Растворитель (от латинского solvō — «ослаблять, развязывать, растворять») — вещество, которое растворяет растворенное вещество, в результате чего образуется раствор . Растворитель обычно представляет собой жидкость, но также может быть твердым веществом, газом или сверхкритической жидкостью . Вода является растворителем полярных молекул и наиболее распространенным растворителем, используемым живыми существами; все ионы и белки в клетке растворены в воде внутри клетки.
Растворители в основном используются в красках, средствах для удаления краски, чернилах и химической чистке. [2] Органические растворители конкретно используются в химической чистке (например, тетрахлорэтилен ); как разбавители красок ( толуол , скипидар ); в качестве жидкости для снятия лака и растворителей клея ( ацетон , метилацетат , этилацетат ); в пятновыводителях ( гексан , петролейный эфир); в моющих средствах ( цитрусовые терпены ); и в парфюмерии ( этанол ). Растворители находят различное применение в химической, фармацевтической , нефтегазовой промышленности, в том числе в процессах химического синтеза и очистки.
Когда одно вещество растворяется в другом, образуется раствор . [3] Это противоположно ситуации, когда соединения нерастворимы, как песок в воде. В растворе все ингредиенты равномерно распределяются на молекулярном уровне и не остается остатков. Смесь растворителя и растворенного вещества состоит из одной фазы , причем все молекулы растворенного вещества встречаются в виде сольватов ( комплексов растворитель-растворенное вещество ), в отличие от отдельных непрерывных фаз, как в суспензиях, эмульсиях и других типах нерастворенных смесей. Способность одного соединения растворяться в другом называется растворимостью; если это происходит во всех пропорциях, его называют смешивающимся .
Помимо смешивания, вещества в растворе взаимодействуют друг с другом на молекулярном уровне. Когда что-то растворяется, молекулы растворителя располагаются вокруг молекул растворенного вещества. Участвует теплообмен и увеличивается энтропия , что делает раствор более термодинамически стабильным , чем растворенное вещество и растворитель по отдельности. Такое расположение обусловлено соответствующими химическими свойствами растворителя и растворенного вещества, такими как водородная связь , дипольный момент и поляризуемость . [4] Сольватация не вызывает химических реакций или изменений химической конфигурации растворенного вещества. Однако сольватация напоминает реакцию образования координационного комплекса , часто со значительной энергетикой (теплота сольватации и энтропия сольватации) и поэтому далека от нейтрального процесса.
Когда одно вещество растворяется в другом, образуется раствор. Раствор – это гомогенная смесь, состоящая из растворенного вещества в растворителе. Растворенное вещество – это вещество, которое растворяется, а растворитель – это растворяющая среда. Растворы могут быть приготовлены с использованием множества различных типов и форм растворенных веществ и растворителей.
Растворители можно разделить на две категории: полярные и неполярные . Особый случай — элементарная ртуть , растворы которой известны как амальгамы ; кроме того, существуют растворы других металлов , которые являются жидкими при комнатной температуре.
Обычно диэлектрическая проницаемость растворителя является грубой мерой полярности растворителя. На сильную полярность воды указывает ее высокая диэлектрическая проницаемость 88 (при 0 °C). [5] Растворители с диэлектрической проницаемостью менее 15 обычно считаются неполярными. [6]
Диэлектрическая проницаемость измеряет тенденцию растворителя частично компенсировать напряженность электрического поля заряженной частицы, погруженной в него. Это уменьшение затем сравнивается с напряженностью поля заряженной частицы в вакууме. [6] Эвристически диэлектрическую проницаемость растворителя можно рассматривать как его способность уменьшать эффективный внутренний заряд растворенного вещества . Как правило, диэлектрическая проницаемость растворителя является приемлемым показателем способности растворителя растворять распространенные ионные соединения , такие как соли.
Диэлектрическая проницаемость — не единственная мера полярности. Поскольку растворители используются химиками для проведения химических реакций или наблюдения химических и биологических явлений, необходимы более конкретные меры полярности. Большинство этих мер чувствительны к химической структуре.
Шкала Грюнвальда -Винштейна m Y измеряет полярность с точки зрения влияния растворителя на накопление положительного заряда растворенного вещества во время химической реакции.
Z - шкала Косауэра измеряет полярность с точки зрения влияния растворителя на максимумы УФ -поглощения соли, обычно йодида пиридиния или цвиттер-иона пиридиния. [7]
Число доноров и шкала доноров-акцепторов измеряют полярность с точки зрения того, как растворитель взаимодействует с конкретными веществами, такими как сильная кислота Льюиса или сильное основание Льюиса. [8]
Параметр Хильдебранда представляет собой квадратный корень из плотности энергии сцепления . Его можно использовать с неполярными соединениями, но нельзя использовать сложную химию.
Краситель Райхардта, сольватохромный краситель, меняющий цвет в зависимости от полярности, дает шкалу значений ET ( 30). E T — энергия перехода между основным состоянием и низшим возбужденным состоянием в ккал/моль, а (30) идентифицирует краситель. Другая, примерно коррелирующая шкала ( ET ( 33)) может быть определена с нильским красным .
Полярность, дипольный момент, поляризуемость и водородные связи растворителя определяют, какой тип соединений он способен растворять и с какими другими растворителями или жидкими соединениями он смешивается . Как правило, полярные растворители лучше всего растворяют полярные соединения, а неполярные растворители лучше всего растворяют неполярные соединения; следовательно, « подобное растворяется в подобном ». Сильно полярные соединения, такие как сахара (например, сахароза ) или ионные соединения, такие как неорганические соли (например, поваренная соль ), растворяются только в очень полярных растворителях, таких как вода, тогда как сильно неполярные соединения, такие как масла или воски , растворяются только в очень неполярных органических растворителях, таких как гексан . Точно так же вода и гексан (или уксус и растительное масло) не смешиваются друг с другом и быстро разделяются на два слоя даже после хорошего встряхивания.
Полярность можно разделить на разные вклады. Например, параметрами Камлета-Тафта являются диполярность/поляризуемость ( π* ), кислотность водородных связей ( α ) и основность водородных связей ( β ). Их можно рассчитать по сдвигу длины волны 3–6 различных сольватохромных красителей в растворителе, обычно включая краситель Райхардта , нитроанилин и диэтилнитроанилин. Другой вариант, параметры растворимости Хансена , разделяет плотность энергии когезии на вклады дисперсии, полярности и водородных связей.
Растворители с диэлектрической проницаемостью (точнее, относительной статической диэлектрической проницаемостью ) более 15 (т.е. полярные или поляризуемые) можно дополнительно разделить на протонные и апротонные. Протонные растворители, такие как вода , сольватируют анионы (отрицательно заряженные растворенные вещества) сильно за счет водородных связей . Полярные апротонные растворители , такие как ацетон или дихлорметан , имеют тенденцию иметь большие дипольные моменты (разделение частичных положительных и частичных отрицательных зарядов внутри одной и той же молекулы) и сольватировать положительно заряженные частицы через их отрицательный диполь. [9] В химических реакциях использование полярных протонных растворителей благоприятствует механизму реакции S N 1 , тогда как полярные апротонные растворители благоприятствуют механизму реакции S N 2 . Эти полярные растворители способны образовывать водородные связи с водой и растворяться в воде, тогда как неполярные растворители не способны образовывать прочные водородные связи.
Растворители сгруппированы в неполярные , полярные апротонные и полярные протонные растворители, причем каждая группа упорядочена по возрастанию полярности. Жирным шрифтом выделены свойства растворителей , превосходящие свойства воды.
Институт зеленой химии ACS поддерживает инструмент для выбора растворителей на основе анализа свойств растворителей методом главных компонентов . [12]
Значения параметра растворимости Хансена ( HSP) [13] [14] основаны на дисперсионных связях (δD), полярных связях (δP) и водородных связях (δH). Они содержат информацию о межмолекулярных взаимодействиях с другими растворителями, а также с полимерами, пигментами, наночастицами и т. д. Это позволяет разрабатывать рациональные составы, зная, например, что существует хорошее соответствие HSP между растворителем и полимером. Рациональные замены также могут быть сделаны для «хороших» растворителей (эффективных при растворении растворенного вещества) на «плохие» (дорогие или опасные для здоровья или окружающей среды). В следующей таблице показано, что интуитивное понимание «неполярных», «полярных апротонных» и «полярных протонных» выражается численно: «полярные» молекулы имеют более высокие уровни δP, а протонные растворители имеют более высокие уровни δH. Поскольку используются числовые значения, сравнения можно проводить рационально, сравнивая числа. Например, ацетонитрил гораздо более полярен, чем ацетон, но имеет немного меньше водородных связей.
Если по экологическим или другим причинам требуется заменить растворитель или смесь растворителей другим растворителем с эквивалентной растворяющей способностью, замена может быть произведена на основе параметров растворимости Хансена каждого из них. Значения для смесей принимаются как средневзвешенные значения для чистых растворителей. Это можно рассчитать методом проб и ошибок , с помощью электронной таблицы значений или программного обеспечения HSP. [13] [14] Смесь толуола и 1,4-диоксана в соотношении 1:1 имеет значения δD, δP и δH 17,8, 1,6 и 5,5, что сопоставимо со значениями хлороформа при 17,8, 3,1 и 5,7 соответственно. Из-за опасности для здоровья, связанной с самим толуолом, другие смеси растворителей можно найти, используя полный набор данных HSP.
Температура кипения является важным свойством, поскольку она определяет скорость испарения. Небольшие количества растворителей с низкой температурой кипения, таких как диэтиловый эфир , дихлорметан или ацетон, испаряются за секунды при комнатной температуре, тогда как растворители с высокой температурой кипения, такие как вода или диметилсульфоксид , требуют более высоких температур, потока воздуха или применения вакуума . для быстрого испарения.
Большинство органических растворителей имеют меньшую плотность , чем вода, а это значит, что они легче воды и образуют слой поверх воды. Важным исключением является то, что большинство галогенированных растворителей, таких как дихлорметан или хлороформ , опускаются на дно контейнера, оставляя воду в качестве верхнего слоя. Это очень важно помнить при распределении соединений между растворителями и водой в делительной воронке во время химического синтеза.
Часто вместо плотности указывается удельный вес. Удельный вес определяется как плотность растворителя, деленная на плотность воды при той же температуре. Таким образом, удельный вес является безразмерной величиной. Он легко определяет, будет ли нерастворимый в воде растворитель плавать (SG < 1,0) или тонуть (SG > 1,0) при смешивании с водой.
Многокомпонентные растворители появились после Второй мировой войны в СССР и продолжают использоваться и производиться в государствах постсоветского пространства. Эти растворители могут иметь одно или несколько применений, но они не являются универсальными препаратами.
Большинство органических растворителей легковоспламеняющиеся или легковоспламеняющиеся, в зависимости от их летучести . Исключением являются некоторые хлорированные растворители, такие как дихлорметан и хлороформ . Смеси паров растворителя и воздуха могут взорваться . Пары растворителя тяжелее воздуха; они осядут на дно и смогут преодолевать большие расстояния практически в неразбавленном состоянии. Пары растворителя также можно обнаружить в предположительно пустых бочках и канистрах, что создает опасность внезапного возгорания ; поэтому пустые контейнеры из-под летучих растворителей следует хранить открытыми и перевернутыми.
И диэтиловый эфир , и сероуглерод имеют исключительно низкие температуры самовоспламенения , что значительно увеличивает риск возгорания, связанный с этими растворителями. Температура самовоспламенения сероуглерода ниже 100 °C (212 °F), поэтому такие предметы, как паровые трубы, электрические лампочки , электрические плиты и недавно погасшие бунзеновские горелки , могут воспламенить его пары.
Кроме того, некоторые растворители, такие как метанол, могут гореть очень горячим пламенем, которое может быть почти невидимым при некоторых условиях освещения. [20] [21] Это может задержать или помешать своевременному распознаванию опасного пожара до тех пор, пока пламя не распространится на другие материалы.
Эфиры , такие как диэтиловый эфир и тетрагидрофуран (ТГФ), могут образовывать взрывоопасные органические пероксиды под воздействием кислорода и света. ТГФ обычно с большей вероятностью образует такие пероксиды, чем диэтиловый эфир. Одним из наиболее чувствительных растворителей является диизопропиловый эфир , однако все эфиры считаются потенциальными источниками пероксидов.
Гетероатом ( кислород ) стабилизирует образование свободного радикала , который образуется в результате отрыва атома водорода другим свободным радикалом. [ необходимо разъяснение ] Образующийся таким образом углеродцентрированный свободный радикал способен вступать в реакцию с молекулой кислорода с образованием перекисного соединения. Процесс образования перекиси значительно ускоряется при воздействии даже низкого уровня света, но может протекать медленно даже в темноте.
Если не используется осушитель , который может разрушить пероксиды, они будут концентрироваться во время дистилляции из-за более высокой температуры кипения . Когда образуется достаточное количество пероксидов, они могут образовывать кристаллический , чувствительный к ударам твердый осадок в горлышке контейнера или бутылки. Незначительные механические воздействия, такие как соскабливание внутренней части сосуда или вымывание отложений, простое закручивание крышки может обеспечить достаточную энергию для взрыва или детонации перекиси . Образование пероксида не является серьезной проблемой, когда свежие растворители быстро израсходованы; они представляют собой большую проблему в лабораториях, которым могут потребоваться годы, чтобы закончить одну бутылку. Пользователи с небольшими объемами должны приобретать только небольшие количества растворителей, склонных к перекиси, и регулярно выбрасывать старые растворители.
Чтобы избежать взрывного образования перекиси, эфиры следует хранить в герметичном контейнере, вдали от света, поскольку и свет, и воздух могут способствовать образованию перекиси. [22]
Для обнаружения присутствия пероксида в эфире можно использовать ряд тестов; один из них - использовать комбинацию сульфата железа (II) и роданида калия . Пероксид способен окислять ион Fe 2+ до иона Fe 3+ , который затем образует темно-красный координационный комплекс с роданиатом .
Пероксиды можно удалить промыванием кислым сульфатом железа(II), фильтрованием через оксид алюминия или перегонкой натрия / бензофенона . Глинозем разлагает пероксиды, но некоторые из них могут остаться в нем неповрежденными, поэтому его необходимо утилизировать должным образом. [23] Преимущество использования натрия/бензофенона заключается в том, что также удаляются влага и кислород. [24]
Общие опасности для здоровья, связанные с воздействием растворителей, включают токсичность для нервной системы, повреждение репродуктивной системы, повреждение печени и почек, нарушение дыхания, рак и дерматит . [25]
Многие растворители [ какие? ] может привести к внезапной потере сознания при вдыхании в больших количествах. [ нужна цитация ] Растворители, такие как диэтиловый эфир и хлороформ, долгое время использовались в медицине в качестве анестетиков , седативных и снотворных средств . Многими растворителями (например, бензином или клеями на основе растворителей) злоупотребляют в рекреационных целях, нюхая клей , что часто приводит к вредным долгосрочным последствиям для здоровья, таким как нейротоксичность или рак . Мошенническая замена субподрядчиком 1,5-пентандиола психоактивным 1,4-бутандиолом привела к отзыву продукции Bindeez . [26]
Этанол (зерновой спирт) — широко используемый психоактивный наркотик , которым злоупотребляют . При попадании в организм так называемые «токсичные спирты» (кроме этанола), такие как метанол , 1-пропанол и этиленгликоль , метаболизируются в токсичные альдегиды и кислоты, которые вызывают потенциально смертельный метаболический ацидоз . [27] Широко доступный спиртовой растворитель метанол при попадании в организм может вызвать необратимую слепоту или смерть. Растворитель 2-бутоксиэтанол , используемый в жидкостях для гидроразрыва , может вызывать гипотонию и метаболический ацидоз. [28]
Хроническое воздействие растворителей часто возникает в результате вдыхания паров растворителей или проглатывания разбавленных растворителей, повторяющихся в течение длительного периода времени.
Некоторые растворители могут повредить внутренние органы, такие как печень , почки , нервная система или мозг . Совокупное воздействие на мозг длительного или многократного воздействия некоторых растворителей называется хронической энцефалопатией, вызванной растворителями (CSE). [29]
Хроническое воздействие органических растворителей на рабочем месте может вызвать ряд неблагоприятных нейропсихиатрических эффектов. Например, профессиональное воздействие органических растворителей связано с увеличением числа художников, страдающих алкоголизмом . [30] Этанол оказывает синергетический эффект при приеме в сочетании со многими растворителями; например, комбинация толуола / бензола и этанола вызывает более сильную тошноту / рвоту , чем любое вещество по отдельности.
Известно или предполагается, что некоторые органические растворители обладают катарактогенным действием. Было обнаружено , что смесь ароматических углеводородов , алифатических углеводородов , спиртов , сложных эфиров , кетонов и терпенов значительно увеличивает риск развития катаракты хрусталика глаза. [31]
Основной путь индуцированных последствий для здоровья возникает в результате разливов или утечек растворителей, особенно хлорированных растворителей , которые достигают подстилающей почвы. Поскольку растворители легко мигрируют на значительные расстояния, широкомасштабное загрязнение почвы не является чем-то необычным; это особенно опасно для здоровья, если затронуты водоносные горизонты . [32] Проникновение паров может происходить с участков с обширным подземным загрязнением растворителями. [33]
