedingungen spontan, so dass eine Reinsubstanz nicht in ihre Tautomere isoliert werden kann, auch wenn diese spektroskopisch identifiziert oder unter besonderen Bedingungen sogar isoliert werden können. Ein häufiges Beispiel ist Glucose , die offenkettig und ringförmig ist. Man kann keine reine offenkettige Glucose herstellen, da Glucose spontan zur Halbacetalform cyclisiert .

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 eng miteinander vermischt sind. Gemische enthalten mehr als eine chemische Substanz und haben keine feste Zusammensetzung. Grundsätzlich können sie durch rein mechanische Prozesse in die Bestandteile getrennt werden. Butter , Erde und Holz sind gängige Beispiele für Mischungen.

Graugussmetall und gelber Schwefel sind beide chemische Elemente und können in jedem Verhältnis zu einer gelbgrauen Mischung zusammengemischt werden. Es findet kein chemischer Prozess statt, und das Material kann als Gemisch identifiziert werden, indem der Schwefel und das Eisen durch einen mechanischen Prozess getrennt werden können, beispielsweise durch Verwendung eines Magneten , um das Eisen vom Schwefel wegzuziehen.

Wenn dagegen Eisen und Schwefel in einem bestimmten Verhältnis (1 Atom Eisen für jedes Schwefelatom oder nach Gewicht 56 g (1 Mol ) Eisen zu 32 g (1 Mol) Schwefel) zusammen erhitzt werden , handelt es sich um eine Chemikalie Die Reaktion findet 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 keine Mischung. Eisen (II) sulfid hat seine eigenen unterschiedlichen Eigenschaften wie Schmelzpunkt und Löslichkeit , und die beiden Elemente können nicht unter Verwendung normaler mechanischer Verfahren getrennt werden. Ein Magnet kann das Eisen nicht zurückgewinnen, da in der Verbindung kein metallisches Eisen vorhanden ist.

Chemikalien in Messzylindern und Becherglas.

Während der Begriff chemische Substanz ein präziser Fachbegriff ist , der für Chemiker gleichbedeutend mit chemisch ist , wird das Wort chemisch im englischsprachigen Raum allgemein verwendet, um sowohl (reine) chemische Substanzen als auch Gemische (oft als Verbindungen bezeichnet ) zu bezeichnen ^{[13 ]} und insbesondere bei Herstellung oder Reinigung in einem Labor oder einem industriellen Verfahren. ^{[14] [15] [16]} Mit anderen Worten, die chemischen Substanzen, aus denen beispielsweise Obst und Gemüse natürlich zusammengesetzt sind, auch wenn sie wild wachsen, werden im allgemeinen Gebrauch nicht als "Chemikalien" bezeichnet. In Ländern, in denen eine Liste der Inhaltsstoffe von Produkten erforderlich ist, handelt es sich bei den aufgeführten "Chemikalien" um industriell hergestellte "chemische Substanzen". Das Wort "chemisch" wird auch häufig verwendet, um süchtig machende, narkotische oder den Geist verändernde Drogen zu bezeichnen. ^{[14] [15]}

In der chemischen Industrie sind hergestellte "Chemikalien" chemische Substanzen, die nach Produktionsvolumen in Massenchemikalien, Feinchemikalien und Chemikalien eingeteilt werden können, die nur in der Forschung gefunden wurden:

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

Die Ursache für den Unterschied im Produktionsvolumen ist die Komplexität der Molekülstruktur der Chemikalie. Massenchemikalien sind normalerweise viel weniger komplex. Während Feinchemikalien komplexer sein können, sind viele von ihnen einfach genug, um als "Bausteine" bei der Synthese komplexerer Moleküle verkauft zu werden, die wie oben erwähnt für den einmaligen Gebrauch bestimmt sind. Die Herstellung einer Chemikalie umfasst nicht nur ihre Synthese, sondern auch ihre Reinigung zur Beseitigung von Nebenprodukten und Verunreinigungen, die an der Synthese beteiligt sind. 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, bei der Herstellung von Massenchemikalien wird jedoch normalerweise eine höhere Toleranz gegenüber Verunreinigungen erwartet. Somit könnte der Benutzer der Chemikalie in den USA zwischen der Masse oder der "technischen Qualität" mit höheren Mengen an Verunreinigungen oder einer viel reineren "pharmazeutischen Qualität" (mit "USP", United States Pharmacopeia ) wählen . "Chemikalien" im kommerziellen und rechtlichen Sinne können auch Gemische mit sehr variabler Zusammensetzung umfassen, da es sich um Produkte handelt, die anstelle bestimmter chemischer Substanzen nach einer technischen Spezifikation hergestellt wurden. Zum Beispiel ist Benzin keine einzelne chemische Verbindung oder gar ein bestimmtes Gemisch: Unterschiedliche Benzine können sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen haben, da "Benzin" hauptsächlich durch Quelle, Eigenschaften und Oktanzahl definiert wird .

Jede chemische Substanz hat einen oder mehrere systematische Namen , die normalerweise gemäß den IUPAC-Regeln für die Benennung benannt werden . Ein alternatives System wird vom Chemical Abstracts Service (CAS) verwendet.

Viele Verbindungen sind auch unter ihren gebräuchlicheren, einfacheren Namen bekannt, von denen viele vor dem systematischen Namen liegen. Zum Beispiel ist die seit langem bekannte Zucker Glukose wird nun systematisch 6- (hydroxymethyl) oxane-2,3,4,5--tetrol benannt. Naturstoffe und Pharmazeutika erhalten auch einfachere Namen, zum Beispiel ist das milde Schmerzmittel Naproxen der gebräuchlichste Name für die chemische Verbindung (S) -6-Methoxy-α-methyl-2-naphthalinessigsäure.

Chemiker beziehen sich häufig auf chemische Verbindungen unter Verwendung chemischer Formeln oder der Molekülstruktur der Verbindung. Die Anzahl der synthetisierten (oder isolierten) chemischen Verbindungen, über die professionelle Chemiker auf der ganzen Welt in der wissenschaftlichen Literatur berichten, hat phänomenal zugenommen . ^[17] Durch die chemische Kombination der bekannten chemischen Elemente ist eine enorme Anzahl chemischer Verbindungen möglich. Bis Februar 2021 sind etwa "177 Millionen organische und anorganische Substanzen" (einschließlich 68 Millionen Biopolymere mit definierter Sequenz) in der wissenschaftlichen Literatur enthalten und in öffentlichen Datenbanken registriert. ^[18] Die Namen vieler dieser Verbindungen sind oft nicht trivial und daher nicht leicht zu merken oder genau zu zitieren. Es ist auch schwierig, sie in der Literatur zu verfolgen. Mehrere internationale Organisationen wie IUPAC und CAS haben Schritte eingeleitet, um solche Aufgaben zu vereinfachen. CAS bietet die Abstraktionsdienste der chemischen Literatur an und stellt für jede chemische Substanz, über die in der chemischen Literatur berichtet wurde (z. B. Chemiezeitschriften und Patente ) , eine numerische Kennung bereit, die als CAS-Registrierungsnummer bezeichnet wird . Diese Informationen werden als Datenbank zusammengestellt und sind im Volksmund als Index für chemische Substanzen bekannt. 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		[64-17-5]	1 / C2H6O / c1-2-3 / h3H, 2H2,1H3

Oft muss eine reine Substanz aus einem Gemisch isoliert werden , beispielsweise aus einer natürlichen Quelle (wo eine Probe häufig zahlreiche chemische Substanzen enthält) oder nach einer chemischen Reaktion (die häufig Gemische chemischer Substanzen ergibt).

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