Solvent

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 1 mai 2019; verificările necesită 22 de modificări .

Un solvent  este o substanță capabilă să dizolve alte substanțe solide, lichide sau gazoase fără a le modifica chimic. De obicei, la presiunea atmosferică și la temperatura camerei, solventul este un lichid. În consecință, în soluțiile care sunt amestecuri de substanțe lichide și solide sau lichide și gazoase, componenta lichidă este considerată un solvent. În amestecurile de substanțe lichide, solventul este considerat a fi componenta care este prezentă într-o cantitate mult mai mare, sau într-un mod arbitrar [1] [2] .

Se consideră că solvenții utilizați la scară industrială trebuie să aibă următoarele proprietăți: să fie incolori și transparenți, să se evapore fără reziduuri, să fie rezistenți la substanțe chimice, să prezinte o reacție neutră, să aibă un miros ușor sau plăcut, să fie anhidru, să aibă proprietăți fizice permanente și toxicitate scăzută, se descompun în mediu, să fie cât mai ieftin [3] .

Teoria dizolvării

Când substanța A este dizolvată în solventul B, interacțiunile intermoleculare de tipul A-A și B-B sunt distruse și au loc interacțiuni intermoleculare de tipul A-B. O substanță se dizolvă bine într-un solvent dacă forțele interacțiunii intermoleculare într-o substanță pură și într-un solvent pur sunt aproximativ de același ordin. Dimpotrivă, dacă interacțiunea intermoleculară într-o substanță pură este mult mai puternică sau mai slabă decât interacțiunea intermoleculară într-un solvent pur, atunci substanța se dizolvă slab într-un astfel de solvent. Pe scurt, acest principiu este formulat prin expresia „asemenea se dizolvă în asemănător” ( lat.  similia similibus solvuntur ) [4] .

Se disting următoarele tipuri de interacțiuni intermoleculare:

Interacțiunea intermoleculară în componentele pure A și B poate fi mai slabă decât interacțiunea tipului A-B în soluție. În acest caz, în timpul dizolvării, energia internă a sistemului scade , iar procesul de dizolvare în sine este exotermic . Dacă interacțiunea intermoleculară în componentele pure A și B este mai puternică decât în ​​soluție, atunci energia internă în timpul dizolvării crește datorită absorbției de căldură din exterior, adică dizolvarea este endotermă . Majoritatea proceselor de dizolvare sunt endoterme și sunt facilitate de creșterea temperaturii [4] .

Clasificare

Solvenții sunt clasificați în funcție de apartenența la una sau la alta clasă de substanțe chimice [2] :

Caracteristicile moleculelor de solvent

Moment dipol

Solvenții sunt de obicei clasificați în funcție de puterea lor de dizolvare în polari și nepolari . Cu toate acestea, deoarece polaritatea solventului nu poate fi exprimată în termeni fizici specifici, s-au făcut încercări de a exprima polaritatea în termenii unei alte proprietăți fizice. Una dintre aceste proprietăți este momentul dipol al moleculei de solvent. Momentul dipol este suma momentelor dipolare ale legăturilor individuale ale moleculei, astfel încât solvenții simetrici ( tetraclorura de carbon , benzenul , ciclohexanul ) au un moment dipol zero. Alți solvenți aromatici, precum și dioxanul , au un moment dipol scăzut. Moleculele mai puțin simetrice cu legături polare ( alcooli , esteri ) au un moment dipol mai mare (1,6-1,9 D); glicolii și cetonele au un moment dipol și mai mare (2,3-2,9 D); Nitropropanul , DMF și DMSO au momente dipol foarte mari (3,7-5,0 D). Cu toate acestea, dioxanul și DMSO au momente dipol foarte diferite, dar putere de dizolvare similară, astfel încât momentul dipol nu reflectă pe deplin această capacitate [5] .

Polarizabilitate

Interacțiunile dipol-dipol și de inducție în soluții depind de greutatea moleculară a solventului. Deoarece acest parametru nu este luat în considerare în momentul dipolului, puterea de dizolvare a solventului este asociată cu un alt parametru - polarizabilitatea . Cu cât polarizabilitatea este mai mare, cu atât apar mai mulți dipoli polari sub acțiunea unui câmp electric extern. În consecință, cresc și interacțiunile intermoleculare [5] .

Capacitatea de a forma legături de hidrogen

În funcție de puterea legăturilor de hidrogen formate , solvenții sunt împărțiți în trei clase:

Capacitatea solventului de a forma legături de hidrogen este cuantificată de parametrul γ. Acest parametru se obține prin dizolvarea deuterometanolului în solventul investigat și observarea deplasării benzii de vibrație a legăturii OD în spectrul infraroșu [5] .

Solvenții sunt, de asemenea, împărțiți în funcție de rolul lor în formarea legăturilor de hidrogen:

În consecință, dacă în soluție sunt prezenți doar acceptori de protoni, nu se poate forma o legătură de hidrogen. Dacă în soluție există donatori de legături de hidrogen, atunci se formează o astfel de legătură, ceea ce duce la o creștere a solubilității [5] .

Puterea de solvatare

Când o substanță este dizolvată într-un solvent, legăturile intermoleculare din substanță sunt rupte și moleculele individuale ale substanței dizolvate sunt înconjurate de un strat de molecule de solvent. Acest proces de solvatare este estimat prin gradul de solvatare β - numărul de molecule de solvent per moleculă de dizolvat în complexul de solvatare. Gradul de solvatare depinde de mărimea moleculelor de solvent, precum și de toți parametrii de mai sus [5] .

Solvenți protici și aprotici

Dintre solvenți, unii pot fi donatori sau acceptori de protoni sau electroni. Pe această bază, se disting patru grupuri:

Proprietăți fizice și chimice

Evaporare

În funcție de punctul de fierbere , solvenții sunt de obicei împărțiți în punct de fierbere scăzut (<100 °C), cu punct de fierbere mediu (100-150 °C) și cu punct de fierbere ridicat (>150 °C) [2] . În scopuri practice, este de asemenea de interes volatilitatea solventului sub punctul de fierbere. În aceste condiții, solventul lichid este în echilibru cu vaporii săi, a cărui presiune depinde de entalpia molară de vaporizare Δ H V și de temperatura T și este exprimată prin ecuația Clausius-Clapeyron [6] .

Viteza de evaporare nu este direct legată de punctul de fierbere. Aceste valori pot fi comparate numai dacă solvenții sunt similari ca natură chimică. În general, solvenții de legare de hidrogen sunt mai puțin volatili decât alți solvenți cu același punct de fierbere. Acest lucru se datorează costurilor suplimentare de energie pentru distrugerea legăturilor de hidrogen. Deoarece volatilitatea solventului este legată de mulți parametri, aceasta este determinată experimental în condiții de mediu standard și comparată cu volatilitatea eterului dietilic . Volatilitatea este exprimată sub formă de numere de evaporare adimensionale ( ing.  numere de evaporare ), care se referă la o valoare pentru eterul dietilic egal cu 1. Solvenții sunt izolați pe această bază:

În Statele Unite, a fost adoptată o clasificare similară bazată pe volatilitatea acetatului de butii , care este luată ca unitate: evaporare rapidă (> 3,0), evaporare moderată (0,8-3,0), solvenți cu evaporare lentă (<0,8) [6] ] .

Higroscopicitate

Unii solvenți, în special cei care conțin grupări hidroxil (alcooli și glicoli), absorb apa din aer până se stabilește o stare de echilibru, care depinde de temperatura și umiditatea aerului [6] .

Densitate

De obicei , densitatea unui solvent este măsurată la 20 °C și este exprimată ca mărime adimensională d20
4, care este raportul dintre această densitate și densitatea apei la 4 °C, adică . Pentru majoritatea solvenților organici, densitatea d20
4sub unitate si scade odata cu incalzirea. O excepție o reprezintă halocarburile , care sunt mai grele decât apa. În seria omoloagă de esteri și celosolvente, densitatea scade odată cu creșterea greutății moleculare, în timp ce pentru alcooli și cetone crește [6] .

Densitatea relativă a solvenților în serii omoloage [7]
Ester d20
4		 celosolve d20
4		 Alcool d20
4		 Cetonă d20
4
Acetat de metil 0,934 Metil celosolve 0,966 metanol 0,791 Acetonă 0,792
acetat etilic 0,901 etil celosolve 0,931 etanol 0,789 Metil etil cetonă 0,805
acetat de propil 0,886 propil celosolve 0,911 Propanol-1 0,804 Metilpropilcetonă 0,807
Acetat de butil 0,876 Butil celosolve 0,902 Butanol-1 0,810 Amil metil cetonă 0,816

Vâscozitate

În seria omoloage de solvenți, vâscozitatea crește odată cu creșterea greutății moleculare. Prezența grupărilor hidroxil în molecule crește vâscozitatea datorită formării legăturilor de hidrogen. Pe măsură ce temperatura scade, vâscozitatea scade. Vâscozitatea solventului este importantă deoarece determină în principal vâscozitatea soluției [6] . Solvenții cu vâscozitate scăzută au o vâscozitate sub 2 mPa s la 20 °C, solvenții cu vâscozitate medie - de la 2 la 10 mPa s, iar cei cu vâscozitate mare - peste 10 mPa s [2] .

Aprindere

Solvenții sunt clasificați după parametrii lor de inflamabilitate în funcție de punctul lor de aprindere  , temperatura la care un amestec de vapori de solvent și aer se aprinde cu o flacără deschisă. Punctul de aprindere scade odată cu creșterea presiunii de vapori de saturație a solventului, adică cu scăderea greutății sale moleculare și a punctului de fierbere. Punctul de aprindere este legat de punctul de fierbere printr-o ecuație empirică, care oferă valori destul de precise pentru hidrocarburi, cetone și esteri, dar nu este potrivit pentru alcooli, glicoli și eteri de glicol [6] :

. Puncte de aprindere în serii omoloage [8]
Ester Punct de aprindere, °C Cetonă Punct de aprindere, °C
Acetat de metil -13 Acetonă -19
acetat etilic -12 Metil etil cetonă -paisprezece
acetat de propil 12 Metilpropilcetonă 22
Acetat de butil 22 Butil metil cetonă 23

Din motive de siguranță, încearcă să mărească punctul de aprindere. Cu toate acestea, amestecurile de solvenți azeotropi au un punct de aprindere mai mic decât componentele individuale ale acestui amestec, astfel încât utilizarea lor în acest scop este problematică. Punctul de aprindere al toluenului poate fi crescut prin adăugarea de cloroalcani. Punctele de aprindere ale amestecurilor nu sunt neapărat egale cu punctul de aprindere al componentei mai inflamabile. Dacă se amestecă solvenți de natură chimică diferită (de exemplu, un alcan și un alcool), punctul de aprindere este mult redus. Dacă componentele sunt de natură similară, atunci punctul de aprindere se află între valorile componentelor pure [6] .

Vaporii de solvenți se pot aprinde nu numai dintr-o flacără deschisă, ci și spontan când se atinge temperatura de aprindere . Conform acestui parametru, solvenții sunt clasificați în cinci grupe: T5 (100-135 ° C), T4 (135-200 ° C), T3 (200-300 ° C), T2 (300-450 ° C) și T1 ( > 450 ° C). C) [6] .

O explozie cu solvent este un proces de ardere foarte rapid care este inițiat prin aprindere și se desfășoară fără absorbția de energie sau aer din exterior. O explozie poate avea loc numai dacă vaporii de solvent și aerul sunt într-un anumit raport, care este determinat de limitele superioare și inferioare de inflamabilitate [6] .

Proprietăți chimice

Inerția chimică este una dintre condițiile importante pentru ca un lichid să fie utilizat ca solvent. Hidrocarburile alifatice și aromatice îndeplinesc bine această condiție. Alcoolii sunt, de asemenea, foarte stabili, dar reacţionează cu metale alcaline , alcalino -pământoase şi aluminiu , sunt transformaţi în acizi carboxilici sub acţiunea agenţilor oxidanţi puternici şi, de asemenea, reacţionează cu izocianaţi (de aceea nu sunt folosiţi pentru dizolvarea coloranţilor poliuretanici ) [6] .

Eteri , inclusiv eterii de glicol, la expunerea prelungită la aer și lumină, formează peroxizi . Esterii și cetonele sunt destul de stabili, deși esterii se pot hidroliza în acizi carboxilici și alcooli, în special în condiții acide sau alcaline. Într-un mediu neutru, acest proces are loc mult mai lent: în 130 de zile la 20 °C se hidrolizează aproximativ 15 g de 44 g acetat de etil în 1 litru de apă [6] .

Solvenții clorurati eliberează acid clorhidric în prezența bazelor și a metalelor , deși se adaugă de obicei stabilizatori pentru a evita acest lucru [6] .

Aplicație

Culori

Vopselele folosesc compoziții complexe de solvenți care variază în funcție de aplicarea vopselei, temperatură și timpul de uscare . Uscarea vopselei la temperatura camerei conține aproximativ 45% solvenți cu punct de fierbere ușor, 45% cu punct de fierbere mediu și 10% solvenți cu punct de fierbere ridicat. Solvenții cu punct de fierbere scăzut asigură uscarea rapidă a vopselei, iar solvenții cu punct de fierbere ridicat asigură o suprafață netedă a stratului. Dacă acoperirea se usucă la o temperatură ridicată, atunci vopseaua, dimpotrivă, nu conține solvenți cu punct de fierbere scăzut, deoarece atunci când sunt încălzite, aceștia vor umfla suprafața stratului. De asemenea, liantul joacă un rol important în formularea compoziției solvenților [9] .

De asemenea, la crearea unei compoziții, se ia în considerare vâscozitatea solventului, efectul acestuia asupra proprietăților mecanice ale vopselei și alți parametri, inclusiv caracteristicile de utilizare [9] . De exemplu, cernelurile de imprimare ar trebui să utilizeze solvenți care dizolvă ușor liantul, dar, în același timp, solventul nu trebuie să interacționeze cu rolele de cupru sau cauciucul din sistemul de imprimare [10] .

Dispozitive de îndepărtare a vopselei

Solvenții sunt utilizați pentru a îndepărta stratul de vopsea, care fie se dizolvă bine, fie poate duce la umflarea semnificativă a componentelor liantului de vopsea. Mai ales adesea se folosește un amestec de diclormetan cu cetone sau esteri cu punct de fierbere scăzut. Cantități mici de solvenți cu punct de fierbere ridicat ( tetrahidronaftalină , naftalină , alcool benzilic etc.) sunt adăugate la aceste formulări pentru a încetini evaporarea. Compozițiile moderne nu conțin cloroalcani: se prepară din solvenți cu punct de fierbere ridicat ( DMF , DMSO , carbonat de propilenă și N-metilpirolidonă ) cu adaos de alcooli sau substanțe aromatice [10] .

Producția de fibre

La fabricarea fibrelor , soluțiile sunt preparate folosind solvenți care sunt ieftini, volatili, ușor de recuperat și au o vâscozitate cât mai scăzută. Astfel, diclormetanul și metanolul sunt utilizate pentru triacetatul de celuloză , acetona este utilizată pentru clorură de polivinil, iar dimetilsulfoxidul sau carbonatul de propilenă este utilizat pentru poliacrilonitril [10] .

Degresare

Pentru degresarea metalelor se folosesc cetone si clorohidrocarburi (tricloretilena, tetracloretilena, diclormetan). În același timp, acestea din urmă sunt stabilizate astfel încât acidul clorhidric să nu fie eliberat la contactul cu metalele. Treptat, solvenții organici sunt înlocuiți cu compuși apoși, ceea ce este asociat cu protecția mediului [10] .

Extragere

Solvenții sunt utilizați pe scară largă în procesele de extracție pentru separarea industrială, izolarea sau purificarea substanțelor. De exemplu, componentele nesaturate din uleiurile vegetale sunt îndepărtate cu metanol sau furfural . Solvenții sunt folosiți și în distilarea extractivă: în acest caz, la amestecul de separat se adaugă un solvent cu punct de fierbere ridicat, care interacționează selectiv cu unul dintre componente, reducându-i volatilitatea. Deci, de exemplu, ciclohexanul (bp 80,8 °C) și benzenul (bp 80,1 °C) pot fi separate prin distilare după adăugarea anilinei , deoarece interacționează mai puternic cu benzenul decât cu ciclohexanul [10] .

Cromatografia

Solventul din cromatografie acționează ca o fază mobilă și concurează pentru substanța dizolvată cu un sorbent solid . Distribuția substanțelor între aceste faze depinde nu numai de natura sorbantului, ci și de caracteristicile solventului. Solvenții sunt grupați în serii eluotrope, care reflectă puterea de eluare a solventului (care, în cazul adsorbanților polari, crește odată cu polaritatea solventului) [10] .

Efectuarea reacțiilor chimice

Solvenții servesc ca mediu de reacție în sinteza organică. Acestea asigură contactul între substanțele care reacţionează, creând un mediu omogen și afectează, de asemenea, echilibrul , viteza și ordinea reacției , interacționând cu materiile prime, produsele și particulele intermediare [2] . În funcție de tipul de reacție, sunt necesari diferiți solvenți. Odată cu acumularea experienței, au fost selectați solvenți adecvați pentru unele reacții:

Efect toxic

Toxicitate acută și cronică

Solvenții au efecte diferite asupra oamenilor, animalelor și plantelor. Această acțiune depinde atât de cantitatea de solvent, cât și de timpul de acțiune. Expunerea la o cantitate mare de solvent într-un timp scurt poate duce la probleme acute de sănătate, iar expunerea prelungită la doze mici poate duce la efecte cronice și sensibilizare , precum și la alergii [11] .

Toxicitatea solventului este cuantificată ca doză semiletală DL50 sau, deoarece expunerea la solvent are loc adesea prin inhalare, ca concentrație semiletală LC50. Când sunt inhalați, solvenții sunt absorbiți prin plămâni în fluxul sanguin și apoi se acumulează în țesuturile bogate în lipide ( nervi , creier , măduva spinării , țesut adipos , ficat și rinichi ). De asemenea, solvenții pot avea un efect nociv asupra celulelor. În unele cazuri, solvenții pătrund în organism prin piele sau, mai rar, prin tubul digestiv [11] .

În intoxicația acută cu solvent apar amețeli, somnolență, dureri de cap, pierderea conștienței și semne de acțiune narcotică. Acțiunea cronică este greu de detectat în stadiile inițiale, dar ulterior, din cauza acesteia, apar afectarea anumitor organe, în funcție de solventul specific [11] .

Solvenții pot fie dizolva stratul de grăsime de pe piele, ceea ce duce la crăpare și crește riscul de infecție, fie poate provoca în mod direct inflamație și vezicule. Anilina , benzenul , dimetilacetamida , dimetilformamida , dioxanul , metanolul , nitrobenzenul , tetraclorura de carbon și alți solvenți sunt foarte ușor absorbiți prin piele [11] .

Carcinogenitate

În Germania, conform reglementărilor tehnice privind substanțele periculoase ( germană:  Technische Regeln für Gefahrstoffe TRG 900 ), unii solvenți sunt clasificați drept cancerigeni . Acestea se încadrează în secțiunea A (substanțe pentru care a fost demonstrat fără echivoc un efect cancerigen) și secțiunea B (substanțe care sunt considerate în mod justificat a fi suspectate de a fi cancerigene). Secțiunea A include subsecțiunea A1 (substanțe care, conform experienței, pot provoca tumori maligne la om) și subsecțiunea A2 (substanțe al căror efect cancerigen a fost clar demonstrat în experimente cu animale). Aceste liste includ următorii solvenți:

Teratogenitate și embriotoxicitate

În Germania, substanțele potențial teratogene și embriotoxice sunt împărțite în patru grupe: cu efecte arătate (Grupa A), cu efecte probabile (Grupa B), fără efecte, cu condiția respectării MPC (Grupa C), substanțe pentru care nu se evaluează. încă posibil (Grupa D). Conform acestei clasificări, în grupa B sunt dimetilformamidă, etil cellosolve, etil cellosolve acetat, metil cellosolve, metil cellosolve acetat, 2-metoxipropanol-1, 2-metoxipropanol-1 acetat, disulfură de carbon, toluen și cloroform. O serie de solvenți se găsesc și în grupele C și D [11] .

Aspecte economice

Solvenții sunt folosiți pe scară largă în diverse industrii, dar se preconizează că utilizarea lor va scădea datorită introducerii legislației care vizează protecția mediului [12] .

Consumul de solvenți în Europa de Vest (în % din consumul total) [12]
Solvenți 1980 1986 1990 1995 2000*
Solvenți care conțin oxigen 36.5 45 51 58 65
Hidrocarburi alifatice 28.5 22 20.5 19 optsprezece
hidrocarburi aromatice 20.5 douăzeci 19 17 15.5
Clorocarburi 14.5 13 9.5 6 1.5
Consum total, milioane de tone 5.1 4,75 4.7 4.15 3.3

* valorile prezise

Vezi și

Note

  1. ↑ Ullmann, 2000 , p. 619.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Enciclopedia chimică, 1995 .
  3. ↑ Ullmann, 2000 , p. 620.
  4. ↑ 1 2 3 Ullmann, 2000 , p. 620–624.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Ullmann, 2000 , p. 624–630.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Ullmann, 2000 , p. 630–637.
  7. ↑ Ullmann, 2000 , p. 632.
  8. ↑ Ullmann, 2000 , p. 634.
  9. ↑ 12 Ullmann, 2000 , p. 645–648.
  10. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Ullmann, 2000 , p. 648–650.
  11. ↑ 1 2 3 4 5 6 Ullmann, 2000 , p. 637–640.
  12. ↑ 12 Ullmann, 2000 , p. 650.

Literatură