Oldószer

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2019. május 1-jén felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 22 szerkesztést igényelnek .

Az oldószer  olyan anyag, amely képes más szilárd, folyékony vagy gáznemű anyagokat feloldani anélkül, hogy azokat kémiailag megváltoztatná. Általában légköri nyomáson és szobahőmérsékleten az oldószer folyadék. Ennek megfelelően azokban az oldatokban, amelyek folyékony és szilárd vagy folyékony és gáznemű anyagok keverékei, a folyékony komponens oldószernek minősül. Folyékony anyagok keverékében oldószernek azt a komponenst tekintjük, amely sokkal nagyobb mennyiségben, vagy tetszőleges módon van jelen [1] [2] .

Az ipari méretekben használt oldószereknek a következő tulajdonságokkal kell rendelkezniük: színtelenek és átlátszóak, maradék nélkül elpárolognak, vegyszerállóak, semleges reakciót mutatnak, enyhe vagy kellemes szagúak, vízmentesek, tartós fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, alacsony toxicitású, lebomlik a környezetben, a lehető legolcsóbb legyen [3] .

Oldódáselmélet

Amikor az A anyagot B oldószerben oldjuk, az A-A és B-B típusú intermolekuláris kölcsönhatások megsemmisülnek , és az A-B típusú intermolekuláris kölcsönhatások lépnek fel. Egy anyag jól oldódik az oldószerben, ha az intermolekuláris kölcsönhatás erői egy tiszta anyagban és egy tiszta oldószerben megközelítőleg azonos nagyságrendűek. Ellenkezőleg, ha egy tiszta anyagban az intermolekuláris kölcsönhatás sokkal erősebb vagy gyengébb, mint a tiszta oldószerben az intermolekuláris kölcsönhatás, akkor az anyag rosszul oldódik egy ilyen oldószerben. Ezt az elvet röviden a "hasonló a hasonlóban oldódik" ( lat.  similia similibus solvuntur ) [4] kifejezéssel fogalmazzuk meg .

Az intermolekuláris kölcsönhatások következő típusait különböztetjük meg:

Az intermolekuláris kölcsönhatás a tiszta A és B komponensekben gyengébb lehet, mint az A-B típusú kölcsönhatás oldatban. Ebben az esetben az oldás során a rendszer belső energiája csökken , és maga az oldódási folyamat exoterm . Ha a tiszta A és B komponensben az intermolekuláris kölcsönhatás erősebb, mint az oldatban, akkor az oldódás során a belső energia a kívülről történő hőfelvétel miatt megnő, vagyis az oldódás endoterm . A legtöbb oldódási folyamat endoterm, és a hőmérséklet emelkedése elősegíti [4] .

Osztályozás

Az oldószereket aszerint osztályozzák, hogy a vegyi anyagok egyik vagy másik osztályába tartoznak [2] :

Oldószermolekulák jellemzői

Dipólusmomentum

Az oldószereket általában poláris és nem poláris oldóképességük alapján osztályozzák . Mivel azonban az oldószer polaritása nem fejezhető ki konkrét fizikai kifejezésekkel, kísérletek történtek a polaritás kifejezésére egy másik fizikai tulajdonsággal is. Az egyik ilyen tulajdonság az oldószermolekula dipólusmomentuma . A dipólusmomentum a molekula egyes kötései dipólusmomentumainak összege, így a szimmetrikus oldószerek ( szén-tetraklorid , benzol , ciklohexán ) dipólusmomentuma nulla. Más aromás oldószereknek, valamint a dioxánnak alacsony a dipólusmomentuma. A kevésbé szimmetrikus, poláris kötésekkel rendelkező molekulák ( alkoholok , észterek ) nagyobb dipólusmomentummal rendelkeznek (1,6-1,9 D); a glikolok és ketonok dipólusmomentuma még nagyobb (2,3-2,9 D); A nitropropánnak , a DMF -nek és a DMSO - nak nagyon nagy a dipólusmomentuma (3,7-5,0 D). A dioxánnak és a DMSO-nak azonban nagyon eltérő a dipólusmomentuma, de hasonló az oldóképessége, így a dipólusmomentum nem tükrözi teljes mértékben ezt a képességet [5] .

Polarizálhatóság

Az oldatokban a dipól-dipól és az indukciós kölcsönhatások az oldószer molekulatömegétől függenek. Mivel ezt a paramétert nem veszik figyelembe a dipólusmomentumban, az oldószer oldóképessége egy másik paraméterhez kapcsolódik - a polarizálhatósághoz . Minél nagyobb a polarizálhatóság, annál több poláris dipólus jelenik meg külső elektromos tér hatására. Következésképpen az intermolekuláris kölcsönhatások is fokozódnak [5] .

A hidrogénkötések kialakításának képessége

A kialakult hidrogénkötések erőssége szerint az oldószereket három osztályba sorolják:

Az oldószer azon képességét, hogy hidrogénkötéseket képezzen, a γ paraméterrel határozzuk meg. Ezt a paramétert úgy kapjuk meg, hogy a deuterometanolt feloldjuk a vizsgált oldószerben, és megfigyeljük az OD kötés vibrációs sávjának eltolódását az infravörös spektrumban [5] .

Az oldószereket a hidrogénkötések kialakításában betöltött szerepük szerint is felosztják:

Ennek megfelelően, ha csak proton akceptorok vannak jelen az oldatban, hidrogénkötés nem tud kialakulni. Ha az oldatban hidrogénkötés donorok vannak, akkor ilyen kötés jön létre, ami az oldhatóság növekedéséhez vezet [5] .

Solvating power

Amikor egy anyagot feloldunk egy oldószerben, az anyagban lévő intermolekuláris kötések megszakadnak, és az oldott anyag egyes molekuláit oldószermolekulák rétege veszi körül. Ezt a szolvatációs folyamatot a szolvatáció mértéke β – a szolvatációs komplexben lévő oldott molekulánkénti oldószermolekulák száma – becsüli meg. A szolvatáció mértéke az oldószermolekulák méretétől, valamint az összes fenti paramétertől függ [5] .

Protikus és aprotikus oldószerek

Az oldószerek közül néhány proton vagy elektron donor vagy akceptor lehet. Ennek alapján négy csoportot különböztetünk meg:

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Párolgás

A forráspont szerint az oldószereket általában alacsony forráspontú (<100 °C), közepes forráspontú (100-150 °C) és magas forráspontú (>150 °C) forrásokra osztják [2] . Gyakorlati okokból az oldószer forráspont alatti illékonysága is érdekes. Ilyen körülmények között a folyékony oldószer egyensúlyban van gőzével, amelynek nyomása a Δ H V moláris elpárologtatási entalpiától és a T hőmérséklettől függ, és a Clausius-Clapeyron egyenlet [6] fejezi ki .

A párolgás sebessége nem függ közvetlenül a forrásponttól. Ezeket az értékeket csak akkor lehet összehasonlítani, ha az oldószerek kémiai természetükben hasonlóak. Általában a hidrogénkötő oldószerek kevésbé illékonyak, mint más, azonos forráspontú oldószerek. Ennek oka a hidrogénkötések megsemmisítéséhez kapcsolódó többlet energiaköltség. Mivel az oldószer illékonysága számos paraméterhez kapcsolódik, kísérletileg határozzuk meg standard környezeti feltételek mellett, és hasonlítjuk össze a dietil-éter illékonyságával . Az illékonyságot dimenzió nélküli párolgási számok formájában fejezzük ki ( eng.  evaporation numbers ), amelyek a dietil-éter 1-gyel egyenlő értékére vonatkoznak. Az oldószereket ezen az alapon izoláljuk:

Az Egyesült Államokban hasonló, a butil-acetát illékonyságán alapuló besorolást alkalmaztak, amelyet egységként vesznek fel: gyorsan párolgó (> 3,0), mérsékelten párolgó (0,8-3,0), lassan párolgó oldószerek (<0,8) [6 ] .

Higroszkóposság

Egyes oldószerek, különösen azok, amelyek hidroxilcsoportokat tartalmaznak (alkoholok és glikolok), addig abszorbeálják a vizet a levegőből, amíg létre nem jön egy egyensúlyi állapot, amely a levegő hőmérsékletétől és páratartalmától függ [6] .

Sűrűség

Az oldószer sűrűségét általában 20 °C-on mérik, és d dimenzió nélküli mennyiségben fejezik ki.20
4, ami ennek a sűrűségnek az aránya a 4 °C-os víz sűrűségéhez, azaz. . A legtöbb szerves oldószer esetében a sűrűség d20
4egység alatt van, és a fűtéssel csökken. Kivételt képeznek a halogénezett szénhidrogének , amelyek nehezebbek a víznél. Az észterek és celloszolvok homológ sorozatában a sűrűség a molekulatömeg növekedésével csökken, míg az alkoholok és ketonok esetében nő [6] .

Az oldószerek relatív sűrűsége homológ sorozatban [7]
Észter d20
4		 cellosolve d20
4		 Alkohol d20
4		 Keton d20
4
Metil-acetát 0,934 Metil-celloszolv 0,966 metanol 0,791 Aceton 0,792
etil-acetát 0,901 etil-celloszolve 0,931 etanol 0,789 Metil-etil-keton 0,805
propil-acetát 0,886 propil celloszolv 0,911 Propanol-1 0,804 Metil-propil-keton 0,807
Butil-acetát 0,876 Butil-celloszolve 0,902 Butanol-1 0,810 Amil-metil-keton 0,816

Viszkozitás

Az oldószerek homológ sorozatában a viszkozitás a molekulatömeg növekedésével növekszik. A hidroxilcsoportok jelenléte a molekulákban a hidrogénkötések képződése miatt növeli a viszkozitást. A hőmérséklet csökkenésével a viszkozitás csökken. Az oldószer viszkozitása azért fontos, mert elsősorban az oldat viszkozitását határozza meg [6] . Az alacsony viszkozitású oldószerek viszkozitása 2 mPas alatti 20 °C-on, a közepes viszkozitású oldószereké 2-10 mPas, a nagy viszkozitásúaké pedig 10 mPas felett [2] .

Gyújtás

Az oldószereket gyúlékonysági paramétereik alapján osztályozzák lobbanáspontjuk alapján  , vagyis az a hőmérséklet, amelyen az oldószergőz és a levegő keveréke nyílt lánggal meggyullad. A lobbanáspont az oldószer telítési gőznyomásának növekedésével, azaz molekulatömegének és forráspontjának csökkenésével csökken. A lobbanáspontot egy empirikus egyenlet köti össze a forrásponttal, amely meglehetősen pontos értékeket ad a szénhidrogénekre, ketonokra és észterekre, de nem alkalmas alkoholokra, glikolokra és glikol-éterekre [6] :

. Lobbanáspontok homológ sorozatokban [8]
Észter Lobbanáspont, °С Keton Lobbanáspont, °С
Metil-acetát -13 Aceton -19
etil-acetát -12 Metil-etil-keton -tizennégy
propil-acetát 12 Metil-propil-keton 22
Butil-acetát 22 Butil-metil-keton 23

Biztonsági okokból megpróbálják növelni a lobbanáspontot. Az azeotróp oldószerkeverékek lobbanáspontja azonban alacsonyabb, mint ennek a keveréknek az egyes komponenseinek, ezért ilyen célra történő felhasználásuk problémás. A toluol lobbanáspontja klór-alkánok hozzáadásával növelhető. A keverékek lobbanáspontja nem feltétlenül egyenlő a gyúlékonyabb komponens lobbanáspontjával. Ha különböző kémiai természetű oldószereket (például alkánt és alkoholt) keverünk össze, a lobbanáspont jelentősen csökken. Ha az összetevők hasonló jellegűek, akkor a lobbanáspont a tiszta komponensek értékei között van [6] .

Az oldószergőzök nem csak nyílt lángtól, hanem spontán módon is meggyulladhatnak, amikor elérik a gyulladási hőmérsékletet . E paraméter szerint az oldószereket öt csoportba sorolják: T5 (100-135 °C), T4 (135-200 °C), T3 (200-300 °C), T2 (300-450 °C) és T1 ( > 450 °C). C) [6] .

Az oldószerrobbanás egy nagyon gyors égési folyamat, amely gyújtással indul el, és anélkül megy végbe, hogy kívülről energiát vagy levegőt vesz fel. Robbanás csak akkor következhet be, ha az oldószergőz és a levegő egy bizonyos arányban van, amit a felső és alsó tűzveszélyességi határ határoz meg [6] .

Kémiai tulajdonságok

A kémiai tehetetlenség az egyik fontos feltétele annak, hogy a folyadékot oldószerként használják fel. Az alifás és aromás szénhidrogének jól megfelelnek ennek a feltételnek. Az alkoholok is nagyon stabilak, de reakcióba lépnek alkáli- , alkáliföldfémekkel és alumíniummal , erős oxidálószerek hatására karbonsavakká alakulnak , és izocianátokkal is reagálnak (ezért nem használják poliuretán festékek oldására) [6] .

Az éterek , beleértve a glikol-étereket is, hosszan tartó levegő és fény hatására peroxidokat képeznek . Az észterek és ketonok meglehetősen stabilak, bár az észterek karbonsavakká és alkoholokká hidrolizálhatnak, különösen savas vagy lúgos körülmények között. Semleges közegben ez a folyamat sokkal lassabban megy végbe: 20 °C-on 130 nap alatt 1 liter vízben körülbelül 15 g 44 g etil-acetát hidrolizál [6] .

A klórozott oldószerek hidrogén-kloridot szabadítanak fel bázisok és fémek jelenlétében , bár ennek elkerülésére általában stabilizátorokat adnak hozzá [6] .

Alkalmazás

Színek

A festékek összetett oldószer-összetételeket használnak, amelyek a festék alkalmazásától, a hőmérséklettől és a száradási időtől függően változnak . A szobahőmérsékleten szárított festék körülbelül 45% könnyű forráspontú, 45% közepes forráspontú és 10% magas forráspontú oldószert tartalmaz. Az alacsony forráspontú oldószerek a festék gyors száradását, a magas forráspontú oldószerek pedig sima rétegfelületet biztosítanak. Ha a bevonat magasabb hőmérsékleten szárad, akkor a festék éppen ellenkezőleg, nem tartalmaz alacsony forráspontú oldószereket, mert hevítéskor megduzzasztják a réteg felületét. A kötőanyag az oldószerek összetételének kialakításában is fontos szerepet játszik [9] .

Ezenkívül a kompozíció létrehozásakor figyelembe veszik az oldószer viszkozitását, a festék mechanikai tulajdonságaira gyakorolt ​​hatását és egyéb paramétereket, beleértve a felhasználás jellemzőit is [9] . Például a nyomdafestékekhez olyan oldószereket kell használni, amelyek könnyen feloldják a kötőanyagot, ugyanakkor az oldószer nem léphet kölcsönhatásba a nyomtatórendszerben lévő rézhengerekkel vagy gumival [10] .

Festékeltávolítók

A festékréteg eltávolítására oldószereket használnak, amelyek vagy jól oldódnak, vagy a festék kötőanyag-komponenseinek jelentős duzzadásához vezethetnek. Különösen gyakran diklór-metán és alacsony forráspontú ketonok vagy észterek keverékét alkalmazzák. Ezekhez a készítményekhez kis mennyiségű magas forráspontú oldószert ( tetrahidronaftalint , naftalint , benzil-alkoholt stb.) adnak a párolgás lassítására. A modern készítmények nem tartalmaznak klóralkánokat: magas forráspontú oldószerekből ( DMF , DMSO , propilén-karbonát és N-metil-pirrolidon ) állítják elő alkoholok vagy aromás anyagok hozzáadásával [10] .

Rostgyártás

A szálak gyártása során az oldatokat olcsó, illékony, könnyen visszanyerhető és a lehető legalacsonyabb viszkozitású oldószerek felhasználásával készítik. Így a diklór-metánt és a metanolt a cellulóz-triacetáthoz , az acetont a polivinil-kloridhoz, a dimetil-szulfoxidot vagy a propilén-karbonátot pedig a poliakrilnitrilhez [10] .

Zsírtalanítás

Fémek zsírtalanítására ketonokat és klórozott szénhidrogéneket (triklór-etilén, tetraklór-etilén, diklór-metán) használnak. Ugyanakkor az utóbbiak stabilizálódnak, így a hidrogén-klorid nem szabadul fel fémekkel való érintkezéskor. A szerves oldószereket fokozatosan felváltják a vizes vegyületek, ami a környezetvédelemmel jár együtt [10] .

Kivonás

Az oldószereket széles körben használják az anyagok ipari elválasztására, izolálására vagy tisztítására szolgáló extrakciós eljárásokban. Például a növényi olajok telítetlen komponenseit metanollal vagy furfurollal távolítják el . Az extrakciós desztillációnál is alkalmaznak oldószereket: ilyenkor az elválasztandó keverékhez magas forráspontú oldószert adnak, amely szelektív kölcsönhatásba lép az egyik komponenssel, csökkentve annak illékonyságát. Így például a ciklohexán (forráspontja 80,8 °C) és a benzol (forráspontja 80,1 °C) anilin hozzáadása után desztillációval elválasztható , mivel erősebben lép kölcsönhatásba a benzollal, mint a ciklohexánnal [10] .

Kromatográfia

A kromatográfiás oldószer mozgófázisként működik, és egy szilárd szorbenssel verseng az oldott anyagért . Az anyagok e fázisok közötti eloszlása ​​nemcsak a szorbens jellegétől függ, hanem az oldószer jellemzőitől is. Az oldószerek eluotróp sorozatokba vannak csoportosítva, amelyek tükrözik az oldószer eluálóképességét (ami poláris szorbensek esetén az oldószer polaritásával növekszik) [10] .

Kémiai reakciók végrehajtása

Az oldószerek reakcióközegként szolgálnak a szerves szintézisben. Kapcsolatot biztosítanak a reagáló anyagok között, homogén környezetet hozva létre, valamint befolyásolják a reakció egyensúlyát , sebességét és sorrendjét , kölcsönhatásba lépnek a kiindulási anyagokkal, termékekkel és köztes részecskékkel [2] . A reakció típusától függően különböző oldószerekre van szükség. A tapasztalatok felhalmozásával néhány reakcióhoz megfelelő oldószereket választottak ki:

Mérgező hatás

Akut és krónikus toxicitás

Az oldószerek különböző hatással vannak az emberekre, állatokra és növényekre. Ez a hatás az oldószer mennyiségétől és a hatás idejétől is függ. Nagy mennyiségű oldószer rövid időn belüli expozíciója akut egészségügyi problémákhoz vezethet, a kis dózisok hosszan tartó expozíciója pedig krónikus hatásokhoz és túlérzékenységhez , valamint allergiákhoz [11] .

Az oldószer toxicitását az LD50 félig letális dózisban határozzák meg , vagy mivel az oldószer expozíciója gyakran belélegzéssel történik, az LC50 félig letális koncentrációban. Belélegzéskor az oldószerek a tüdőn keresztül felszívódnak a véráramba, majd felhalmozódnak a lipidekben gazdag szövetekben ( idegek , agy , gerincvelő , zsírszövet , máj és vesék ). Ezenkívül az oldószerek káros hatással lehetnek a sejtekre. Egyes esetekben az oldószerek a bőrön keresztül, vagy ritkábban az emésztőrendszeren keresztül jutnak a szervezetbe [11] .

Akut oldószermérgezés esetén szédülés, álmosság, fejfájás, eszméletvesztés és kábítószeres hatás jelei jelentkeznek. A krónikus hatás kezdeti stádiumban nehezen észlelhető, de később ennek következtében az adott oldószertől függően bizonyos szervek károsodása következik be [11] .

Az oldószerek vagy feloldhatják a bőr zsírrétegét, ami repedésekhez vezethet és növeli a fertőzés kockázatát, vagy közvetlenül gyulladást és hólyagosodást okozhat. Az anilin , a benzol , a dimetil -acetamid, a dimetil - formamid , a dioxán , a metanol , a nitrobenzol , a szén-tetraklorid és néhány más oldószer nagyon könnyen felszívódik a bőrön keresztül [11] .

Karcinogenitás

Németországban a veszélyes anyagokra vonatkozó műszaki előírások ( németül:  Technische Regeln für Gefahrstoffe TRG 900 ) szerint egyes oldószerek rákkeltő anyagokként vannak besorolva . Az A szakaszba (olyan anyagok, amelyeknél egyértelműen kimutatták a rákkeltő hatást) és a B szakaszba (olyan anyagok, amelyek megalapozottan feltételezhető, hogy rákkeltőek) tartoznak. Az A rovat az A1 alfejezetet (olyan anyagok, amelyek a tapasztalatok szerint emberben rosszindulatú daganatot okozhatnak) és az A2 alfejezetet (olyan anyagok, amelyek rákkeltő hatását állatkísérletek egyértelműen kimutatták) tartalmazza. Ezek a listák a következő oldószereket tartalmazzák:

Teratogenitás és embriotoxicitás

Németországban a potenciálisan teratogén és embriotoxikus anyagokat négy csoportba osztják: kimutatott hatásokkal (A csoport), valószínű hatásokkal (B csoport), hatások nélkül, feltéve, hogy betartják az MPC-t (C csoport), olyan anyagok, amelyek értékelése nem történik meg. mégis lehetséges (D csoport) . E besorolás szerint a B csoportba tartozik a dimetil-formamid, etil-celloszolv, etil-celloszolv-acetát, metil-celloszolv, metil-celloszolv-acetát, 2-metoxi-propanol-1, 2-metoxi-propanol-1-acetát, szén-diszulfid, toluol és kloroform. Számos oldószer található a C és D csoportban is [11] .

Gazdasági szempontok

Az oldószereket széles körben alkalmazzák a különböző iparágakban, de felhasználásuk várhatóan csökkenni fog a környezet védelmét célzó jogszabályok bevezetése miatt [12] .

Oldószer-felhasználás Nyugat-Európában (a teljes fogyasztás %-ában) [12]
Oldószerek 1980 1986 1990 1995 2000*
Oxigéntartalmú oldószerek 36.5 45 51 58 65
Alifás szénhidrogének 28.5 22 20.5 19 tizennyolc
aromás szénhidrogének 20.5 húsz 19 17 15.5
Klórozott szénhidrogének 14.5 13 9.5 6 1.5
Teljes fogyasztás, millió tonna 5.1 4.75 4.7 4.15 3.3

* előre jelzett értékek

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Ullmann, 2000 , p. 619.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Chemical Encyclopedia, 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.

Irodalom