Chất hóa học

Màu sắc của một hóa chất đơn lẻ ( màu đỏ sông Nile ) trong các dung môi khác nhau, dưới ánh sáng có thể nhìn thấy và tia cực tím, cho thấy cách hóa chất tương tác động với môi trường dung môi của nó.

Một chất hóa học cũng có thể được định nghĩa là "bất kỳ vật liệu nào có thành phần hóa học xác định" trong sách giáo khoa hóa học phổ thông nhập môn. ^[5] Theo định nghĩa này, một chất hóa học có thể là một nguyên tố hóa học tinh khiết hoặc một hợp chất hóa học tinh khiết. Nhưng, có những ngoại lệ đối với định nghĩa này; một chất tinh khiết cũng có thể được định nghĩa là một dạng vật chất vừa có thành phần xác định vừa có các tính chất riêng biệt. ^[6] Chỉ số chất hóa học do CAS công bố cũng bao gồm một số hợp kim có thành phần không chắc chắn. ^[7] Các hợp chất không phân đoạn là một trường hợp đặc biệt (trong hóa học vô cơ ) vi phạm quy luật thành phần không đổi, và đối với chúng, đôi khi rất khó để vẽ ranh giới giữa một hỗn hợp và một hợp chất, như trong trường hợp của hyđrua palađi. . Có thể tìm thấy các định nghĩa rộng hơn về hóa chất hoặc các chất hóa học, ví dụ: "thuật ngữ 'chất hóa học' có nghĩa là bất kỳ chất hữu cơ hoặc vô cơ nào có dạng phân tử cụ thể, bao gồm - (i) bất kỳ sự kết hợp nào của các chất đó xảy ra toàn bộ hoặc một phần như kết quả của một phản ứng hóa học hoặc xảy ra trong tự nhiên ”. ^{[số 8]}

Trong địa chất , các chất có thành phần đồng nhất được gọi là khoáng chất , trong khi hỗn hợp vật lý ( tập hợp ) của một số khoáng chất (các chất khác nhau) được định nghĩa là đá . Tuy nhiên, nhiều khoáng chất hòa tan lẫn nhau thành các dung dịch rắn , như vậy một tảng đá duy nhất là một chất đồng nhất mặc dù là một hỗn hợp theo phương pháp đo phân vị. Fenspat là một ví dụ phổ biến: anorthoclase là một silicat nhôm kiềm, trong đó kim loại kiềm có thể thay thế cho nhau hoặc natri hoặc kali.

Theo luật, "chất hóa học" có thể bao gồm cả chất tinh khiết và hỗn hợp với thành phần hoặc quy trình sản xuất xác định. Ví dụ, quy định REACH của EU xác định "chất đơn chất", "chất đa nhóm" và "chất có thành phần không xác định hoặc thay đổi". Hai chất sau bao gồm nhiều chất hóa học; tuy nhiên, danh tính của chúng có thể được thiết lập bằng cách phân tích hóa học trực tiếp hoặc tham chiếu đến một quy trình sản xuất duy nhất. Ví dụ, than củi là một hỗn hợp cực kỳ phức tạp, một phần polyme có thể được xác định bằng quy trình sản xuất của nó. Do đó, mặc dù danh tính hóa học chính xác vẫn chưa được biết, nhưng việc xác định có thể được thực hiện với độ chính xác vừa đủ. Chỉ số CAS cũng bao gồm các hỗn hợp.

Polyme hầu như luôn luôn xuất hiện dưới dạng hỗn hợp của các phân tử có nhiều khối lượng mol, mỗi chất có thể được coi là một chất hóa học riêng biệt. Tuy nhiên, polyme có thể được xác định bằng tiền chất hoặc (các) phản ứng đã biết và sự phân bố khối lượng mol . Ví dụ, polyetylen là một hỗn hợp của các chuỗi -CH ₂ - các đơn vị lặp lại rất dài , và thường được bán ở một số phân phối khối lượng mol, LDPE , MDPE , HDPE và UHMWPE .

Các khái niệm về một "chất hóa học" đã trở nên thiết lập vững chắc vào cuối thế kỷ XVIII sau giờ làm việc bởi nhà hóa học Joseph Proust trên các thành phần của một số hợp chất hóa học tinh khiết như cacbonat đồng cơ bản . ^[9] Ông suy luận rằng, "Tất cả các mẫu của một hợp chất có cùng thành phần; nghĩa là, tất cả các mẫu đều có cùng tỷ lệ, theo khối lượng, của các nguyên tố có trong hợp chất." Điều này ngày nay được gọi là quy luật thành phần không đổi . ^[10] Sau đó, với sự tiến bộ của các phương pháp tổng hợp hóa học, đặc biệt là trong lĩnh vực hóa học hữu cơ ; Việc phát hiện ra nhiều nguyên tố hóa học hơn và các kỹ thuật mới trong lĩnh vực hóa học phân tích được sử dụng để phân lập và tinh chế các nguyên tố và hợp chất từ ​​hóa chất đã dẫn đến sự ra đời của hóa học hiện đại , khái niệm này đã được định nghĩa như được tìm thấy trong hầu hết các sách giáo khoa hóa học. Tuy nhiên, có một số tranh cãi liên quan đến định nghĩa này chủ yếu là do số lượng lớn các chất hóa học được báo cáo trong tài liệu hóa học cần được lập chỉ mục.

Chủ nghĩa đồng phân gây ra nhiều ngạc nhiên cho các nhà nghiên cứu ban đầu, vì các đồng phân có thành phần hoàn toàn giống nhau, nhưng khác nhau về cấu hình (sắp xếp) của các nguyên tử. Ví dụ, có nhiều suy đoán về nhận dạng hóa học của benzen , cho đến khi Friedrich August Kekulé mô tả cấu trúc chính xác . Tương tự như vậy, ý tưởng về thuyết đồng phân lập thể - rằng các nguyên tử có cấu trúc ba chiều cứng và do đó có thể tạo thành các đồng phân chỉ khác nhau về cách sắp xếp ba chiều của chúng - là một bước quan trọng khác trong việc hiểu khái niệm về các chất hóa học riêng biệt. Ví dụ, axit tartaric có ba đồng phân riêng biệt, một cặp đồng phân đối nghịch với một đồng phân không đối quang tạo thành hai đồng phân đối quang .

Các tinh thể lưu huỳnh bản địa. Lưu huỳnh xuất hiện tự nhiên dưới dạng lưu huỳnh nguyên tố, trong các khoáng chất sunfua và sunfat và trong hydro sunfua .

Nguyên tố là một chất hóa học được tạo thành từ một loại nguyên tử cụ thể và do đó không thể bị phá vỡ hoặc biến đổi bởi một phản ứng hóa học thành một nguyên tố khác, mặc dù nó có thể được biến đổi thành nguyên tố khác thông qua phản ứng hạt nhân . Điều này là như vậy bởi vì tất cả các nguyên tử trong một mẫu của một nguyên tố có cùng số proton , mặc dù chúng có thể là các đồng vị khác nhau , với số lượng neutron khác nhau .

Tính đến năm 2019, có 118 nguyên tố đã biết, khoảng 80 nguyên tố trong số đó là ổn định - nghĩa là chúng không thay đổi do phân rã phóng xạ thành các nguyên tố khác. Một số nguyên tố có thể xảy ra với nhiều hơn một chất hóa học đơn lẻ (các dạng thù hình ). Ví dụ, oxy tồn tại dưới dạng cả oxy hai nguyên tử (O ₂ ) và ozon (O ₃ ). Phần lớn các nguyên tố được phân loại là kim loại . Đây là những nguyên tố có độ bóng đặc trưng như sắt , đồng và vàng . Các kim loại thường dẫn điện và nhiệt tốt, và chúng dễ uốn và dễ uốn . ^[11] Khoảng một tá nguyên tố, ^[12] như cacbon , nitơ và oxy , được phân loại là phi kim loại . Các phi kim loại thiếu các tính chất kim loại được mô tả ở trên, chúng cũng có độ âm điện lớn và có xu hướng tạo thành các ion âm . Một số nguyên tố như silic đôi khi giống kim loại và đôi khi giống với phi kim loại, và được gọi là kim loại .

Kali ferricyanide là một hợp chất của kali, sắt, cacbon và nitơ; mặc dù nó có chứa anion xyanua, nó không giải phóng chúng và không độc hại.

Hợp chất hóa học là một chất hóa học được cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử hoặc ion cụ thể . Hai hoặc nhiều nguyên tố kết hợp thành một chất thông qua một phản ứng hóa học tạo thành một hợp chất hóa học . Tất cả các hợp chất đều là chất, nhưng không phải chất nào cũng là hợp chất.

Hợp chất hóa học có thể là các nguyên tử liên kết với nhau trong các phân tử hoặc tinh thể, trong đó các nguyên tử, phân tử hoặc ion tạo thành mạng tinh thể . Các hợp chất chủ yếu dựa trên nguyên tử cacbon và hydro được gọi là hợp chất hữu cơ , và tất cả các hợp chất khác được gọi là hợp chất vô cơ . Các hợp chất có chứa liên kết giữa cacbon và kim loại được gọi là hợp chất cơ kim .

Hợp chất trong đó các thành phần chia sẻ electron được gọi là hợp chất cộng hóa trị . Hợp chất bao gồm các ion mang điện trái dấu được gọi là hợp chất ion , hoặc muối .

Trong hóa học hữu cơ, có thể có nhiều hơn một hợp chất hóa học có cùng thành phần và khối lượng phân tử. Nói chung, chúng được gọi là đồng phân . Các chất đồng phân thường có các tính chất hóa học khác nhau về cơ bản, và thường có thể được phân lập mà không chuyển đổi một cách tự nhiên. Một ví dụ phổ biến là glucose so với fructose . Chất trước là anđehit , chất sau là xeton . Sự chuyển đổi lẫn nhau của chúng đòi hỏi xúc tác của enzym hoặc axit-bazơ .

Tuy nhiên, đồng phân hóa là một ngoại lệ: sự đồng phân hóa xảy ra tự phát trong các điều kiện bình thường, do đó không thể phân lập một chất tinh khiết thành các chất đồng phân của nó, ngay cả khi chúng có thể được xác định bằng quang phổ hoặc thậm chí cô lập trong các điều kiện đặc biệt. Một ví dụ phổ biến là glucose , có dạng mạch hở và dạng vòng. Người ta không thể sản xuất glucose mạch hở tinh khiết vì glucose tự động chuyển hóa thành dạng hemiacetal .

Thủy tinh nam việt quất, trong khi có vẻ đồng nhất, là một hỗn hợp bao gồm thủy tinh và các hạt keo vàng  có đường kính khoảng 40 nm, tạo cho nó một màu đỏ.

Tất cả vật chất đều bao gồm các nguyên tố và hợp chất hóa học khác nhau, nhưng chúng thường được trộn lẫn với nhau một cách mật thiết. Hỗn hợp chứa nhiều hơn một chất hóa học và chúng không có thành phần cố định. Về nguyên tắc, chúng có thể được phân tách thành các chất thành phần bằng các quá trình cơ học thuần túy . Bơ , đất và gỗ là những ví dụ phổ biến về hỗn hợp.

Kim loại sắt xám và lưu huỳnh màu vàng đều là nguyên tố hóa học và chúng có thể được trộn với nhau theo bất kỳ tỷ lệ nào để tạo thành hỗn hợp màu xám vàng. Không có quá trình hóa học nào xảy ra và vật liệu có thể được xác định là hỗn hợp bằng cách thực tế là lưu huỳnh và sắt có thể được tách ra bằng một quá trình cơ học, chẳng hạn như sử dụng nam châm để hút sắt ra khỏi lưu huỳnh.

Ngược lại, nếu nung sắt và lưu huỳnh với nhau theo một tỷ lệ nhất định (1 nguyên tử sắt cho mỗi nguyên tử lưu huỳnh, hoặc theo khối lượng, 56 gam (1 mol ) sắt đến 32 gam (1 mol) lưu huỳnh), một hóa chất. phản ứng xảy ra và một chất mới được tạo thành, hợp chất sắt (II) sunfua , có công thức hóa học là FeS. Hợp chất tạo thành có tất cả các tính chất của một chất hóa học và không phải là một hỗn hợp. Sắt (II) sunfua có các đặc tính riêng biệt như điểm nóng chảy và độ hòa tan , và hai nguyên tố này không thể tách rời bằng các quy trình cơ học thông thường; một nam châm sẽ không thể thu hồi sắt, vì không có sắt kim loại trong hợp chất.

Hóa chất đựng trong bình chia độ và cốc có mỏ.

Trong khi thuật ngữ hóa chất là một thuật ngữ kỹ thuật chính xác đồng nghĩa với hóa học dành cho các nhà hóa học, từ hóa học được sử dụng phổ biến trong thế giới nói tiếng Anh để chỉ cả các chất và hỗn hợp hóa học (tinh khiết) (thường được gọi là hợp chất ), ^{[13 ]} và đặc biệt khi được sản xuất hoặc tinh chế trong phòng thí nghiệm hoặc quy trình công nghiệp. ^{[14] [15] [16]} Nói cách khác, các chất hóa học mà trái cây và rau quả, ví dụ, được cấu tạo tự nhiên ngay cả khi mọc hoang không được gọi là "hóa chất" trong cách sử dụng chung. Ở các quốc gia yêu cầu danh sách các thành phần trong sản phẩm, "hóa chất" được liệt kê là "chất hóa học" được sản xuất công nghiệp. Từ "hóa chất" cũng thường được dùng để chỉ các loại thuốc gây nghiện, gây mê hoặc làm thay đổi tâm trí. ^{[14] [15]}

Trong ngành công nghiệp hóa chất, "hóa chất" được sản xuất là các chất hóa học, có thể được phân loại theo khối lượng sản xuất thành hóa chất số lượng lớn, hóa chất tốt và hóa chất chỉ được tìm thấy trong nghiên cứu:

• Hóa chất số lượng lớn được sản xuất với số lượng rất lớn, thường với quy trình liên tục được tối ưu hóa cao và giá thành tương đối thấp.
• Hóa chất mịn được sản xuất với chi phí cao với số lượng nhỏ cho các ứng dụng đặc biệt khối lượng thấp như chất diệt khuẩn, dược phẩm và hóa chất đặc biệt cho các ứng dụng kỹ thuật.
• Hóa chất nghiên cứu được sản xuất riêng lẻ để nghiên cứu, chẳng hạn như khi tìm kiếm các đường tổng hợp hoặc sàng lọc các chất cho hoạt tính dược phẩm. Trên thực tế, giá mỗi gam của chúng rất cao, mặc dù chúng không được bán.

Nguyên nhân của sự khác biệt về khối lượng sản xuất là sự phức tạp của cấu trúc phân tử của hóa chất. Hóa chất số lượng lớn thường ít phức tạp hơn nhiều. Trong khi các hóa chất tốt có thể phức tạp hơn, nhiều hóa chất trong số đó đủ đơn giản để được bán dưới dạng "khối xây dựng" trong quá trình tổng hợp các phân tử phức tạp hơn nhằm mục đích sử dụng một lần, như đã nêu ở trên. Việc sản xuất hóa chất không chỉ bao gồm quá trình tổng hợp mà còn bao gồm quá trình tinh chế để loại bỏ các sản phẩm phụ và tạp chất tham gia vào quá trình tổng hợp. Bước cuối cùng trong quá trình sản xuất là phân tích lô hóa chất để xác định và định lượng tỷ lệ tạp chất cho người mua hóa chất. Độ tinh khiết và phân tích yêu cầu phụ thuộc vào ứng dụng, nhưng khả năng chịu các tạp chất cao hơn thường được mong đợi trong sản xuất hóa chất số lượng lớn. Do đó, người sử dụng hóa chất ở Hoa Kỳ có thể lựa chọn giữa số lượng lớn hoặc "cấp kỹ thuật" với lượng tạp chất cao hơn hoặc "cấp dược phẩm" tinh khiết hơn nhiều (có nhãn "USP", Dược điển Hoa Kỳ ). "Hóa chất" theo nghĩa thương mại và pháp lý cũng có thể bao gồm các hỗn hợp có thành phần biến đổi lớn, vì chúng là sản phẩm được tạo ra theo đặc điểm kỹ thuật thay vì các chất hóa học cụ thể. Ví dụ, xăng không phải là một hợp chất hóa học đơn lẻ hoặc thậm chí là một hỗn hợp cụ thể: các loại xăng khác nhau có thể có các thành phần hóa học rất khác nhau, vì "xăng" chủ yếu được xác định thông qua nguồn gốc, đặc tính và chỉ số octan .

Mỗi chất hóa học đều có một hoặc nhiều tên gọi có hệ thống , thường được đặt tên theo quy tắc đặt tên của IUPAC . Một hệ thống thay thế được sử dụng bởi Dịch vụ Tóm tắt Hóa học (CAS).

Nhiều hợp chất còn được gọi bằng những cái tên phổ biến hơn, đơn giản hơn, nhiều hợp chất có trước tên hệ thống. Ví dụ, đường glucose được biết đến từ lâu nay được đặt tên một cách có hệ thống là 6- (hydroxymethyl) oxane-2,3,4,5-tetrol. Các sản phẩm tự nhiên và dược phẩm cũng được đặt những cái tên đơn giản hơn, ví dụ như thuốc giảm đau nhẹ Naproxen là tên phổ biến hơn của hợp chất hóa học (S) -6-methoxy-α-methyl-2-naphthaleneacetic acid.

Các nhà hóa học thường đề cập đến các hợp chất hóa học bằng cách sử dụng công thức hóa học hoặc cấu trúc phân tử của hợp chất đó. Đã có sự gia tăng đáng kinh ngạc về số lượng các hợp chất hóa học được tổng hợp (hoặc phân lập), và sau đó được các nhà hóa học chuyên nghiệp trên thế giới báo cáo trong các tài liệu khoa học . ^[17] Có thể có một số lượng lớn các hợp chất hóa học thông qua sự kết hợp hóa học của các nguyên tố hóa học đã biết. Tính đến tháng 2 năm 2021, khoảng "177 triệu chất hữu cơ và vô cơ" (bao gồm 68 triệu chất tạo màng sinh học theo trình tự xác định) có trong tài liệu khoa học và được đăng ký trong cơ sở dữ liệu công khai. ^[18] Tên của nhiều hợp chất này thường không đáng kể và do đó không dễ nhớ hoặc trích dẫn chính xác. Ngoài ra, rất khó để theo dõi họ trong tài liệu. Một số tổ chức quốc tế như IUPAC và CAS đã bắt đầu các bước để thực hiện các nhiệm vụ như vậy dễ dàng hơn. CAS cung cấp các dịch vụ trừu tượng của tài liệu hóa học và cung cấp một số nhận dạng bằng số, được gọi là số đăng ký CAS cho mỗi chất hóa học đã được báo cáo trong tài liệu hóa học (chẳng hạn như tạp chí hóa học và bằng sáng chế ). Thông tin này được biên soạn dưới dạng cơ sở dữ liệu và được gọi phổ biến là Chỉ số các chất hóa học. Các hệ thống thân thiện với máy tính khác đã được phát triển để lấy thông tin về chất, là: SMILES và Bộ nhận dạng hóa học quốc tế hoặc InChI.

Xác định một chất hóa học điển hình

Tên gọi chung	Tên có hệ thống	Công thức hóa học	Cấu tạo hóa học	Số đăng ký CAS	InChI
Rượu, hoặc rượu etylic	Ethanol	C 2 H 5 OH		[64-17-5]	1 / C2H6O / c1-2-3 / h3H, 2H2,1H3

Thường thì một chất tinh khiết cần được phân lập từ một hỗn hợp , ví dụ từ một nguồn tự nhiên (trong đó một mẫu thường chứa nhiều chất hóa học) hoặc sau một phản ứng hóa học (thường tạo ra hỗn hợp các chất hóa học).

• Biểu tượng nguy hiểm
• Hỗn hợp đồng nhất và hỗn hợp không đồng nhất
• Giá các nguyên tố hóa học
• Hóa chất sinh học chuyên dụng
• Kim cương lửa
• Nghiên cứu hóa chất

• Phương tiện liên quan tới Các chất hóa học tại Wikimedia Commons