Em química, uma substância é um tipo de matéria que mantém uma composição química própria e apresenta propriedades características. Ela pode ser formada por um único elemento químico ou por um composto químico, e pode existir em estados físicos diferentes sem deixar de ser a mesma substância.
Quando duas ou mais substâncias estão juntas e continuam mantendo suas próprias identidades, o material é uma mistura. Mudanças de estado, como a passagem de líquido para vapor, não formam necessariamente outra substância, enquanto uma reação química pode transformar as substâncias presentes em novas substâncias.
Na prática, uma amostra pode conter pequenas quantidades de outros componentes, e sua pureza é expressa pela proporção da substância de interesse no material analisado. Composição, estrutura, propriedades físicas e métodos de análise são usados em conjunto para dizer de que substância se trata e quão pura é uma amostra.
O conceito de substância organiza boa parte da linguagem da química, desde a diferença entre elementos, compostos e misturas até a forma como materiais são nomeados, analisados, produzidos e regulados. Alguns casos, como ligas, polímeros, soluções sólidas e materiais de composição variável, exigem critérios mais detalhados, porque não cabem perfeitamente na imagem simples de uma substância com proporções sempre idênticas.
Conceito químico
Composição, propriedades e fases
miniatura|esquerda|O vermelho do Nilo é um corante solvatocrômico.Um material é chamado de solvatocrômico quando sua cor ou seu espectro muda conforme o solvente ao redor das moléculas. Isso acontece porque o ambiente químico do solvente altera a forma como a substância absorve e emite luz. Seus espectros de absorção e fluorescência mudam conforme o ambiente do solvente.
Em química, uma substância mantém uma composição própria e apresenta um conjunto de propriedades que ajuda a distingui-la de outras substâncias. Entre essas propriedades estão densidade, índice de refração, condutividade elétrica e ponto de fusão. Os valores medidos dependem das condições do experimento, por isso dados como densidade, ponto de fusão e ponto de ebulição costumam ser analisados em conjunto ao caracterizar uma amostra.
miniatura|direita|Mudanças entre sólido, líquido e gás alteram o estado físico sem necessariamente alterar a identidade química. No plasma, o gás está ao menos parcialmente ionizado.
Quando uma substância muda de estado físico, sua identidade química pode continuar a mesma, e uma fase corresponde a uma parte uniforme de um sistema quanto à composição química e ao estado físico. Água líquida e gelo, por exemplo, têm a mesma composição, embora pertençam a fases diferentes. Mudanças de temperatura e pressão podem provocar transições de fase, enquanto uma reação química altera as espécies presentes e pode formar outras substâncias. O plasma é um caso particular, definido como um gás ao menos parcialmente ionizado que contém elétrons, átomos, íons e moléculas. A ionização faz parte da própria definição dessa forma de matéria.
A água pura ajuda a separar duas ideias que às vezes se confundem: identidade química e estado físico. Cada molécula de água tem dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio, o que corresponde à fórmula H2O.Numa fórmula química, o número pequeno escrito abaixo da linha indica quantos átomos daquele elemento aparecem na unidade representada. Em H2O, o 2 indica dois átomos de hidrogênio, enquanto a ausência de número depois de O indica um átomo de oxigênio. Sob pressão de 101,325 kPaEssa pressão é aproximadamente igual à pressão atmosférica média ao nível do mar, também chamada de uma atmosfera. O ponto de ebulição muda quando a pressão muda, por isso a pressão precisa acompanhar esse tipo de medida., seu ponto de ebulição fica muito próximo de 100 °C e, na escala ITS-90, a temperatura atmosférica de ebulição é aproximadamente 99,974 °C. Outros exemplos de substâncias são o diamante, uma forma cristalina do elemento carbono, o cloreto de sódio NaCl, um composto iônico de sódio e cloreto em proporção 1:1, e a sacarose C12H22O11.
Substâncias, misturas e pureza
miniatura|direita|A aparência uniforme não basta para distinguir uma substância de uma mistura. Em vidros rubi coloridos com ouro, nanopartículas de ouroNanopartículas são partículas tão pequenas que suas dimensões são medidas em nanômetros. Um nanômetro corresponde a um bilionésimo de metro, ou 0,000000001 m. produzem a cor vermelha.
Ao examinar uma amostra de matéria, ela pode ser formada por uma única substância ou por uma mistura. Nas misturas, mais de uma substância permanece presente e a composição não precisa ser fixa. Manteiga, solo e madeira são exemplos comuns. Dependendo do material, seus componentes podem ser separados por processos físicos, como cromatografia, destilação ou evaporação.
miniatura|esquerda|Mistura de água e areia durante a decantação. A areia se deposita no fundo, permitindo separar fisicamente os componentes.
Dizer que uma amostra é "pura" não significa provar que nenhum contaminante existe em quantidade alguma. A pureza química é a proporção do componente especificado em relação ao material analisado, enquanto os demais componentes são tratados como impurezas. Como cada método tem limites próprios de detecçãoO limite de detecção é a menor quantidade que um método consegue perceber com confiança. Abaixo desse limite, um contaminante pode estar presente sem produzir um sinal claro no exame., uma declaração de pureza precisa ser entendida à luz da forma como a amostra foi medida.
Misturar ferro metálico com enxofre em pó ajuda a visualizar a diferença entre mistura e substância formada por reação química. Antes do aquecimento, os dois materiais continuam separados em termos químicos e um ímã consegue retirar o ferro da mistura.
Se a mistura for aquecida em proporções adequadas, ferro e enxofre reagem e formam sulfeto de ferro(II), FeS, e uma proporção usada em demonstrações didáticas é de aproximadamente 7 g de ferro para 4 g de enxofre. Depois da reação, o ímã já não separa o produto em ferro e enxofre.
Na linguagem científica, chamar algo de substância química não significa que ele seja artificial, industrial ou perigoso. Água, oxigênio, sacarose e substâncias presentes em plantas também são substâncias químicas. Na fala cotidiana e na publicidade, porém, expressões como "sem química" podem ser usadas para sugerir que um produto é natural, pouco processado ou livre de componentes considerados indesejáveis. O risco de uma substância depende de fatores como sua identidade, a quantidade envolvida e as condições de exposição, e não simplesmente de ela ser natural ou sintética.
Identidade química, espécie química e entidade molecular
miniatura|direita|upright=0.7|Embora glicose e frutose tenham a mesma fórmula molecular, C6H12O6, seus átomos estão ligados de maneiras diferentes, por isso elas são isômeros.
miniatura|esquerda|upright=0.5|Frasco de D-glicose. Cada molécula pertence à espécie química glicose.
Substância, espécie química e entidade molecular não são maneiras diferentes de dizer exatamente a mesma coisa. Uma espécie química reúne entidades quimicamente idênticas que, durante a escala de tempo consideradaNa química, algumas entidades mudam de forma ou se transformam umas nas outras muito rapidamente. A escala de tempo indica por quanto tempo elas estão sendo observadas e ajuda a decidir se essas formas podem ser tratadas como uma mesma espécie química ou como espécies distintas., podem explorar o mesmo conjunto de níveis de energia molecular. O termo também pode ser usado para unidades estruturais idênticas em sólidos. Já uma entidade molecular é uma unidade individual que pode ser distinguida, como um átomo, uma molécula, um íon, um radical, um complexo ou outra entidade definida por sua constituição ou composição isotópica.A composição isotópica informa quais isótopos de um elemento estão presentes e em que proporção. Isótopos são átomos do mesmo elemento que têm o mesmo número de prótons, mas números diferentes de nêutrons.
Ter a mesma fórmula molecular não garante a mesma identidade química, como ocorre com a glicose e a frutose, que têm a fórmula C6H12O6 mas apresentam ligações diferentes entre seus átomos. Na forma de cadeia aberta, a glicose contém um grupo aldeído, enquanto a frutose contém um grupo cetona. Compostos com a mesma fórmula molecular e arranjos diferentes dos átomos são isômeros.
Quando a glicose está dissolvida em água, existe um equilíbrio reversível entre sua forma de cadeia aberta e formas cíclicas hemiacetálicasNa glicose, uma parte da própria molécula reage com o grupo carbonila e fecha a cadeia em um anel. O produto dessa reação interna é chamado de hemiacetal, por isso essas formas recebem o nome de hemiacetálicas., que são as predominantes. Esse tipo de equilíbrio também ajuda a entender por que a escala de tempo entra na definição de espécie química: a definição considera o comportamento das entidades durante o intervalo em que elas são observadas.
Classificação Há mais de uma maneira de classificar substâncias, porque a escolha depende do aspecto químico que se quer comparar. A divisão mais geral separa substâncias simples, formadas por um único elemento, de substâncias compostas. Também é possível agrupá-las por semelhanças de comportamento e estrutura, como ácidos, bases, óxidos, sals e classes definidas por grupos funcionais.
Substâncias simples e elementos químicos miniatura|direita|No enxofre nativo, o elemento químico enxofre está na forma de substância simples, embora também faça parte de compostos como sulfetos, sulfatos, compostos organossulfurados e sulfeto de hidrogênio.
Quando todos os átomos de uma substância pertencem ao mesmo elemento químico, ela é uma substância simples. Quando há átomos de elementos diferentes, trata-se de uma substância composta. O2 e o ozônio, O3, são substâncias simples formadas pelo elemento oxigênio, enquanto H2O e NaCl são substâncias compostas. Um mesmo elemento também pode formar substâncias simples com estruturas diferentes, chamadas formas alotrópicas. Essas modificações estruturais recebem o nome de alótropos.
A expressão "elemento químico" pode indicar duas ideias próximas: a espécie de átomos com o mesmo número de prótons no núcleo ou a substância pura formada por esses átomos. Para deixar o segundo sentido mais claro, também se usa a expressão "substância elementar"."Substância elementar" ajuda a separar o material real do conceito de elemento. O oxigênio é um elemento químico, por exemplo, enquanto O2 é uma substância elementar formada apenas por átomos desse elemento. Uma reação química não decompõe nem transforma um elemento em outro, embora uma reação nuclear possa produzir essa transmutação. Átomos do mesmo elemento têm igual número de prótons e podem pertencer a isótopos diferentes, com números distintos de nêutrons.
A tabela periódica reúne 118 elementos químicos reconhecidos pela IUPAC, e a maioria deles é classificada como metal. Os não metais formam um grupo menor que inclui carbono, nitrogênio e oxigênio. Perto da fronteira entre metais e não metais, alguns elementos têm propriedades intermediárias e são chamados de metaloides ou semimetais.
Substâncias compostas miniatura|direita|O ferricianeto de potássio reúne potássio, ferro, carbono e nitrogênio numa substância composta, com propriedades próprias em vez das de uma simples mistura dos elementos. Em condições ácidas ou sob aquecimento, pode formar espécies de cianeto tóxicas.