Substance chimique - Chemical substance

La vapeur et l'eau liquide sont deux formes différentes de la même substance chimique (pure) : l'eau.

Une substance chimique est une forme de matière ayant une composition chimique constante et des propriétés caractéristiques. Certaines références ajoutent que la substance chimique ne peut pas être séparée en ses éléments constitutifs par des méthodes de séparation physique, c'est-à-dire sans rompre les liaisons chimiques . Les substances chimiques peuvent être des substances simples, des composés chimiques ou des alliages . Les éléments chimiques peuvent ou non être inclus dans la définition, selon le point de vue des experts.

Les substances chimiques sont souvent appelées « pures » pour les distinguer des mélanges . Un exemple courant de substance chimique est l' eau pure ; elle a les mêmes propriétés et le même rapport de l' hydrogène à l' oxygène si elle est isolée à partir d' une rivière ou faite dans un laboratoire . D'autres substances chimiques couramment rencontrées sous forme pure sont le diamant (carbone), l' or , le sel de table ( chlorure de sodium ) et le sucre raffiné ( saccharose ). Cependant, dans la pratique, aucune substance n'est entièrement pure et la pureté chimique est spécifiée en fonction de l'utilisation prévue du produit chimique.

Les substances chimiques existent sous forme de solides , de liquides , de gaz ou de plasma , et peuvent changer entre ces phases de la matière avec des changements de température ou de pression et de temps . Les substances chimiques peuvent être combinées ou converties en d'autres au moyen de réactions chimiques .

Définition

Couleurs d'un seul produit chimique ( rouge du Nil ) dans différents solvants, sous lumière visible et UV, montrant comment le produit chimique interagit dynamiquement avec son environnement de solvant.

Une substance chimique peut très bien être définie comme "tout matériau ayant une composition chimique définie" dans un manuel d'introduction à la chimie générale. Selon cette définition, une substance chimique peut être soit un élément chimique pur , soit un composé chimique pur. Mais, il y a des exceptions à cette définition ; une substance pure peut également être définie comme une forme de matière qui a à la fois une composition définie et des propriétés distinctes. L'indice des substances chimiques publié par le CAS comprend également plusieurs alliages de composition incertaine. Les composés non stoechiométriques sont un cas particulier (en chimie inorganique ) qui viole la loi de composition constante, et pour eux, il est parfois difficile de tracer la ligne entre un mélange et un composé, comme dans le cas de l'hydrure de palladium . Des définitions plus larges des produits chimiques ou des substances chimiques peuvent être trouvées, par exemple : « le terme « substance chimique » désigne toute substance organique ou inorganique d'une identité moléculaire particulière, y compris – (i) toute combinaison de ces substances se produisant en tout ou en partie sous la forme résultant d'une réaction chimique ou se produisant dans la nature".

En géologie , les substances de composition uniforme sont appelées minéraux , tandis que les mélanges physiques ( agrégats ) de plusieurs minéraux (substances différentes) sont définis comme des roches . Cependant, de nombreux minéraux se dissolvent mutuellement en solutions solides , de sorte qu'une seule roche est une substance uniforme bien qu'elle soit un mélange en termes stoechiométriques. Les feldspaths sont un exemple courant : l' anorthoclase est un silicate d'aluminium alcalin, où le métal alcalin est indifféremment du sodium ou du potassium.

En droit, les « substances chimiques » peuvent inclure à la fois des substances pures et des mélanges ayant une composition ou un procédé de fabrication défini. Par exemple, le règlement de l' UE REACH définit les "substances monoconstituantes", les "substances multiconstituantes" et les "substances de composition inconnue ou variable". Les deux derniers sont constitués de plusieurs substances chimiques ; cependant, leur identité peut être établie soit par analyse chimique directe, soit par référence à un seul procédé de fabrication. Par exemple, le charbon de bois est un mélange extrêmement complexe et partiellement polymérique qui peut être défini par son procédé de fabrication. Par conséquent, bien que l'identité chimique exacte soit inconnue, l'identification peut être effectuée avec une précision suffisante. L'indice CAS comprend également les mélanges.

Les polymères apparaissent presque toujours sous la forme de mélanges de molécules de masses molaires multiples, chacune pouvant être considérée comme une substance chimique distincte. Cependant, le polymère peut être défini par un précurseur ou une ou plusieurs réaction(s) connue(s) et la distribution de masse molaire . Par exemple, le polyéthylène est un mélange de très longues chaînes d' unités répétitives -CH 2 -, et est généralement vendu en plusieurs distributions de masse molaire, LDPE , MDPE , HDPE et UHMWPE .

Histoire

Le concept de "substance chimique" s'est fermement établi à la fin du XVIIIe siècle après les travaux du chimiste Joseph Proust sur la composition de certains composés chimiques purs comme le carbonate basique de cuivre . Il en a déduit que "Tous les échantillons d'un composé ont la même composition, c'est-à-dire que tous les échantillons ont les mêmes proportions, en masse, des éléments présents dans le composé." C'est ce qu'on appelle maintenant la loi de composition constante . Plus tard avec l'avancement des méthodes de synthèse chimique en particulier dans le domaine de la chimie organique ; la découverte de nombreux autres éléments chimiques et de nouvelles techniques dans le domaine de la chimie analytique utilisées pour l'isolement et la purification d'éléments et de composés à partir de produits chimiques qui ont conduit à l'établissement de la chimie moderne , le concept a été défini comme on le trouve dans la plupart des manuels de chimie. Cependant, il existe des controverses concernant cette définition, principalement parce que le grand nombre de substances chimiques rapportées dans la littérature sur la chimie doit être indexée.

L'isomérie a causé beaucoup de consternation aux premiers chercheurs, car les isomères ont exactement la même composition, mais diffèrent par la configuration (l'arrangement) des atomes. Par exemple, il y avait beaucoup de spéculations sur l'identité chimique du benzène , jusqu'à ce que la structure correcte soit décrite par Friedrich August Kekulé . De même, l'idée de stéréoisomérie - selon laquelle les atomes ont une structure tridimensionnelle rigide et peuvent donc former des isomères qui ne diffèrent que par leur disposition tridimensionnelle - était une autre étape cruciale dans la compréhension du concept de substances chimiques distinctes. Par exemple, l'acide tartrique a trois isomères distincts, une paire de diastéréomères avec un diastéréomère formant deux énantiomères .

Éléments chimiques

Cristaux de soufre natif. Le soufre est présent naturellement sous forme de soufre élémentaire, dans les minéraux sulfurés et sulfatés et dans le sulfure d'hydrogène .

Un élément est une substance chimique composée d'un type particulier d'atome et ne peut donc pas être décomposé ou transformé par une réaction chimique en un élément différent, bien qu'il puisse être transmuté en un autre élément par une réaction nucléaire . C'est parce que tous les atomes dans un échantillon d'un élément ont le même nombre de protons , bien qu'ils puissent être des isotopes différents , avec des nombres différents de neutrons .

En 2019, il y avait 118 éléments connus, dont environ 80 sont stables, c'est-à-dire qu'ils ne se transforment pas par désintégration radioactive en d'autres éléments. Certains éléments peuvent se présenter sous la forme de plusieurs substances chimiques ( allotropes ). Par exemple, l'oxygène existe à la fois sous forme d'oxygène diatomique (O 2 ) et d' ozone (O 3 ). La majorité des éléments sont classés comme métaux . Ce sont des éléments à l' éclat caractéristique comme le fer , le cuivre et l' or . Les métaux conduisent généralement bien l'électricité et la chaleur, et ils sont malléables et ductiles . Une douzaine d'éléments, tels que le carbone , l' azote et l' oxygène , sont classés comme non-métaux . Les non-métaux n'ont pas les propriétés métalliques décrites ci-dessus, ils ont également une électronégativité élevée et une tendance à former des ions négatifs . Certains éléments tels que le silicium ressemblent parfois à des métaux et parfois à des non-métaux, et sont connus sous le nom de métalloïdes .

Composants chimiques

Le ferricyanure de potassium est un composé de potassium, de fer, de carbone et d'azote; bien qu'il contienne des anions cyanure, il ne les libère pas et n'est pas toxique.

Un composé chimique est une substance chimique composée d'un ensemble particulier d' atomes ou d' ions . Deux éléments ou plus combinés en une seule substance par une réaction chimique forment un composé chimique . Tous les composés sont des substances, mais toutes les substances ne sont pas des composés.

Un composé chimique peut être soit des atomes liés entre eux dans des molécules, soit des cristaux dans lesquels des atomes, des molécules ou des ions forment un réseau cristallin . Les composés basés principalement sur des atomes de carbone et d'hydrogène sont appelés composés organiques , et tous les autres sont appelés composés inorganiques . Les composés contenant des liaisons entre le carbone et un métal sont appelés composés organométalliques .

Les composés dans lesquels les composants partagent des électrons sont appelés composés covalents . Les composés constitués d' ions chargés de manière opposée sont appelés composés ioniques ou sels .

En chimie organique, il peut y avoir plus d'un composé chimique avec la même composition et le même poids moléculaire. Généralement, ceux-ci sont appelés isomères . Les isomères ont généralement des propriétés chimiques sensiblement différentes et peuvent souvent être isolés sans s'interconvertir spontanément. Un exemple courant est le glucose contre le fructose . Le premier est un aldéhyde , le second est une cétone . Leur interconversion nécessite soit enzymatique ou la catalyse acide-base .

Cependant, les tautomères sont une exception : l'isomérisation se produit spontanément dans des conditions ordinaires, de sorte qu'une substance pure ne peut pas être isolée dans ses tautomères, même si ceux-ci peuvent être identifiés par spectroscopie ou même isolés dans des conditions particulières. Un exemple courant est le glucose , qui a des formes à chaîne ouverte et en anneau. On ne peut pas fabriquer du glucose pur à chaîne ouverte car le glucose se cyclise spontanément en la forme hémiacétal .

Substances versus mélanges

Le verre de canneberge, bien qu'apparaissant homogène, est un mélange constitué de particules colloïdales de verre et d' or d'environ 40  nm de diamètre, lui conférant une couleur rouge.

Toute matière est constituée de divers éléments et composés chimiques, mais ceux-ci sont souvent intimement mélangés. Les mélanges contiennent plus d'une substance chimique et n'ont pas de composition fixe. En principe, ils peuvent être séparés en substances constitutives par des procédés purement mécaniques . Le beurre , la terre et le bois sont des exemples courants de mélanges.

La fonte grise et le soufre jaune sont tous deux des éléments chimiques, et ils peuvent être mélangés dans n'importe quel rapport pour former un mélange jaune-gris. Aucun processus chimique ne se produit et le matériau peut être identifié comme un mélange par le fait que le soufre et le fer peuvent être séparés par un processus mécanique, tel que l'utilisation d'un aimant pour éloigner le fer du soufre.

En revanche, si le fer et le soufre sont chauffés ensemble dans un certain rapport (1 atome de fer pour chaque atome de soufre, ou en poids, 56 grammes (1 mol ) de fer pour 32 grammes (1 mol) de soufre), un produit chimique La réaction a lieu et une nouvelle substance se forme, le composé sulfure de fer (II) , de formule chimique FeS. Le composé résultant a toutes les propriétés d'une substance chimique et n'est pas un mélange. Le sulfure de fer (II) a ses propres propriétés distinctes telles que le point de fusion et la solubilité , et les deux éléments ne peuvent pas être séparés en utilisant des processus mécaniques normaux ; un aimant sera incapable de récupérer le fer, car il n'y a pas de fer métallique présent dans le composé.

Produits chimiques contre substances chimiques

Produits chimiques dans des cylindres gradués et un bécher.

Alors que le terme substance chimique est un terme technique précis qui est synonyme de produit chimique pour les chimistes, le mot chimique est utilisé dans l'usage général dans le monde anglophone pour désigner à la fois des substances chimiques (pures) et des mélanges (souvent appelés composés ), et surtout lorsqu'ils sont produits ou purifiés en laboratoire ou dans un procédé industriel. En d'autres termes, les substances chimiques dont les fruits et légumes, par exemple, sont naturellement composés même lorsqu'ils poussent à l'état sauvage ne sont pas appelées « produits chimiques » dans l'usage général. Dans les pays qui exigent une liste d'ingrédients dans les produits, les « produits chimiques » répertoriés sont des « substances chimiques » produites industriellement. Le mot « chimique » est également souvent utilisé pour désigner les drogues addictives, narcotiques ou psychotropes.

Au sein de l'industrie chimique, les « produits chimiques » fabriqués sont des substances chimiques, qui peuvent être classées par volume de production en produits chimiques en vrac, produits chimiques fins et produits chimiques trouvés uniquement dans la recherche :

  • Les produits chimiques en vrac sont produits en très grandes quantités, généralement avec des processus continus hautement optimisés et à un prix relativement bas.
  • La chimie fine est produite à un coût élevé en petites quantités pour des applications spéciales à faible volume telles que les biocides, les produits pharmaceutiques et les produits chimiques de spécialité pour les applications techniques.
  • Les produits chimiques de recherche sont produits individuellement pour la recherche, par exemple lors de la recherche de voies de synthèse ou de la sélection de substances pour une activité pharmaceutique. En effet, leur prix au gramme est très élevé, bien qu'ils ne soient pas commercialisés.

La cause de la différence de volume de production est la complexité de la structure moléculaire du produit chimique. Les produits chimiques en vrac sont généralement beaucoup moins complexes. Bien que les produits chimiques fins puissent être plus complexes, nombre d'entre eux sont suffisamment simples pour être vendus comme des « éléments constitutifs » dans la synthèse de molécules plus complexes ciblées pour un usage unique, comme indiqué ci-dessus. La production d'un produit chimique comprend non seulement sa synthèse mais également sa purification pour éliminer les sous-produits et les impuretés impliqués dans la synthèse. La dernière étape de la production devrait être l'analyse de lots de produits chimiques afin d'identifier et de quantifier les pourcentages d'impuretés pour l'acheteur des produits chimiques. La pureté et l'analyse requises dépendent de l'application, mais une tolérance plus élevée aux impuretés est généralement attendue dans la production de produits chimiques en vrac. Ainsi, l'utilisateur du produit chimique aux États-Unis peut choisir entre le vrac ou la « qualité technique » avec des quantités plus élevées d'impuretés ou une « qualité pharmaceutique » beaucoup plus pure (étiquetée « USP », United States Pharmacopeia ). Les « produits chimiques » au sens commercial et juridique peuvent également inclure des mélanges de composition très variable, car ce sont des produits fabriqués selon une spécification technique au lieu de substances chimiques particulières. Par exemple, l' essence n'est pas un composé chimique unique ni même un mélange particulier : différentes essences peuvent avoir des compositions chimiques très différentes, car « essence » est principalement définie par la source, les propriétés et l' indice d'octane .

Nommage et indexation

Chaque substance chimique a un ou plusieurs noms systématiques , généralement nommés selon les règles de dénomination IUPAC . Un autre système est utilisé par le Chemical Abstracts Service (CAS).

De nombreux composés sont également connus sous leurs noms plus courants et plus simples, dont beaucoup sont antérieurs au nom systématique. Par exemple, le sucre connu de longue date, le glucose, est désormais systématiquement nommé 6-(hydroxyméthyl)oxane-2,3,4,5-tétrol. Les produits naturels et les produits pharmaceutiques reçoivent également des noms plus simples, par exemple l'analgésique doux Naproxen est le nom le plus courant pour le composé chimique (S)-6-méthoxy-α-méthyl-2-naphtalèneacétique.

Les chimistes se réfèrent fréquemment à des composés chimiques en utilisant des formules chimiques ou la structure moléculaire du composé. Il y a eu une croissance phénoménale du nombre de composés chimiques synthétisés (ou isolés), puis rapportés dans la littérature scientifique par des chimistes professionnels du monde entier. Un nombre énorme de composés chimiques sont possibles grâce à la combinaison chimique des éléments chimiques connus. En février 2021, environ "177 millions de substances organiques et inorganiques" (dont 68 millions de biopolymères à séquence définie) étaient dans la littérature scientifique et enregistrées dans des bases de données publiques. Les noms de bon nombre de ces composés sont souvent non triviaux et donc pas très faciles à retenir ou à citer avec précision. De plus, il est difficile d'en garder la trace dans la littérature. Plusieurs organisations internationales comme l' IUPAC et la CAS ont pris des mesures pour faciliter ces tâches. CAS fournit les services de résumé de la littérature chimique et fournit un identifiant numérique, connu sous le nom de numéro de registre CAS, à chaque substance chimique qui a été signalée dans la littérature chimique (telle que les revues de chimie et les brevets ). Ces informations sont compilées sous forme de base de données et sont communément appelées index des substances chimiques. D'autres systèmes informatisés qui ont été développés pour l'information sur les substances sont : SMILES et l' International Chemical Identifier ou InChI.

Identification d'une substance chimique typique
Nom commun Nom systématique Formule chimique Structure chimique Numéro de registre CAS InChI
Alcool ou
alcool éthylique
Éthanol C 2 H 5 OH
Ethanol-2D-squelettique.png
[64-17-5] 1/C2H6O/c1-2-3/h3H,2H2,1H3

Isolement, purification, caractérisation et identification

Souvent, une substance pure doit être isolée d'un mélange , par exemple d'une source naturelle (où un échantillon contient souvent de nombreuses substances chimiques) ou après une réaction chimique (qui donne souvent des mélanges de substances chimiques).

Voir également

Notes et références

Liens externes