化学物質

化学物質は、一定の化学組成と特性を持つ物質のユニークな形態です。^{[1] [2]}化学物質は、単一の元素または化合物の形をとることがあります。2つ以上の化学物質が反応せずに組み合わせられる場合、それらは化学混合物を形成することがあります。^{[3]混合物を分離して1つの化学物質を所望の程度まで単離した場合、結果として得られる物質は}化学的に純粋であると言われます。^[4]

化学物質は、化学組成を変えずに、いくつかの異なる物理的状態または相（固体、液体、気体、プラズマなど）で存在することができます。物質は、温度や圧力の変化に応じてこれらの物質の相間を遷移します。一部の化学物質は、化学反応によって結合したり、新しい物質に変換したりできます。この能力を持たない化学物質は不活性であると言われています。

純水は化学物質の一例であり、2 つの水素原子 が1 つの酸素原子に結合した一定の組成 (つまり H ₂ O) を持っています。水素と酸素の原子比は、水分子ごとに常に 2:1 です。純水は100 °C (212 °F) 近くで沸騰する傾向があり、これが純水を定義する特性の 1 つの例です。その他の注目すべき化学物質には、ダイヤモンド(元素炭素の一種)、食塩(NaCl、イオン化合物)、精製糖(C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁、有機化合物) などがあります。

上記の一般的な定義に加えて、「化学物質」という用語が広く受け入れられている別の用法をとるニッチな分野がいくつかあります。そのうちのいくつかを以下のセクションで概説します。

CAS (Chemical Abstracts Service) は、化学物質索引の中に、組成が不明な合金をいくつか挙げている。 ^[5]合金は混合物としてより厳密に定義できるが、化学物質索引でそれらを参照することで、CAS は合金組成の標準的な命名に関する具体的なガイダンスを提供できる。非化学量論的化合物は、無機化学におけるもう 1 つの特殊なケースであり、一定の組成の要件に違反する。これらの物質の場合、パラジウム水素化物の場合のように、混合物と化合物の境界線を引くのが難しい場合がある。化学物質または化学物質のより広い定義は、たとえば、「「化学物質」という用語は、特定の分子同一性を持つ有機または無機物質を意味し、これには以下が含まれる - (i) 化学反応の結果として全体的または部分的に発生する、または自然界に存在するそのような物質の任意の組み合わせ」^[6]など。

地質学の分野では、均一な組成の無機固体物質は鉱物として知られています。^{[7] 2つ以上の鉱物が組み合わされて}混合物（または集合体）を形成すると、それらは岩石として定義されます。^[8]しかし、多くの鉱物は相互に固溶体に溶解するため、単一の岩石は化学量論的には混合物であるにもかかわらず均一な物質です。長石は一般的な例です。アノーソクレースはアルカリアルミニウムケイ酸塩で、アルカリ金属はナトリウムまたはカリウムのいずれかです。

法律上、「化学物質」には、純粋な物質と、定義された組成または製造プロセスを持つ混合物の両方が含まれます。たとえば、EU規則REACH では、「単一成分物質」、「複数成分物質」、および「組成が不明または可変の物質」が定義されています。最後の 2 つは複数の化学物質で構成されていますが、直接の化学分析または単一の製造プロセスへの参照によって、その同一性を確立できます。たとえば、木炭は、製造プロセスによって定義できる非常に複雑な、部分的にポリマー化された混合物です。したがって、正確な化学的同一性は不明ですが、十分な精度で識別できます。CAS インデックスには混合物も含まれます。

ポリマーはほとんどの場合、複数のモル質量の分子の混合物として現れ、それぞれが別の化学物質とみなすことができます。ただし、ポリマーは既知の前駆体または反応とモル質量分布によって定義される場合があります。たとえば、ポリエチレンは、-CH ₂ -繰り返し単位の非常に長い鎖の混合物であり、通常、 LDPE、MDPE、HDPE、UHMWPEなどのいくつかのモル質量分布で販売されています。

「化学物質」という概念は、18世紀後半に化学者ジョセフ・プルーストが塩基性炭酸銅などのいくつかの純粋な化合物の組成に関する研究を行った後に、しっかりと確立されました。^[9]彼は、「化合物のすべてのサンプルは同じ組成を持つ、つまり、すべてのサンプルは、化合物に存在する元素の質量比が同じである」と推論しました。これは現在、組成定数の法則として知られています。^{[10]その後、特に}有機化学の分野で化学合成法が進歩し、化学物質から元素や化合物を分離および精製するために使用される分析化学の分野で多くの化学元素と新しい技術が発見され、近代化学の確立につながったため、この概念はほとんどの化学教科書に記載されているように定義されました。しかし、この定義についてはいくつかの議論があり、その主な理由は、化学文献で報告されている化学物質の数が多いため、索引を付ける必要があるためです。

異性体は組成が全く同じでも原子の構成（配置）が異なるため、初期の研究者たちは異性体に大いに困惑した。例えば、ベンゼンの化学的正体については、フリードリヒ・アウグスト・ケクレによって正しい構造が説明されるまで、多くの憶測が飛び交っていた。同様に、原子は堅固な三次元構造を持ち、そのため三次元配置のみが異なる異性体を形成できるという立体異性体の考え方は、異なる化学物質の概念を理解する上でのもう一つの重要なステップだった。例えば、酒石酸には3つの異なる異性体があり、 1つのジアステレオマーが2つのエナンチオマーを形成するジアステレオマーのペアである。

元素は特定の種類の原子で構成された化学物質であり、したがって化学反応によって分解または別の元素に変換することはできませんが、核反応によって別の元素に変換できます。これは、元素のサンプル内のすべての原子が、中性子の数が異なり、同位体が異なっていても、陽子の数が同じであるためです。

2019年現在、118種類の元素が知られており、そのうち約80種類は安定している、つまり放射性崩壊によって他の元素に変化しない元素です。一部の元素は、複数の化学物質（同素体）として存在する場合があります。たとえば、酸素は二原子酸素（O ₂）とオゾン（O ₃）の両方として存在します。元素の大部分は金属に分類されます。これらは、鉄、銅、金などの特徴的な光沢を持つ元素です。金属は通常、電気と熱をよく伝導し、展性があり延性があります。^[11]炭素、窒素、酸素など約14〜21種類の元素^[12]は非金属に分類されます。非金属には上記の金属特性がなく、電気陰性度が高く、陰イオンを形成する傾向があります。シリコンなどの特定の元素は、金属に似ている場合もあれば非金属に似ている場合もあり、半金属として知られています。

化合物は、特定の原子またはイオンのセットから構成される化学物質です。 2 つ以上の元素が化学反応によって 1 つの物質に結合されると、化合物が形成されます。 すべての化合物は物質ですが、すべての物質が化合物であるとは限りません。

化合物は、分子内で結合した原子、または原子、分子、またはイオンが結晶格子を形成する結晶のいずれかです。主に炭素原子と水素原子に基づく化合物は有機化合物と呼ばれ、その他はすべて無機化合物と呼ばれます。炭素と金属の結合を含む化合物は有機金属化合物と呼ばれます。

成分が電子を共有する化合物は共有結合化合物として知られています。反対に帯電したイオンからなる化合物はイオン化合物、または塩として知られています。

配位錯体とは、共有結合やイオン結合を介さずに、配位結合によって物質がまとまっている化合物である。配位錯体は、単純な混合物とは異なる明確な特性を持つ別個の物質である。通常、配位錯体では中心に銅イオンなどの金属があり、アンモニア分子の窒素や水分子の酸素などの非金属原子が金属中心に配位結合を形成する。例えば、硫酸テトラアンミン銅（II） [Cu（NH ₃）₄ ]SO ₄ ·H ₂ Oなどである。金属は「金属中心」と呼ばれ、中心に配位する物質は「配位子」と呼ばれる。しかし、中心は金属である必要はなく、例えば三フッ化ホウ素エーテレートBF ₃ OEt _2では、ルイス酸性が強いが非金属のホウ素中心が「金属」の役割を果たす。配位子が複数の原子で金属中心に結合する場合、その錯体はキレートと呼ばれる。

有機化学では、同じ組成と分子量を持つ化合物が複数存在することがあります。通常、これらは異性体と呼ばれます。異性体は通常、化学的性質がかなり異なり、自発的に相互変換することなく単離できることがよくあります。一般的な例は、グルコースとフルクトースです。前者はアルデヒドで、後者はケトンです。それらの相互変換には、酵素触媒または酸塩基触媒が必要です。

しかし、互変異性体は例外です。異性化は通常の条件下では自発的に起こるため、たとえ分光学的に同定できたり、特殊な条件下で単離できたとしても、純粋な物質を互変異性体に単離することはできません。一般的な例はグルコースで、開鎖型と環状型があります。グルコースは自発的にヘミアセタール型に環化するため、純粋な開鎖グルコースを製造することはできません。

すべての物質はさまざまな元素と化合物で構成されていますが、これらはしばしば密接に混合されています。混合物には複数の化学物質が含まれており、固定された組成はありません。バター、土、木材は混合物の一般的な例です。場合によっては、クロマトグラフィー、蒸留、蒸発などの機械的プロセスによって混合物を構成物質に分離することができます。^[13]

灰色鉄金属と黄色硫黄はどちらも化学元素であり、任意の比率で混合すると黄灰色の混合物になります。化学反応は起こらず、磁石を使用して鉄を硫黄から引き離す などの機械的プロセスによって硫黄と鉄を分離できることから、この物質が混合物であると識別できます。

対照的に、鉄と硫黄を特定の比率（硫黄1原子に対して鉄1原子、または重量で鉄56グラム（ 1モル）に対して硫黄32グラム（1モル））で加熱すると、化学反応が起こり、新しい物質、化学式FeSの化合物硫化鉄（II）が形成されます。結果として生じる化合物は、化学物質のすべての特性を備えており、混合物ではありません。硫化鉄（II）には、融点や溶解度などの独自の特性があり、通常の機械的プロセスを使用して2つの要素を分離することはできません。化合物には金属鉄が存在しないため、磁石を使用しても鉄を回収することはできません。

化学物質という用語は化学者にとって化学物質と同義の正確な専門用語であるが、化学物質という言葉は一般的な用法では（純粋な）化学物質と混合物（しばしば化合物と呼ばれる）の両方を指して使用され、^[14]特に実験室または工業プロセスで生成または精製された場合に使用されます。^{[15] [16] [17]}言い換えれば、例えば果物や野菜が野生で育つときでも自然に構成されている化学物質は、一般的な用法では「化学物質」とは呼ばれません。製品の成分リストを義務付けている国では、リストされている「化学物質」は工業的に生成された「化学物質」です。「化学物質」という言葉は、中毒性、麻薬性、または精神を変える薬物を指す場合にもよく使用されます。^{[15] [16]}

化学業界では、製造される「化学物質」は化学物質であり、生産量によってバルク化学物質、ファイン化学物質、研究専用の化学物質に分類できます。

• バルク化学物質は通常、高度に最適化された連続プロセスによって、比較的低価格で大量に生産されます。
• ファインケミカルは、殺生物剤、医薬品、技術用途の特殊化学品など、少量の特殊な用途向けに高コストで少量生産されます。
• 研究用化学物質は、合成経路の探索や薬効のある物質のスクリーニングなど、研究目的で個別に製造されます。実際には販売されていないにもかかわらず、1グラムあたりの価格は非常に高くなります。

生産量の違いの原因は、化学物質の分子構造の複雑さです。バルク化学物質は通常、それほど複雑ではありません。ファインケミカルはより複雑かもしれませんが、その多くは、上記のように、1 回限りの使用を目的としたより複雑な分子の合成における「構成要素」として販売できるほど単純です。化学物質の生産には、合成だけでなく、合成に伴う副産物や不純物を除去するための精製も含まれます。生産の最後のステップは、化学物質の購入者のために不純物の割合を特定して定量化するために、化学物質のバッチロットを分析することです。必要な純度と分析は用途によって異なりますが、バルク化学物質の生産では通常、不純物に対する許容度が高くなります。したがって、米国の化学物質のユーザーは、不純物の量が多いバルクまたは「テクニカル グレード」と、はるかに純粋な「医薬品グレード」(「USP」、米国薬局方と表示) のどちらかを選択できます。商業的および法的意味での「化学物質」には、特定の化学物質ではなく、技術仕様に合わせて作られた製品であるため、組成が非常に変化する混合物も含まれる場合があります。たとえば、ガソリンは単一の化合物ではなく、特定の混合物でもありません。ガソリンは主に原料、特性、オクタン価によって定義されるため、ガソリンによって化学組成が大きく異なる場合があります。

すべての化学物質には 1 つ以上の体系的な名前があり、通常はIUPAC の命名規則に従って命名されます。CAS ( Chemical Abstracts Service )では別のシステムが使用されています。

多くの化合物は、より一般的で単純な名前でも知られていますが、その多くは体系的な名前よりも古いものです。たとえば、古くから知られている糖である グルコースは、現在体系的に 6-(ヒドロキシメチル)オキサン-2,3,4,5-テトロールと名付けられています。天然物や医薬品にもより単純な名前が付けられています。たとえば、軽い鎮痛剤であるナプロキセンは、化学化合物 (S)-6-メトキシ-α-メチル-2-ナフタレン酢酸のより一般的な名前です。

化学者は、化合物の化学式や分子構造を使って化合物を指すことが多い。世界中のプロの化学者によって合成（または単離）され、科学文献に報告される化合物の数は驚異的に増加している。 ^[18]既知の化学元素の化学的組み合わせによって、膨大な数の化合物が生み出される可能性がある。2021年2月現在、約「1億7700万の有機および無機物質」（6800万の定義済み配列バイオポリマーを含む）が科学文献に掲載され、公開データベースに登録されている。^[19]これらの化合物の多くは、名前がわかりにくいことが多く、覚えたり正確に引用したりするのは簡単ではない。また、文献でそれらを追跡することも困難である。IUPACやCASなどのいくつかの国際組織は、そのような作業を容易にするための措置を開始している。CASは化学文献の抄録サービスを提供しており、化学文献（化学ジャーナルや特許など）で報告されている各化学物質にCAS登録番号と呼ばれる数値識別子を提供している。この情報はデータベースとしてまとめられており、化学物質インデックスとして広く知られています。物質情報用に開発された他のコンピュータ対応システムには、SMILESと国際化学物質識別子(InChI) があります。

多くの場合、純粋な物質は、混合物から分離する必要があります。たとえば、天然源(サンプルには多くの化学物質が含まれていることが多い) や化学反応後(化学物質の混合物が生じることが多い) などです。

化学量論( / ˌ s t ɔɪ k i ˈ ɒ m ɪ t r i / ^ⓘ ）は、化学反応の前、最中、後の反応物と生成物の重量の関係です。

化学量論は、反応物の総質量が生成物の総質量に等しいという質量保存の法則に基づいており、反応物と生成物の量の関係は、通常、正の整数の比率を形成するという洞察につながります。つまり、個々の反応物の量がわかっていれば、生成物の量を計算できます。逆に、1 つの反応物の量がわかっていて、生成物の量を経験的に決定できる場合は、他の反応物の量も計算できます。

これは次の画像で示されており、バランスの取れた方程式は次のようになります。

CH ₄ + 2 O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O

ここでは、メタン分子1 個が酸素ガス分子 2 個と反応して、二酸化炭素分子 1 個と水分子 2 個が生成されます。この特定の化学式は完全燃焼の例です。化学量論はこれらの量的関係を測定し、特定の反応で生成されるか必要な生成物と反応物の量を決定するために使用されます。化学反応に参加する物質間の量的関係を記述することを反応化学量論と呼びます。上記の例では、反応化学量論は、反応して二酸化炭素と水を形成するメタンと酸素の量の関係を測定します。

モル数と原子量の関係はよく知られているため、化学量論によって得られる比率は、平衡方程式で記述される反応における重量による量を決定するために使用できます。これを組成化学量論と呼びます。

ガス化学量論は、ガスが関与する反応を扱います。ガスは既知の温度、圧力、体積にあり、理想気体であると想定できます。ガスの場合、理想気体の法則により、体積比は理想的に同じですが、単一反応の質量比は、反応物と生成物の分子量から計算する必要があります。実際には、同位体が存在するため、質量比の計算にはモル質量が使用されます。

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