化学物質
すべての物質はさまざまな元素や化合物から構成されているが、それらはしばしば緊密に混ざり合っている。混合物には複数の化学物質が含まれており、その組成は一定ではない。原理的には、純粋に機械的な処理によって構成物質に分離することができる。バター、土壌、木材は混合物の一般的な例である。
灰色の金属鉄と黄色の硫黄はどちらも化学元素であり、任意の割合で混合して黄灰色の混合物を作ることができる。このとき化学的な反応は起こらず、磁石を使用して鉄を硫黄から引き離すなどの機械的な処理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見分けることができる。
一方、鉄と硫黄を一定の割合(硫黄1原子に対して鉄1原子、または重量比で硫黄32グラム(1モル)に対して鉄56グラム(1モル))で一緒に加熱すると化学反応が起こり、化学式 FeS で表される硫化鉄(II)という化合物が新たに生成する。生じた化合物は化学物質のすべての性質を備えており、混合物ではない。硫化鉄(II)は融点や溶解度など独自の特性を持っており、2つの元素を通常の機械的な処理で分離することはできない。この化合物中には金属鉄が存在しないため、磁石で鉄を回収することはできない。
化合物とは、特定の原子やイオンの集合から構成される化学物質である。2種類以上の元素が化学反応によって1つの物質に結合したものが化合物である。すべての化合物は物質であるが、すべての物質が化合物というわけではない。
化合物には、原子どうしが結合して分子を形成しているものと、原子、分子、またはイオンが結晶格子を形成した結晶がある。炭素原子と水素原子を主な成分とする化合物を有機化合物といい、それ以外は無機化合物という。炭素と金属の結合を含む化合物は有機金属化合物という。
各原子が電子を共有する化合物は共有結合化合物という。逆電荷を帯びたイオンどうしからなる化合物はイオン化合物または塩という。
配位錯体(はいいさくたい)は、共有結合やイオン結合がなくても、配位結合によって物質が結合し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、明確な性質を持つ物質である。典型的には、銅イオンなどの金属が中心にあり、アンモニア分子の窒素や水中の水分子の酸素のような非金属原子が金属中心に配位結合を形成する(例:硫酸テトラアンミン銅(II)水和物(英語版)、[Cu(NH3)4]SO4·H2O)。
「化学物質」という概念は、化学者ジョゼフ・プルーストが塩基性炭酸銅などの純粋な化合物の組成についての研究に続き、18世紀後半に確立した。彼は、「ある化合物のサンプルはすべて同じ組成を持つ。つまり、すべてのサンプルは、その化合物中に存在する元素の質量比が同じである」と推論した。現在、これは一定組成の法則(定比例の法則)として知られている。その後、特に有機化学の領域で化学合成の方法が進歩し、多くの化学元素が発見され、化学物質から元素や化合物を単離・精製する分析化学の領域で新しい技術が確立されて、現代化学の確立に到ったことで、この概念はほとんどの化学の教科書で説明されているように定義されるようになった。しかし、この定義については、化学文献で報告されている多数の化学物質を索引化する必要があるという理由で、いくつかの論点がある。
異性体はまったく同じ組成を持つが、原子の配置(配列)が異なるため、初期の研究者たちは大いに驚いた。たとえば、ベンゼンの化学的同一性については、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、多くの憶測があった。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という考え方も、異なる化学物質という概念を理解する上で重要な一歩となった。たとえば、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一対のジアステレオマーである。