Opløsningsmiddel

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 1. maj 2019; checks kræver 22 redigeringer .

Et opløsningsmiddel  er et stof, der er i stand til at opløse andre faste, flydende eller gasformige stoffer uden at ændre dem kemisk. Typisk er opløsningsmidlet ved atmosfærisk tryk og stuetemperatur en væske. I opløsninger, der er blandinger af flydende og faste eller flydende og gasformige stoffer, betragtes den flydende komponent derfor som et opløsningsmiddel. I blandinger af flydende stoffer anses opløsningsmidlet for at være den komponent, der er til stede i en meget større mængde, eller på en vilkårlig måde [1] [2] .

Det vurderes, at opløsningsmidler, der anvendes i industriel skala, skal have følgende egenskaber: være farveløse og gennemsigtige, fordampe uden rester, være modstandsdygtige over for kemikalier, udvise en neutral reaktion, have en let eller behagelig lugt, være vandfri, have permanente fysiske egenskaber og lav toksicitet , nedbrydes i miljøet, være så billig som muligt [3] .

Opløsningsteori

Når stof A opløses i opløsningsmiddel B, ødelægges intermolekylære interaktioner af A-A- og B-B-typerne, og intermolekylære interaktioner af A-B-typen opstår. Et stof opløses godt i et opløsningsmiddel, hvis kræfterne ved intermolekylær interaktion i et rent stof og et rent opløsningsmiddel er af omtrent samme størrelsesorden. Tværtimod, hvis den intermolekylære vekselvirkning i et rent stof er meget stærkere eller svagere end den intermolekylære vekselvirkning i et rent opløsningsmiddel, så opløses stoffet dårligt i et sådant opløsningsmiddel. Kort fortalt er dette princip formuleret ved udtrykket "lige opløses i lignende" ( lat.  similia similibus solvuntur ) [4] .

Der skelnes mellem følgende typer intermolekylær interaktion:

Den intermolekylære vekselvirkning i rene komponenter A og B kan være svagere end vekselvirkningen af ​​A-B-typen i opløsning. I dette tilfælde falder systemets indre energi under opløsning , og selve opløsningsprocessen er eksoterm . Hvis den intermolekylære vekselvirkning i rene komponenter A og B er stærkere end i opløsning, så stiger den indre energi under opløsning på grund af absorption af varme udefra, det vil sige opløsningen er endoterm . De fleste opløsningsprocesser er endoterme og lettes af en temperaturstigning [4] .

Klassifikation

Opløsningsmidler er klassificeret efter at de tilhører en eller anden klasse af kemikalier [2] :

Karakteristika for opløsningsmiddelmolekyler

Dipolmoment

Opløsningsmidler klassificeres normalt efter deres opløsningsevne i polære og ikke-polære . Men da opløsningsmiddelpolaritet ikke kan udtrykkes i specifikke fysiske termer, er der blevet gjort forsøg på at udtrykke polaritet i form af en anden fysisk egenskab. En af disse egenskaber er opløsningsmiddelmolekylets dipolmoment . Dipolmomentet er summen af ​​dipolmomenterne af molekylets individuelle bindinger, så symmetriske opløsningsmidler ( carbontetrachlorid , benzen , cyclohexan ) har et dipolmoment nul. Andre aromatiske opløsningsmidler, såvel som dioxan , har et lavt dipolmoment. Mindre symmetriske molekyler med polære bindinger ( alkoholer , estere ) har et højere dipolmoment (1,6-1,9 D); glykoler og ketoner har et endnu højere dipolmoment (2,3-2,9 D); Nitropropan , DMF og DMSO har meget høje dipolmomenter (3,7-5,0 D). Dioxan og DMSO har dog meget forskellige dipolmomenter, men lignende opløsningsevne, så dipolmomentet afspejler ikke fuldt ud denne evne [5] .

Polariserbarhed

Dipol-dipol og induktionsinteraktioner i opløsninger afhænger af opløsningsmidlets molekylvægt. Da denne parameter ikke tages i betragtning i dipolmomentet, er opløsningsmidlets opløsningsevne forbundet med en anden parameter - polariserbarhed . Jo højere polariserbarheden er, jo flere polære dipoler vises under påvirkning af et eksternt elektrisk felt. Følgelig øges intermolekylære interaktioner også [5] .

Evnen til at danne hydrogenbindinger

Ifølge styrken af ​​de dannede hydrogenbindinger er opløsningsmidler opdelt i tre klasser:

Opløsningsmidlets evne til at danne hydrogenbindinger kvantificeres ved parameteren γ. Denne parameter opnås ved at opløse deuteromethanol i det undersøgte opløsningsmiddel og observere skiftet af vibrationsbåndet for OD-bindingen i det infrarøde spektrum [5] .

Opløsningsmidler er også opdelt efter deres rolle i dannelsen af ​​hydrogenbindinger:

Følgelig, hvis kun protonacceptorer er til stede i opløsningen, kan en hydrogenbinding ikke dannes. Hvis der er hydrogenbindingsdonorer i opløsningen, så dannes en sådan binding, hvilket fører til en stigning i opløseligheden [5] .

Løsningskraft

Når et stof opløses i et opløsningsmiddel, brydes de intermolekylære bindinger i stoffet, og enkelte molekyler af det opløste stof er omgivet af et lag af opløsningsmiddelmolekyler. Denne solvatiseringsproces estimeres ved solvatationsgraden β - antallet af opløsningsmiddelmolekyler pr. opløst stofmolekyle i solvateringskomplekset. Graden af ​​solvatisering afhænger af størrelsen af ​​opløsningsmiddelmolekylerne, samt af alle ovenstående parametre [5] .

Protiske og aprotiske opløsningsmidler

Blandt opløsningsmidlerne kan nogle være proton- eller elektrondonorer eller -acceptorer. På dette grundlag skelnes der mellem fire grupper:

Fysiske og kemiske egenskaber

Fordampning

Ifølge kogepunktet opdeles opløsningsmidler normalt i lavtkogende (<100 °C), middelkogende (100-150 °C) og højtkogende (>150 °C) [2] . Til praktiske formål er flygtigheden af ​​opløsningsmidlet under kogepunktet også af interesse. Under disse forhold er det flydende opløsningsmiddel i ligevægt med sin damp, hvis tryk afhænger af den molære fordampningsentalpi Δ H V og temperatur T og er udtrykt ved Clausius-Clapeyron-ligningen [6] .

Fordampningshastigheden er ikke direkte relateret til kogepunktet. Disse værdier kan kun sammenlignes, hvis opløsningsmidlerne er ens i kemisk natur. Generelt er hydrogenbindende opløsningsmidler mindre flygtige end andre opløsningsmidler med samme kogepunkt. Dette skyldes de ekstra energiomkostninger til ødelæggelse af brintbindinger. Da opløsningsmidlets flygtighed er relateret til mange parametre, bestemmes den eksperimentelt under standard miljøforhold og sammenlignes med diethylethers flygtighed . Flygtighed udtrykkes i form af dimensionsløse fordampningstal ( eng.  fordampningsnumre ), som refererer til en værdi for diethylether lig med 1. Opløsningsmidler isoleres på dette grundlag:

I USA er en lignende klassificering baseret på flygtigheden af ​​butylacetat blevet vedtaget, som tages som en enhed: hurtigt fordampende (> 3,0), moderat fordampende (0,8-3,0), langsomt fordampende opløsningsmidler (<0,8) [6 ] .

Hygroskopicitet

Nogle opløsningsmidler, især dem der indeholder hydroxylgrupper (alkoholer og glykoler), absorberer vand fra luften, indtil der er etableret en ligevægtstilstand, som afhænger af luftens temperatur og fugtighed [6] .

Tæthed

Typisk måles et opløsningsmiddels massefylde ved 20 °C og udtrykkes som en dimensionsløs mængde d20
4, som er forholdet mellem denne densitet og densiteten af ​​vand ved 4 °C, dvs. . For de fleste organiske opløsningsmidler er densiteten d20
4under enhed, og det falder med opvarmning. En undtagelse er halogencarboner , som er tungere end vand. I den homologe serie af estere og cellosolver falder densiteten med stigende molekylvægt, mens den for alkoholer og ketoner stiger [6] .

Relativ massefylde af opløsningsmidler i homologe serier [7]
Ester d20
4		 cellosolve d20
4		 Alkohol d20
4		 Keton d20
4
Methylacetat 0,934 Methylcellosolve 0,966 methanol 0,791 Acetone 0,792
ethylacetat 0,901 ethylcellosolve 0,931 ethanol 0,789 Methylethylketon 0,805
propylacetat 0,886 propylcellosolve 0,911 Propanol-1 0,804 Methylpropylketon 0,807
Butylacetat 0,876 Butyl cellosolve 0,902 Butanol-1 0,810 Amylmethylketon 0,816

Viskositet

I den homologe serie af opløsningsmidler stiger viskositeten med stigende molekylvægt. Tilstedeværelsen af ​​hydroxylgrupper i molekylerne øger viskositeten på grund af dannelsen af ​​hydrogenbindinger. Når temperaturen falder, falder viskositeten. Opløsningsmidlets viskositet er vigtig, fordi det hovedsageligt bestemmer opløsningens viskositet [6] . Lavviskøse opløsningsmidler har en viskositet under 2 mPa s ved 20 °C, middelviskose opløsningsmidler - fra 2 til 10 mPa s, og højviskositet - over 10 mPa s [2] .

Ignition

Opløsningsmidler klassificeres efter deres brændbarhedsparametre baseret på deres flammepunkt  , den temperatur, ved hvilken en blanding af opløsningsmiddeldamp og luft antændes med åben ild. Flammepunktet falder med en stigning i opløsningsmidlets mætningsdamptryk, det vil sige med et fald i dets molekylvægt og kogepunkt. Flammepunktet er relateret til kogepunktet ved en empirisk ligning, som giver ret nøjagtige værdier for kulbrinter, ketoner og estere, men er ikke egnet til alkoholer, glykoler og glycolethere [6] :

. Flammepunkter i homologe serier [8]
Ester Flammepunkt, °С Keton Flammepunkt, °С
Methylacetat -13 Acetone -19
ethylacetat -12 Methylethylketon -fjorten
propylacetat 12 Methylpropylketon 22
Butylacetat 22 Butylmethylketon 23

Af sikkerhedsmæssige årsager forsøger de at øge flammepunktet. Azeotropiske opløsningsmiddelblandinger har dog et lavere flammepunkt end de enkelte komponenter i denne blanding, så deres anvendelse til dette formål er problematisk. Flammepunktet for toluen kan øges ved at tilsætte chloralkaner. Flammepunkter for blandinger er ikke nødvendigvis lig med flammepunktet for den mere brandfarlige komponent. Hvis opløsningsmidler af forskellig kemisk natur blandes (for eksempel en alkan og en alkohol), reduceres flammepunktet kraftigt. Hvis komponenterne er af lignende karakter, så ligger flammepunktet mellem værdierne for de rene komponenter [6] .

Opløsningsmiddeldampe kan antændes ikke kun fra åben ild, men også spontant, når antændelsestemperaturen er nået . Ifølge denne parameter er opløsningsmidler klassificeret i fem grupper: T5 (100-135 ° C), T4 (135-200 ° C), T3 (200-300 ° C), T2 (300-450 ° C) og T1 ( > 450 ° C). C) [6] .

En opløsningsmiddeleksplosion er en meget hurtig forbrændingsproces, der initieres ved antændelse og forløber uden absorption af energi eller luft udefra. En eksplosion kan kun ske, hvis opløsningsmiddeldampen og luften er i et vist forhold, som er bestemt af de øvre og nedre brændbarhedsgrænser [6] .

Kemiske egenskaber

Kemisk inertitet er en af ​​de vigtige betingelser for, at en væske kan bruges som opløsningsmiddel. Alifatiske og aromatiske carbonhydrider opfylder denne betingelse godt. Alkoholer er også meget stabile, men de reagerer med alkali , jordalkalimetaller og aluminium , omdannes til carboxylsyrer under påvirkning af stærke oxidationsmidler og reagerer også med isocyanater (derfor bruges de ikke til at opløse polyurethanfarvestoffer ) [6] .

Ethere , herunder glycolethere, danner peroxider ved længere tids udsættelse for luft og lys . Estere og ketoner er ret stabile, selvom estere kan hydrolysere til carboxylsyrer og alkoholer, især under sure eller alkaliske forhold. I et neutralt medium foregår denne proces meget langsommere: I løbet af 130 dage ved 20 °C hydrolyseres omkring 15 g af 44 g ethylacetat i 1 liter vand [6] .

Klorerede opløsningsmidler frigiver hydrogenchlorid i nærværelse af baser og metaller , selvom stabilisatorer normalt tilsættes for at undgå dette [6] .

Ansøgning

Farver

Maling bruger komplekse opløsningsmiddelsammensætninger, der varierer med malingpåføring, temperatur og tørretid . Malingstørring ved stuetemperatur indeholder ca. 45 % letkogende, 45 % middelkogende og 10 % højtkogende opløsningsmidler. Lavtkogende opløsningsmidler giver hurtig tørring af malingen, og højtkogende opløsningsmidler giver en glat lagoverflade. Hvis belægningen tørrer ved en forhøjet temperatur, indeholder malingen tværtimod ikke lavtkogende opløsningsmidler, for når de opvarmes, vil de svulme overfladen af ​​laget. Bindemidlet spiller også en vigtig rolle i formuleringen af ​​opløsningsmidlers sammensætning [9] .

Også ved oprettelse af en sammensætning tages der hensyn til opløsningsmidlets viskositet, dets virkning på lakkens mekaniske egenskaber og andre parametre, herunder brugsegenskaberne [9] . For eksempel bør trykfarver bruge opløsningsmidler, der let opløser bindemidlet, men samtidig bør opløsningsmidlet ikke interagere med kobbervalser eller gummi i tryksystemet [10] .

Malingsfjernere

Til fjernelse af malingslaget anvendes opløsningsmidler, som enten opløses godt eller kan føre til betydelig hævelse af malingsbindemiddelkomponenterne. Især ofte anvendes en blanding af dichlormethan med lavtkogende ketoner eller estere. Små mængder højtkogende opløsningsmidler ( tetrahydronaphthalen , naphthalen , benzylalkohol osv.) tilsættes til disse formuleringer for at bremse fordampningen. Moderne sammensætninger indeholder ikke chloralkaner: de er fremstillet af højtkogende opløsningsmidler ( DMF , DMSO , propylencarbonat og N-methylpyrrolidon ) med tilsætning af alkoholer eller aromatiske stoffer [10] .

Fiberproduktion

Ved fremstilling af fibre fremstilles opløsninger under anvendelse af opløsningsmidler, der er billige, flygtige, let genvindelige og har så lav en viskositet som muligt. Således bruges dichlormethan og methanol til cellulosetriacetat , acetone bruges til polyvinylchlorid, og dimethylsulfoxid eller propylencarbonat bruges til polyacrylonitril [10] .

Affedtning

Til affedtning af metaller anvendes ketoner og chlorcarbonhydrider (trichlorethylen, tetrachlorethylen, dichlormethan). Sidstnævnte stabiliseres samtidig, så hydrogenchlorid ikke frigives ved kontakt med metaller. Gradvist erstattes organiske opløsningsmidler af vandige forbindelser, hvilket er forbundet med miljøbeskyttelse [10] .

Udtrækning

Opløsningsmidler anvendes i vid udstrækning i ekstraktionsprocesser til industriel separation, isolering eller oprensning af stoffer. For eksempel fjernes umættede komponenter fra vegetabilske olier med methanol eller furfural . Opløsningsmidler bruges også til ekstraktiv destillation: i dette tilfælde tilsættes et højtkogende opløsningsmiddel til blandingen, der skal adskilles, som vekselvirker med en af ​​komponenterne, hvilket reducerer dens flygtighed. Så for eksempel kan cyclohexan (kp. 80,8 °C) og benzen (kp. 80,1 °C) adskilles ved destillation efter tilsætning af anilin , da det interagerer stærkere med benzen end med cyclohexan [10] .

Kromatografi

Opløsningsmidlet i kromatografi fungerer som en mobil fase og konkurrerer om det opløste stof med en fast sorbent . Fordelingen af ​​stoffer mellem disse faser afhænger ikke kun af sorptionsmidlets beskaffenhed, men også af opløsningsmidlets egenskaber. Opløsningsmidler er grupperet i eluotropiske serier, som afspejler opløsningsmidlets elueringsevne (som i tilfælde af polære sorbenter stiger med opløsningsmidlets polaritet) [10] .

Udførelse af kemiske reaktioner

Opløsningsmidler tjener som reaktionsmedium i organisk syntese. De giver kontakt mellem de reagerende stoffer, skaber et homogent miljø og påvirker også ligevægten , hastigheden og rækkefølgen af ​​reaktionen , og interagerer med udgangsmaterialerne, produkterne og mellempartiklerne [2] . Afhængigt af reaktionstypen er der brug for forskellige opløsningsmidler. Med akkumulering af erfaring blev egnede opløsningsmidler udvalgt til nogle reaktioner:

Toksisk effekt

Akut og kronisk toksicitet

Opløsningsmidler har forskellige virkninger på mennesker, dyr og planter. Denne handling afhænger både af mængden af ​​opløsningsmiddel og af virkningstidspunktet. Udsættelse for en stor mængde opløsningsmiddel på kort tid kan føre til akutte helbredsproblemer, og langvarig eksponering for lave doser kan føre til kroniske effekter og sensibilisering samt allergier [11] .

Opløsningsmiddeltoksicitet kvantificeres som den halvdødelige LD50 -dosis eller, da eksponering for opløsningsmidler ofte forekommer ved inhalation, som den semi-letale LC50-koncentration. Ved indånding absorberes opløsningsmidler gennem lungerne ind i blodbanen og akkumuleres derefter i lipidrige væv ( nerver , hjerne , rygmarv , fedtvæv , lever og nyrer ). Også opløsningsmidler kan have en skadelig virkning på celler. I nogle tilfælde trænger opløsningsmidler ind i kroppen gennem huden eller, mere sjældent, gennem fordøjelseskanalen [11] .

Ved akut opløsningsmiddelforgiftning forekommer svimmelhed, døsighed, hovedpine, bevidsthedstab og tegn på narkotisk virkning. Kronisk virkning er svær at opdage i de indledende stadier, men efterfølgende opstår der på grund af det skader på visse organer, afhængigt af det specifikke opløsningsmiddel [11] .

Opløsningsmidler kan enten opløse fedtlaget på huden, hvilket fører til revner og øger risikoen for infektion, eller direkte forårsage betændelse og blærer. Anilin , benzen , dimethylacetamid , dimethylformamid , dioxan , methanol , nitrobenzen , carbontetrachlorid og nogle andre opløsningsmidler absorberes meget let gennem huden [11] .

Kræftfremkaldende egenskaber

I Tyskland er nogle opløsningsmidler klassificeret som kræftfremkaldende i henhold til de tekniske forskrifter vedrørende farlige stoffer ( tysk:  Technische Regeln für Gefahrstoffe TRG 900 ) . De falder ind under sektion A (stoffer, for hvilke en kræftfremkaldende virkning er utvetydigt påvist) og sektion B (stoffer, der berettiget anses for at være mistænkt for at være kræftfremkaldende). Afsnit A omfatter underafsnit A1 (stoffer, der erfaringsmæssigt kan fremkalde ondartede svulster hos mennesker) og underafsnit A2 (stoffer, hvis kræftfremkaldende virkning tydeligt er vist i dyreforsøg). Disse lister inkluderer følgende opløsningsmidler:

Teratogenicitet og embryotoksicitet

I Tyskland er potentielt teratogene og embryotoksiske stoffer opdelt i fire grupper: med viste virkninger (gruppe A), med sandsynlige virkninger (gruppe B), uden virkninger, forudsat at MPC overholdes (gruppe C), stoffer, for hvilke der ikke er evaluering endnu muligt (Gruppe D). Ifølge denne klassifikation er dimethylformamid, ethylcellosolve, ethylcellosolveacetat, methylcellosolve, methylcellosolveacetat, 2-methoxypropanol-1, 2-methoxypropanol-1-acetat, carbondisulfid, toluen og chloroform i gruppe B. En række opløsningsmidler findes også i gruppe C og D [11] .

Økonomiske aspekter

Opløsningsmidler er meget udbredt i forskellige industrier, men deres anvendelse forventes at falde på grund af indførelsen af ​​lovgivning, der har til formål at beskytte miljøet [12] .

Opløsningsmiddelforbrug i Vesteuropa (i % af det samlede forbrug) [12]
Opløsningsmidler 1980 1986 1990 1995 2000*
Iltholdige opløsningsmidler 36,5 45 51 58 65
Alifatiske kulbrinter 28,5 22 20.5 19 atten
aromatiske kulbrinter 20.5 tyve 19 17 15.5
Chlorcarboner 14.5 13 9.5 6 1.5
Samlet forbrug, millioner tons 5.1 4,75 4.7 4.15 3.3

* forudsagte værdier

Se også

Noter

  1. ↑ Ullmann, 2000 , s. 619.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Chemical Encyclopedia, 1995 .
  3. ↑ Ullmann, 2000 , s. 620.
  4. ↑ 1 2 3 Ullmann, 2000 , s. 620-624.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Ullmann, 2000 , s. 624-630.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Ullmann, 2000 , s. 630-637.
  7. ↑ Ullmann, 2000 , s. 632.
  8. ↑ Ullmann, 2000 , s. 634.
  9. ↑ 12 Ullmann, 2000 , s. 645-648.
  10. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Ullmann, 2000 , s. 648-650.
  11. ↑ 1 2 3 4 5 6 Ullmann, 2000 , s. 637-640.
  12. ↑ 12 Ullmann, 2000 , s. 650.

Litteratur