Sustancia (química)

En química , una sustancia es una forma única de materia con composición química constante y propiedades características . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Las sustancias químicas pueden presentarse como un solo elemento o 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 en el grado deseado, se dice que la sustancia resultante es químicamente pura . ^{[ 4 ]}

Las sustancias químicas pueden existir en diferentes estados o fases físicas (por ejemplo , sólidos , líquidos , gases o plasma ) sin alterar su composición química. Las sustancias transitan entre estas fases en respuesta a cambios de temperatura o presión . Algunas sustancias químicas pueden combinarse o transformarse 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 átomo de oxígeno (es decir, H₂O ₎ . La proporción atómica de hidrógeno a oxígeno es siempre de 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 especializados donde el término "sustancia química" puede tener usos alternativos ampliamente aceptados, algunos de los cuales se describen en las secciones siguientes.

El concepto de "sustancia química" se consolidó a finales del siglo XVIII tras el trabajo del químico Joseph Proust sobre la composición de algunos compuestos químicos puros, como el carbonato básico de cobre . ^{[ 9 ]} Proust 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 ]} Posteriormente, con el avance de los métodos de síntesis química, especialmente en el ámbito de la química orgánica , el descubrimiento de muchos más elementos químicos y las nuevas técnicas en el campo de la química analítica utilizadas para el aislamiento y la purificación de elementos y compuestos a partir de sustancias químicas, que condujeron 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 respecto a esta definición, principalmente debido a la gran cantidad de sustancias químicas que se mencionan en la literatura química y que necesitan ser indexadas.

La isomería causó gran 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 . De igual modo, 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 para comprender el 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 compuesta 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 distinto número de neutrones .

Hasta 2025, se conocen 118 elementos, de los cuales unos 80 son estables, es decir, no se transforman 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 (O₂ ₎ y ozono (O₃ ₎ . 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, además tienen una alta electronegatividad y una tendencia a formar iones negativos . Ciertos elementos, como el silicio , a veces se asemejan a metales y otras veces a no metales, y se conocen como metaloides .

Un compuesto químico es una sustancia química formada por un conjunto específico de átomos o iones . Dos o más elementos se combinan en una sola sustancia mediante una reacción química para formar 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 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 donde un enlace dativo mantiene unida la sustancia sin un enlace covalente o iónico. Los complejos de coordinación son sustancias distintas con propiedades diferentes a las de una mezcla simple. Típicamente, 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 una molécula de agua, forma un enlace dativo con el centro metálico, por ejemplo, sulfato de tetraaminocobre(II) [Cu(NH₃ ₎ ₄ _] SO₄ _· H₂O _. El metal se conoce como "centro metálico" y la sustancia que se coordina con el centro se llama "ligando". Sin embargo, el centro no tiene por qué ser un metal, como se ejemplifica con el éter de trifluoruro de boro BF₃OEt₂ _{, 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, se les llama isómeros . Los isómeros suelen tener propiedades químicas sustancialmente diferentes y, a menudo, pueden aislarse sin que se interconviertan espontáneamente. Un ejemplo común es la glucosa frente a la fructosa . La primera es un aldehído y la segunda, una cetona . Su interconversión requiere catálisis enzimática o ácido-base .

Sin embargo, los tautómeros constituyen una excepción: la isomerización se produce espontáneamente en condiciones normales, de modo que una sustancia pura no puede aislarse en sus tautómeros, aunque estos puedan identificarse espectroscópicamente o incluso aislarse en condiciones especiales. Un ejemplo común es la glucosa , que presenta formas de cadena abierta y cíclica. No es posible fabricar glucosa pura de cadena abierta porque la glucosa se cicla espontáneamente a la forma hemiacetálica .

Toda la materia está compuesta de diversos elementos y compuestos químicos, pero estos suelen estar 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 comunes de mezclas. A veces, las mezclas pueden separarse en sus sustancias componentes mediante procesos mecánicos , como la cromatografía , la destilación o la evaporación . ^{[ 13 ]}

El hierro gris y el azufre amarillo son elementos químicos que pueden mezclarse en cualquier proporción para formar una mezcla amarillo-gris. No se produce ningún proceso químico, y la mezcla se identifica porque el azufre y el hierro pueden separarse mediante un proceso mecánico, como por ejemplo, utilizando un imán para separar el hierro del azufre.

Por el contrario, si se calientan hierro y azufre 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), se produce una reacción química y se forma una nueva sustancia, el compuesto sulfuro de hierro(II) , con fórmula química FeS. El compuesto resultante posee todas las propiedades de una sustancia química y no es una mezcla. El sulfuro de hierro(II) tiene propiedades propias y distintivas, como el punto de fusión y la solubilidad , y los dos elementos no pueden separarse 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 sinónimo de «químico» para los químicos, la palabra «químico» 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 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 silvestres, 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 usa a menudo para referirse a drogas adictivas, narcóticas o psicotrópicas. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Dentro de la industria química , los "productos químicos" manufacturados son sustancias químicas que pueden clasificarse por volumen de producción en productos químicos a granel , productos químicos finos y productos químicos de investigación :

• Los productos químicos a granel se producen en cantidades muy grandes, generalmente mediante procesos continuos altamente optimizados y a un precio relativamente bajo.
• Los productos químicos finos se producen a un alto coste y en pequeñas cantidades para aplicaciones especiales de bajo volumen, como biocidas, productos farmacéuticos y productos químicos especializados para aplicaciones técnicas.
• Los productos químicos de investigación se fabrican individualmente para fines de investigación, como la búsqueda de rutas sintéticas o la evaluación de sustancias con actividad farmacéutica. Por consiguiente, su precio por gramo es muy elevado, aunque no se comercializan.

La diferencia en el volumen de producción se debe a 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 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 subproductos, impurezas y material de partida sin reaccionar. 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. 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. podría elegir entre el producto a granel o de "grado técnico" con mayores cantidades de impurezas o un producto de "grado farmacéutico" mucho más puro (etiquetado como "USP", Farmacopea de los Estados Unidos ). En el sentido comercial y legal, los "productos químicos" también pueden incluir mezclas de composición muy variable, ya que son productos elaborados según especificaciones técnicas en lugar de sustancias químicas particulares. Por ejemplo, la gasolina no es un único compuesto químico ni una mezcla específica: las distintas gasolinas pueden tener composiciones químicas muy diferentes, puesto que la "gasolina" se define principalmente por su origen, propiedades e índice de octano .

Cada sustancia química tiene uno o más nombres sistemáticos , generalmente nombrados según 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 sencillos, muchos de los cuales son anteriores a su denominación sistemática. Por ejemplo, la glucosa, un azúcar conocido desde hace mucho tiempo , ahora se denomina sistemáticamente 6-(hidroximetil)oxano-2,3,4,5-tetrol. Los productos naturales y los fármacos también reciben nombres más sencillos; por ejemplo, el naproxeno, un analgésico suave, es el nombre más común del compuesto químico ácido (S)-6-metoxi-α-metil-2-naftalenacético.

Los químicos frecuentemente se refieren a compuestos químicos utilizando fórmulas químicas o la estructura molecular del compuesto. Ha habido un crecimiento fenomenal en la cantidad de compuestos químicos que se sintetizan (o aíslan) y luego se reportan 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) están 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 hacer un seguimiento de ellos en la literatura. Varias organizaciones internacionales como IUPAC y CAS han tomado medidas 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 reportado en la literatura química (como revistas de química y patentes ). Esta información se recopila en una base de datos y se conoce popularmente como el Índice de Sustancias Químicas. Otros sistemas informáticos desarrollados para la información sobre 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 suele dar lugar a mezclas de sustancias químicas).

• Símbolo de peligro
• Mezclas homogéneas y heterogéneas
• Precios de los elementos químicos
• Productos químicos de base biológica específicos
• Diamante de fuego

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