Sustancia química

Una sustancia química es una forma única de materia con una 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 una mezcla se separa para aislar una sustancia química hasta un grado deseado, se dice que la sustancia resultante es químicamente pura . ^[4]

Las sustancias químicas pueden existir en varios estados físicos o fases diferentes (por ejemplo, sólidos , líquidos , gases o plasma ) sin cambiar su composición química. Las sustancias pasan de una fase a otra de la materia en respuesta a cambios de temperatura o presión . Algunas sustancias químicas pueden combinarse o convertirse en nuevas sustancias mediante reacciones químicas . Las sustancias químicas que no poseen esta capacidad se denominan 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, H2O ₎ . La proporción atómica de hidrógeno a oxígeno es siempre 2:1 en cada molécula de agua. El agua pura tiende 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 refinado ₍ C12H22O11 ; _un compuesto orgánico ).

Además de la definición genérica ofrecida anteriormente, existen varios campos específicos en los que el término "sustancia química" puede adoptar usos alternativos que son ampliamente aceptados, algunos de los cuales se describen en las secciones siguientes.

Chemical Abstracts Service (CAS) incluye en su índice de sustancias químicas varias aleaciones de composición incierta. ^[5] Si bien una aleación podría definirse más exactamente como una mezcla , hacer referencia a ellas en el índice de sustancias químicas permite a CAS ofrecer una guía específica sobre la denominación estándar de las composiciones de las aleaciones. Los compuestos no estequiométricos son otro caso especial de la química inorgánica , que violan el requisito de 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 produzcan total o parcialmente como resultado de una reacción química o que se produzcan en la naturaleza". ^[6]

En el campo de la geología , las sustancias sólidas inorgánicas de composición uniforme se conocen como minerales . ^[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.

En derecho, 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". Las dos últimas están formadas por múltiples sustancias químicas; sin embargo, su identidad puede establecerse mediante análisis químico directo o 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, se puede realizar una identificación 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) conocida(s) y la distribución de masa molar . Por ejemplo, el polietileno es una mezcla de cadenas muy largas de unidades repetitivas -CH2- _y generalmente se vende en varias distribuciones de masa molar: LDPE , MDPE , HDPE y UHMWPE .

El concepto de "sustancia química" se estableció firmemente a fines del siglo XVIII después del trabajo 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 ahora se conoce 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 productos químicos 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 la gran cantidad de sustancias químicas reportadas en la literatura de química necesitan ser indexadas.

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 de la estereoisomería (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 en la comprensión del concepto de sustancias químicas distintas. Por ejemplo, el ácido tartárico tiene tres isómeros distintos, un par de diastereómeros con un diastereómero formando 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 sí puede transmutarse en otro elemento mediante una reacción nuclear . Esto se debe a que todos los átomos de una muestra de un elemento tienen el mismo número de protones , aunque pueden ser isótopos diferentes , con diferentes números de neutrones .

A partir de 2019, hay 118 elementos conocidos, de los cuales aproximadamente 80 son estables, es decir, no cambian por desintegración radiactiva en otros elementos. Algunos elementos pueden presentarse como más de una 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 . Estos 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 . ^[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, también tienen una alta electronegatividad y una tendencia a formar iones negativos . Ciertos elementos como el silicio a veces se parecen a los metales y a veces a los no metales, y se conocen como metaloides .

Un compuesto químico es una sustancia química que está formada por 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 estar formado por átomos unidos entre sí en moléculas o por cristales en los que los átomos, las moléculas o los 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 cargas opuestas 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 a las de una mezcla simple. Por lo general, estos tienen un metal, como un ion de cobre, en el centro y un átomo de no metales, 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, sulfato de tetraaminocobre (II) [Cu(NH ₃ ) ₄ ]SO ₄ ·H ₂ O. El metal se conoce como un "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, 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 . La primera es un aldehído y la segunda 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 de cadena abierta pura porque la glucosa se cicla espontáneamente a la forma hemiacetal .

Toda materia está formada por diversos elementos y compuestos químicos, pero estos suelen estar íntimamente mezclados entre sí. Las mezclas contienen más de una sustancia química y no tienen una composición fija. La mantequilla , la tierra y la madera son ejemplos comunes de mezclas. A veces, las mezclas se pueden separar en sus sustancias componentes mediante procesos mecánicos , como la cromatografía , la destilación o la evaporación . ^[13]

El hierro gris metálico y el azufre amarillo son elementos químicos y pueden mezclarse en cualquier proporción para formar una mezcla gris amarillenta. No se produce 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 y separarlo del azufre.

Por el contrario, si se calientan juntos hierro y azufre en una determinada 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), se produce una reacción química 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 distintivas, 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 químico para los químicos, la palabra químico se utiliza 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 purifican en un laboratorio o un proceso industrial. ^{[15] [16] [17]} En otras palabras, las sustancias químicas de las que se componen naturalmente las frutas y verduras, por ejemplo, incluso cuando crecen de forma silvestre, no se denominan "químicos" 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 "químicos" manufacturados son sustancias químicas que, por volumen de producción, se pueden clasificar en productos químicos a granel, productos químicos finos y productos químicos que se encuentran únicamente en investigación:

• Los productos químicos a granel se producen en cantidades muy grandes, normalmente con procesos continuos altamente optimizados y a un precio relativamente bajo.
• Los productos químicos finos se producen a un alto coste 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 fines de investigación, como cuando se buscan rutas sintéticas o se examinan sustancias para determinar su actividad farmacéutica. En efecto, su precio por gramo es muy elevado, aunque no se vendan.

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 producción de un producto químico incluye no solo 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 del producto químico en los EE. UU. puede elegir entre el producto a granel o "grado técnico" 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 elaborados según una especificación técnica en lugar de sustancias químicas particulares. 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 la "gasolina" se define principalmente a través de su origen, propiedades y octanaje .

Cada sustancia química tiene uno o más nombres sistemáticos , que suelen seguir 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 comunes y simples, muchos de los cuales son anteriores al nombre sistemático. Por ejemplo, el azúcar glucosa, conocido desde hace mucho tiempo, ahora se denomina sistemáticamente 6-(hidroximetil)oxano-2,3,4,5-tetrol. Los productos naturales y farmacéuticos también reciben nombres más simples; por ejemplo, el analgésico suave naproxeno es el nombre más común para el compuesto químico ácido (S)-6-metoxi-α-metil-2-naftalenacético.

Los químicos se refieren con frecuencia a los compuestos químicos utilizando fórmulas químicas o la estructura molecular del compuesto. Ha habido un crecimiento fenomenal en la cantidad de compuestos químicos sintetizados (o aislados) y luego reportados en la literatura científica por químicos profesionales de todo el mundo. ^[18] Una enorme cantidad de compuestos químicos son posibles a través de la combinación química de los elementos químicos conocidos. A 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. ^[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 realizar un seguimiento de ellos en la literatura. Varias organizaciones internacionales como IUPAC y CAS han iniciado pasos para facilitar estas tareas. CAS proporciona los servicios de resumen de la literatura química y proporciona un identificador numérico, conocido como número de registro CAS, a cada sustancia química que se ha informado en la literatura química (como revistas de química y patentes ). 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 obtener información sobre sustancias son: SMILES y el Identificador Químico Internacional o InChI.

Identificación de una sustancia química típica

Nombre común	Nombre sistemático	Fórmula química	Estructura química	Número de registro CAS	InChI
Alcohol, o alcohol etílico	Etanol	C2H5OH​​​​		[64-17-5]	1/C2H6O/c1-2-3/h3H,2H2,1H3

A menudo es necesario aislar una sustancia pura de una mezcla , por ejemplo de una fuente natural (donde una muestra a menudo contiene 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 productos antes, durante y después de las reacciones químicas .

La estequiometría se basa en la ley de conservación de la masa , según la cual la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos, lo que lleva a la conclusión de que las relaciones entre las cantidades de reactivos y productos suelen formar una relación de números enteros positivos. Esto significa que si se conocen las cantidades de los reactivos por separado, se puede calcular la cantidad del producto. Por el contrario, si se conoce la cantidad de un reactivo y se puede determinar empíricamente la cantidad de los productos, también se puede calcular la cantidad de los demás reactivos.

Esto se ilustra en la imagen aquí, donde la ecuación balanceada es:

CH4 + 2O2 → _CO2 + _2H2O​​

Aquí, una molécula de metano reacciona con dos moléculas de gas oxígeno para producir una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua . Esta ecuación química en 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. La descripción de las relaciones cuantitativas entre las sustancias a medida que participan en las 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 conocida relación entre moles y pesos atómicos , las proporciones obtenidas mediante estequiometría se pueden utilizar para determinar cantidades en peso en una reacción descrita mediante una ecuación balanceada. Esto se denomina estequiometría de composición .

La estequiometría de gases se ocupa de las 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 masas 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 en su lugar para calcular la relación de masas.

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