Растворитель (от латинского solvō , «ослаблять, развязывать, решать») — это вещество, которое растворяет растворенное вещество, в результате чего образуется раствор . Растворитель обычно является жидкостью, но может быть также твердым телом, газом или сверхкритической жидкостью . Вода является растворителем для полярных молекул и наиболее распространенным растворителем, используемым живыми существами; все ионы и белки в клетке растворены в воде внутри клетки.
Основные области применения растворителей — краски, средства для удаления краски, чернила и химчистка. [2] Конкретные области применения органических растворителей — химчистка (например, тетрахлорэтилен ); разбавители для краски ( толуол , скипидар ); средства для снятия лака с ногтей и растворители клея ( ацетон , метилацетат , этилацетат ); пятновыводители ( гексан , петролейный эфир); моющие средства ( цитрусовые терпены ); и духи ( этанол ). Растворители находят различные применения в химической, фармацевтической , нефтяной и газовой 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 распределены на молекулярном уровне, и не остается никакого остатка. Смесь растворителя и растворенного вещества состоит из одной фазы , в которой все молекулы растворенного вещества находятся в виде сольватов ( комплексов растворителя и растворенного вещества ), в отличие от отдельных непрерывных фаз, как в суспензиях, эмульсиях и других типах нерастворимых смесей. Способность одного соединения растворяться в другом известна как растворимость; если это происходит во всех пропорциях, оно называется смешивающимся .
Помимо смешивания, вещества в растворе взаимодействуют друг с другом на молекулярном уровне. Когда что-то растворяется, молекулы растворителя располагаются вокруг молекул растворенного вещества. Происходит передача тепла , и энтропия увеличивается, что делает раствор более термодинамически стабильным, чем растворенное вещество и растворитель по отдельности. Такое расположение опосредовано соответствующими химическими свойствами растворенного вещества и растворенного вещества, такими как водородная связь , дипольный момент и поляризуемость . [4] Сольватация не вызывает химической реакции или изменений химической конфигурации в растворенном веществе. Однако сольватация напоминает реакцию образования координационного комплекса , часто со значительной энергетикой (теплота сольватации и энтропия сольватации) и, таким образом, далека от нейтрального процесса.
При растворении одного вещества в другом образуется раствор. Раствор — это однородная смесь, состоящая из растворенного вещества, растворенного в растворителе. Растворенное вещество — это вещество, которое растворяется, а растворитель — это растворяющая среда. Растворы могут быть образованы с использованием множества различных типов и форм растворенных веществ и растворителей.
Растворители можно в целом разделить на две категории: полярные и неполярные . Особый случай представляет собой элементарная ртуть , растворы которой известны как амальгамы ; существуют также растворы других металлов , которые являются жидкими при комнатной температуре.
Как правило, диэлектрическая проницаемость растворителя обеспечивает грубую меру полярности растворителя. Сильная полярность воды указывается ее высокой диэлектрической проницаемостью 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 предиктором способности растворителя растворять обычные ионные соединения , такие как соли.
Диэлектрические постоянные — не единственная мера полярности. Поскольку растворители используются химиками для проведения химических реакций или наблюдения химических и биологических явлений, требуются более конкретные меры полярности. Большинство этих мер чувствительны к химической структуре.
Шкала Грюнвальда –Винштейна mY измеряет полярность с точки зрения влияния растворителя на накопление положительного заряда растворенного вещества в ходе химической реакции .
Шкала Z Косовера измеряет полярность с точки зрения влияния растворителя на максимумы поглощения УФ- излучения солью, обычно иодидом пиридиния или цвиттерионом пиридиния. [7]
Число доноров и шкала донор-акцептор измеряют полярность с точки зрения того, как растворитель взаимодействует с определенными веществами, такими как сильная кислота Льюиса или сильное основание Льюиса. [8]
Параметр Хильдебранда — это квадратный корень плотности энергии когезии . Его можно использовать с неполярными соединениями, но он не может учитывать сложную химию.
Краситель Рейхардта, сольватохромный краситель, который меняет цвет в зависимости от полярности, дает шкалу значений E T (30). E T — это энергия перехода между основным состоянием и самым низким возбужденным состоянием в ккал/моль, а (30) идентифицирует краситель. Другая, грубо коррелированная шкала ( E T (33)) может быть определена с помощью нильского красного .
Параметр растворителя Грегори ϸ является квантово-химически полученным параметром плотности заряда. [9] Этот параметр, по-видимому, воспроизводит многие экспериментальные параметры растворителя (особенно числа доноров и акцепторов) с использованием этого подхода анализа разложения заряда на электростатической основе. Параметр ϸ был первоначально разработан для количественной оценки и объяснения ряда Хофмейстера путем количественной оценки многоатомных ионов и одноатомных ионов единым образом.
Полярность, дипольный момент, поляризуемость и водородная связь 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; отсюда « подобное растворяется в подобном ». Сильнополярные 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, в то время как сильнонеполярные соединения, такие как масла или воски, растворяются только в очень неполярных органических растворителях, таких как гексан . Аналогично, вода и гексан (или уксус и растительное масло) не смешиваются друг с другом и быстро разделятся на два слоя даже после хорошего встряхивания.
Полярность может быть разделена на различные вклады. Например, параметры Камлета-Тафта - это диполярность/поляризуемость ( π* ), водородно-связанная кислотность ( α ) и водородно-связанная основность ( β ). Их можно рассчитать по сдвигам длины волны 3-6 различных сольватохромных красителей в растворителе, обычно включая краситель Рейхардта , нитроанилин и диэтилнитроанилин. Другой вариант, параметры растворимости Хансена , разделяет плотность энергии когезии на дисперсионный, полярный и водородно-связанный вклады.
Растворители с диэлектрической проницаемостью (точнее, относительной статической диэлектрической проницаемостью ) больше 15 (т. е. полярные или поляризуемые) можно дополнительно разделить на протонные и апротонные. Протонные растворители, такие как вода , сольватируют анионы (отрицательно заряженные растворенные вещества) прочно посредством водородных связей . Полярные апротонные растворители , такие как ацетон или дихлорметан , как правило, имеют большие дипольные моменты (разделение частичных положительных и частичных отрицательных зарядов в пределах одной молекулы) и сольватируют положительно заряженные виды посредством их отрицательного диполя. [10] В химических реакциях использование полярных протонных растворителей благоприятствует механизму реакции S N 1 , в то время как полярные апротонные растворители благоприятствуют механизму реакции S N 2. Эти полярные растворители способны образовывать водородные связи с водой для растворения 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. Свойства растворителей , которые превосходят свойства воды, выделены жирным шрифтом.
Институт зеленой химии ACS поддерживает инструмент для выбора растворителей на основе анализа основных компонентов свойств растворителей. [13]
Значения параметра растворимости Хансена (HSP) [ 14 ] [15] 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 делать рациональные формулировки, зная, например, что между растворителем и полимером существует хорошее соответствие HSP. Рациональные замены также могут быть сделаны для «хороших» растворителей (эффективных для растворения растворенного вещества), которые являются «плохими» (дорогими или опасными для здоровья или окружающей среды). Следующая таблица показывает, что интуиции от «неполярных», «полярных апротонных» и «полярных протонных» представлены 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 иным причинам требуется заменить растворитель или смесь растворителей другим с эквивалентной растворимостью, замена может быть сделана на основе параметров растворимости Хансена каждого из них. Значения для смесей берутся как средневзвешенные значения для чистых растворителей. Это можно рассчитать методом проб и ошибок , с помощью электронной таблицы значений или программного обеспечения HSP. [14] [15] Смесь толуола и 1,4-диоксана в соотношении 1:1 имеет значения δD, δP и δH, равные 17,8, 1,6 и 5,5, что сопоставимо со значениями хлороформа , равными 17,8, 3,1 и 5,7 соответственно. Из-за опасностей для здоровья, связанных с самим толуолом, другие смеси растворителей могут быть найдены с использованием полного набора 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 считанные секунды при комнатной температуре, в то время 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, что означает, что они легче воды и образуют слой поверх нее. Важными исключениями являются большинство галогенированных растворителей, таких как дихлорметан или хлороформ, которые опускаются на дно контейнера, оставляя воду в качестве верхнего слоя. Это важно помнить при разделении соединений между растворителями и водой в делительной воронке во время химического синтеза.
Часто вместо плотности упоминается 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 сообщает, будет ли растворитель, нерастворимый в воде, 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 постсоветских государствах. Эти растворители могут иметь одно или несколько применений, но они не являются универсальными препаратами.
Большинство органических растворителей являются легковоспламеняющимися или легковоспламеняющимися, в зависимости от их летучести . Исключения составляют некоторые хлорированные растворители, такие как дихлорметан и хлороформ . Смеси паров растворителя и воздуха могут взорваться . Пары растворителя тяжелее воздуха; они опускаются на дно и могут перемещаться на большие расстояния практически неразбавленными. Пары растворителя также могут находиться в предположительно пустых бочках и канистрах, представляя опасность вспышки пожара ; поэтому пустые контейнеры с летучими растворителями следует хранить открытыми и перевернутыми.
И диэтиловый эфир , и сероуглерод имеют исключительно низкие температуры самовоспламенения , что значительно увеличивает риск возникновения пожара, связанный с этими растворителями. Температура самовоспламенения сероуглерода ниже 100 °C (212 °F), поэтому такие объекты, как паровые трубы, лампочки , электроплитки и недавно потушенные горелки Бунзена , способны воспламенить его пары.
Кроме того, некоторые растворители, такие как метанол, могут гореть очень горячим пламенем, которое может быть почти невидимым при определенных условиях освещения. [21] [22] Это может задержать или помешать своевременному распознаванию опасного пожара, пока пламя не распространится на другие материалы.
Такие эфиры , как диэтиловый эфир и тетрагидрофуран (ТГФ), могут образовывать высоковзрывчатые органические пероксиды при воздействии кислорода и света. ТГФ обычно более склонен образовывать такие пероксиды, чем диэтиловый эфир. Одним из наиболее восприимчивых растворителей является диизопропиловый эфир , но все эфиры считаются потенциальными источниками пероксидов.
Гетероатом ( кислород ) стабилизирует образование свободного радикала , который образуется путем отщепления атома водорода другим свободным радикалом. [ необходимо разъяснение ] Образованный таким образом свободный радикал с углеродным центром способен реагировать с молекулой кислорода, образуя пероксидное соединение. Процесс образования пероксида значительно ускоряется под воздействием даже слабого света, но может протекать медленно даже в темноте.
Если не использовать осушитель , который может разрушить пероксиды, они будут концентрироваться во время дистилляции из-за их 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 возмущения, такие как соскабливание внутренней части сосуда, смещение осадка или простое скручивание крышки, могут обеспечить достаточно энергии для детонации или сильного взрыва пероксида .
Образование перекиси не является значительной проблемой, когда свежие растворители быстро расходуются; они представляют большую проблему в лабораториях, где могут потребоваться годы, чтобы закончить одну бутылку. Пользователи с небольшими объемами должны приобретать только небольшие количества растворителей, склонных к образованию перекиси, и утилизировать старые растворители по регулярному периодическому графику.
Чтобы избежать взрывоопасного образования перекиси, эфиры следует хранить в герметичном контейнере, вдали от света, поскольку как свет, так и воздух могут способствовать образованию перекиси. [23]
Для обнаружения присутствия пероксида в эфире можно использовать ряд тестов; один из них заключается в использовании комбинации сульфата железа (II) и роданида калия . Перекись способна окислять ион Fe 2+ до иона Fe 3+ , который затем образует темно-красный координационный комплекс с роданидом .
Пероксиды можно удалить промывкой кислым сульфатом железа (II), фильтрацией через оксид алюминия или перегонкой из натрия / бензофенона . Оксид алюминия разлагает пероксиды, но некоторые из них могут остаться в нем нетронутыми, поэтому его необходимо утилизировать надлежащим образом. [24] Преимущество использования натрия/бензофенона заключается в том, что удаляются также влага и кислород. [25]
Общие опасности для здоровья, связанные с воздействием растворителей, включают токсичность для нервной системы, нарушение репродуктивной функции, повреждение печени и почек, нарушение дыхания, рак, потерю слуха [26] [27] и дерматит . [28]
Многие растворители [ какие? ] могут привести к внезапной потере сознания при вдыхании в больших количествах. [ нужна цитата ] Такие растворители, как диэтиловый эфир и хлороформ, долгое время использовались в медицине в качестве анестетиков , седативных и снотворных средств . [ когда? ] Многие растворители (например, из бензина или клеев на основе растворителей) используются в рекреационных целях при вдыхании клея , что часто приводит к долгосрочным вредным последствиям для здоровья, таким как нейротоксичность или рак . Мошенническая замена 1,5-пентандиола психоактивным 1,4-бутандиолом субподрядчиком стала причиной отзыва продукции Bindeez . [29]
Этанол (зерновой спирт) является широко используемым и злоупотребляемым психоактивным веществом . При попадании внутрь организма 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 . [30] Широко распространенный спиртовой растворитель метанол может вызвать постоянную слепоту или смерть при попадании внутрь организма. Растворитель 2-бутоксиэтанол , используемый в жидкостях для фрекинга , может вызвать гипотонию и метаболический ацидоз. [31]
Хроническое воздействие растворителей часто вызывается вдыханием паров растворителей или приемом внутрь разбавленных растворителей, повторяющимся в течение длительного периода.
Некоторые растворители могут повредить внутренние органы, такие как печень , почки , нервная система или мозг . Кумулятивные эффекты на мозг при длительном или повторном воздействии некоторых растворителей называются хронической энцефалопатией, вызванной растворителем (CSE). [32]
Хроническое воздействие органических растворителей в рабочей среде может вызывать ряд неблагоприятных нейропсихиатрических эффектов. Например, профессиональное воздействие органических растворителей было связано с большим количеством маляров, страдающих алкоголизмом . [33] Этанол имеет синергетический эффект при приеме в сочетании со многими растворителями; например, сочетание толуола / бензола и этанола вызывает более сильную тошноту / рвоту, чем каждое из этих веществ по отдельности.
Некоторые органические растворители известны или предположительно являются катарактогенными. Было обнаружено, что смесь ароматических углеводородов , алифатических углеводородов , спиртов , эфиров , кетонов и терпенов значительно увеличивает риск развития катаракты в хрусталике глаза. [34]
Основной путь индуцированных последствий для здоровья возникает из-за разливов или утечек растворителей, особенно хлорированных растворителей , которые достигают нижележащей почвы. Поскольку растворители легко мигрируют на значительные расстояния, создание широкомасштабного загрязнения почвы не является редкостью; это особенно риск для здоровья, если затронуты водоносные горизонты . [35] Вторжение паров может происходить из мест с обширным загрязнением подземных растворителей. [36]
